北航张梦副教授与剑桥大学 Hasan博士等团队合作《Sci. adv.》：在二维晶体材料喷墨打印制备技术方面取得新成果
8月12日，Science advances杂志在线全文刊发了北京航空航天大学电子信息工程学院张梦副教授与剑桥大学Tawfique Hasan博士等团队合作在二维晶体材料喷墨打印制备技术方面的最新研究成果：“A general ink formulation of 2d crystals for wafer-scale inkjet printing”。北航卓越百人张梦副教授、剑桥大学Tawfique Hasan博士、杜伦大学Colin D. Bain教授为文章共同通讯作者。
二维晶体以其特殊的材料性能为（光）电子学，光子学和传感器的发展提供了巨大的潜力。近年来，研究人员致力于将喷墨打印技术应用于二维晶体材料，以实现大面积、低成本的光电子器件制造(张梦副教授相关早期工作请见Nature Communications, 8, 278, 2017)。然而，在喷墨打印过程中，墨水液滴由于液-气界面曲率的变化产生径向向外的拉普拉斯压力，并在该拉普拉斯压力的驱动下运载材料至液滴与基片界面边缘处形成“咖啡环”状的非均匀沉积。这个问题严重限制了该技术应用的可重复性和可扩展性。
张梦副教授所在的合作团队提出，通过设计墨水溶剂成分的表面张力和挥发速率从而诱导墨水产生Marangoni效应以有效抑制咖啡环效应（图1）。团队通过实验研究发现，双溶剂混合溶液被喷墨打印至基底后，诱导产生的马拉高尼效应会增强液滴的扩展，引起液滴与基底接触线处的材料持续扩散，从而使材料在基底上保持均匀的浓度分布。同时，在液滴的干燥过程中，液滴较厚的中心处的表面张力小于液滴较薄的边缘处的表面张力，从而引起溶液从液滴顶点流向液滴边缘的马拉高尼效应。该马拉高尼效应使液滴在蒸发过程中维持平展形状而均匀变薄，从而形成均匀的沉积物。
图1. Marangoni效应
理解该机制后，研究者合成了10余种不同的二维晶体以及这些二维晶体的异质结构和混合体，并制备了它们的墨水。无论是采用单线打印图样，还是大尺寸、大面积打印图样，均展现出了良好的均匀性和一致性（图2）。作为演示，研究者通过喷墨打印制备了基于二硫化钼以及石墨烯/氧化铁二维混合材料的可饱和吸收体（4×8阵列）、室温气体传感器（5×10阵列）和光电探测器（45×100阵列）。随机选择16个二硫化钼可饱和吸收体应用于光纤激光器，输出脉冲测试表明其脉宽符合高斯分布，其离散系数为3.3%；室温二氧化氮传感器和光电探测器的响应离散系数分别为2.5%和9.1%，器件的性能参数浮动完全在二维晶体喷墨打印制造可接受的变化范围内。该研究克服了二维晶体大规模可重复性制备方面的最大障碍之一。
图2. 喷墨打印制备的二维晶体
图3. 不同次喷墨打印器件样品展现出一致特性
该报道首次完整揭示了马拉高尼效应实现均匀喷墨打印的机制，这为推进二维晶体光子的可重复性大规模量产具有重要意义，为国家光电子器件产业化发展起到了积极作用。该工作得到了中国国家自然科学基金委员会（51778030，51372220，51322202）、英国工程和自然科学研究委员会（EP/N025245/1，EP/L016087/1， EP/G037221/1）、英国皇家学会、英国创新署欧盟地平线2020研究与创新计划的支持。
论文原文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaba5029.abstract
来源：北京航空航天大学
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