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  8月12日，Science advances雜志在線全文刊發(fā)了北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院張夢副教授與劍橋大學(xué)Tawfique Hasan博士等團(tuán)隊(duì)合作在二維晶體材料噴墨打印制備技術(shù)方面的最新研究成果：“A general ink formulation of 2d crystals for wafer-scale inkjet printing”。北航卓越百人張夢副教授、劍橋大學(xué)Tawfique Hasan博士、杜倫大學(xué)Colin D. Bain教授為文章共同通訊作者。

  二維晶體以其特殊的材料性能為（光）電子學(xué)，光子學(xué)和傳感器的發(fā)展提供了巨大的潛力。近年來，研究人員致力于將噴墨打印技術(shù)應(yīng)用于二維晶體材料，以實(shí)現(xiàn)大面積、低成本的光電子器件制造(張夢副教授相關(guān)早期工作請見Nature Communications, 8, 278, 2017)。然而，在噴墨打印過程中，墨水液滴由于液-氣界面曲率的變化產(chǎn)生徑向向外的拉普拉斯壓力，并在該拉普拉斯壓力的驅(qū)動下運(yùn)載材料至液滴與基片界面邊緣處形成“咖啡環(huán)”狀的非均勻沉積。這個問題嚴(yán)重限制了該技術(shù)應(yīng)用的可重復(fù)性和可擴(kuò)展性。

  張夢副教授所在的合作團(tuán)隊(duì)提出，通過設(shè)計(jì)墨水溶劑成分的表面張力和揮發(fā)速率從而誘導(dǎo)墨水產(chǎn)生Marangoni效應(yīng)以有效抑制咖啡環(huán)效應(yīng)（圖1）。團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，雙溶劑混合溶液被噴墨打印至基底后，誘導(dǎo)產(chǎn)生的馬拉高尼效應(yīng)會增強(qiáng)液滴的擴(kuò)展，引起液滴與基底接觸線處的材料持續(xù)擴(kuò)散，從而使材料在基底上保持均勻的濃度分布。同時，在液滴的干燥過程中，液滴較厚的中心處的表面張力小于液滴較薄的邊緣處的表面張力，從而引起溶液從液滴頂點(diǎn)流向液滴邊緣的馬拉高尼效應(yīng)。該馬拉高尼效應(yīng)使液滴在蒸發(fā)過程中維持平展形狀而均勻變薄，從而形成均勻的沉積物。

圖1. Marangoni效應(yīng)

  理解該機(jī)制后，研究者合成了10余種不同的二維晶體以及這些二維晶體的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和混合體，并制備了它們的墨水。無論是采用單線打印圖樣，還是大尺寸、大面積打印圖樣，均展現(xiàn)出了良好的均勻性和一致性（圖2）。作為演示，研究者通過噴墨打印制備了基于二硫化鉬以及石墨烯/氧化鐵二維混合材料的可飽和吸收體（4×8陣列）、室溫氣體傳感器（5×10陣列）和光電探測器（45×100陣列）。隨機(jī)選擇16個二硫化鉬可飽和吸收體應(yīng)用于光纖激光器，輸出脈沖測試表明其脈寬符合高斯分布，其離散系數(shù)為3.3%；室溫二氧化氮傳感器和光電探測器的響應(yīng)離散系數(shù)分別為2.5%和9.1%，器件的性能參數(shù)浮動完全在二維晶體噴墨打印制造可接受的變化范圍內(nèi)。該研究克服了二維晶體大規(guī)模可重復(fù)性制備方面的最大障礙之一。

圖2. 噴墨打印制備的二維晶體

圖3. 不同次噴墨打印器件樣品展現(xiàn)出一致特性

  該報(bào)道首次完整揭示了馬拉高尼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)均勻噴墨打印的機(jī)制，這為推進(jìn)二維晶體光子的可重復(fù)性大規(guī)模量產(chǎn)具有重要意義，為國家光電子器件產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起到了積極作用。該工作得到了中國國家自然科學(xué)基金委員會（51778030，51372220，51322202）、英國工程和自然科學(xué)研究委員會（EP/N025245/1，EP/L016087/1， EP/G037221/1）、英國皇家學(xué)會、英國創(chuàng)新署歐盟地平線2020研究與創(chuàng)新計(jì)劃的支持。

  論文原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/33/eaba5029.abstract