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新型墨水的诞生——类石墨烯材料喷墨打印技术的突破

导语:

如何提升黑磷材料的稳定性、拓展其应用规模,一直是科研界所难以克服的问题。2017年6月16日,由北京航空航天大学电子信息工程学院的张梦老师参与完成的研究成果,通过设计制备高性能稳定黑磷喷墨打印墨水的方法,克服了基于黑磷材料器件的制备加工难题,该项成果的相关论文现已被Nature Communications所收录。

 

背景:材料应用新纪元

2004年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫制成了世界上最薄、强度最高的材料石墨烯。2010年,两位科学家因在石墨烯研究方面的卓越成就而被授予诺贝尔物理学奖,石墨烯被进一步推向了科学界研究的热点领域。

随着研究的深入,越来越多的新型纳米材料被发掘出具有与石墨烯相似的卓越性质,黑磷就是其中的重要的一种。尽管黑磷为制造新型激光和光电器件时表现出了非凡的性能,但由于其加工工艺复杂且在外界环境中难以保持稳定,严重阻碍了这种独特材料的推广应用。

 

突破:交叉合作的碰撞

为攻克黑磷应用中所遇到的难题,一支由北京航空航天大学、剑桥大学、帝国理工学院和浙江大学研究人员所组成的跨学科科研团队应运而生。该项研究以北京航空航天大学和剑桥大学为主导,由帝国理工学院及浙江大学进行辅助,其中剑桥石墨烯中心在墨水制备方面发挥突出作用,浙江大学利用光电探测器评估新材料的性能。张梦老师担任了团队的共同通讯作者,并主要负责研究中激光器的设计。

在黑磷喷墨打印技术的研究中,张梦老师及其课题组通过精确控制墨水化学成分并平衡其相互竞争的流体效应得到稳定的黑磷墨水,该墨水能高质量、高均匀性、高速地大规模打印新型功能性光电器件。采用该方法打印的黑磷应用到激光器中用作超快光开关,将激光器的连续光输出转变为超短脉冲序列,有利于该项技术在工业和医疗方面的推广应用。张梦老师表示:“相比于其它研究,我们使用打印黑磷设计的非线性光学器件显著提升了运转性能和稳定性。”

张梦老师实验室团队合影

 

心得:他山之石以攻玉

张梦老师提出,团队的强强联合,是促成此次研究成功的关键因素。研究团队的组建离不开学校所提供政策优势:建立国家级“高等学校学科创新引智基地”、开展“青年拔尖人才支持计划”与“卓越百人”人才引进计划……诸多项目的推进,在北航与国内外前沿团队之间,搭建了一座技术合作的桥梁。如果没有这支跨越国际团队的组建,各自的研究技术无法互通,这项成果可能始终难以实现。

此外,张梦老师认为北航建立的综合学科交叉优势平台,在推进科研时也发挥了重要作用。在本成果的研究中,为克服黑磷的不稳定性,张梦老师结合材料成分与流体力学等多门学科入手,才将打印出的光电器件的性能改进至可以满足激光器的稳定输出方式。

 

结语:

黑磷喷墨打印技术的改良,使得打印大规模光电器件和其他类石墨烯材料成为可能,它也将广泛应用于超快光学领域,为光谱探测和传感技术提供支持。未来,张梦老师将继续深入研究,以期此项技术能获得更广阔的应用前景。我校也将继续致力于聚焦国际学术前沿,孕育出更多的高水平交叉学科研究成果,为实现扎根中国大地的世界一流大学宏伟目标汇聚不竭动力。

 

策划/文案:张金星、金睿

英文编辑:李明珠

设计:王宸彦

技术:曹嘉辉

鸣谢:电子信息工程学院、张梦老师

编审:北航门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn