Tutkijat tulostivat grafeeninkaltaisia materiaaleja mustesuihkutulostimella

Nobel-palkinnon voittaneen grafeenimateriaalin löytymisen myötä monien uusien nanomateriaalien uskotaan tuottavan mielenkiintoisia fotonisia ja optoelektronisia teknologioita. Musta fosfori on erityisen kiinnostava grafeenin myötä kehitetty nanomateriaali, joka soveltuu seuraavan sukupolven fotonisiin ja optoelektronisiin laitteisiin. Siitä huolimatta, että musta fosfori on toiminut laboratorio-olosuhteissa loistavasti, materiaalin käytännön sovellusten kehittämistä on hidastanut sen monimutkainen valmistustapa ja heikko stabiilisuus ympäristöolosuhteissa.

”Mustan fosforin käyttöön perustuvien fotoniikan ja optoelektronisten laitteiden skaalattavan massatuotannon haasteena on ollut erilaisten teollisten sovellusten edellyttämä stabiliteetti pitkällä aikavälillä. Mustesuihkutulostusinnovaatiomme on nyt mahdollistanut tämän ensimmäistä kertaa”, kertoo professori Zhipei Sun Aalto-yliopistosta.

Tutkijat optimoivat materiaalin kemiallisen koostumuksen saavuttaakseen stabiilin musteen monimutkaisten ja kilpailevien fluidisten efektien avulla. Tämä mahdollisti uudenlaisten toimivien fotoniikan ja optoelektroniikan laitteiden valmistuksen mustetulostuksella niin, että tulostusjälki ja tasaisuus ovat erinomaisia – vastaavasti kuin tulostettaessa monimutkaisia grafiikoita tai valokuvia paperille. Tutkijat osoittivat uuden tekniikan edut mustetulostamalla laitteita, jotka hyödyntävät mustan fosforin ominaisuuksia, etenkin sen puolijohtavaa energiavyötä. Sitä voidaan helposti muunnella atomikerrosten määrää muokkaamalla, ja se voi kattaa sähkömagneettisen spektrin näkyvän ja lähi-infrapuna-alueen.

Tutkija osoittivat myös sen, että mustan fosforin käyttöön perustuvat tulostetut epälineaariset optiset laitteet, jotka voidaan helposti asentaa lasereihin, toimivat ultranopeina optisina sulkimina. Laitteet muuntavat jatkuvan lasersäteen sarjaksi erittäin lyhyitä valonpurkauksia, ja ne soveltuvat teollisiin ja lääketieteellisiin sovelluksiin, kuten mekaaniseen työstämiseen, kuvantamiseen ja mittaukseen. Tutkimuksessa musta fosfori toimi myös tehokkaana ja erittäin herkkänä valonilmaisimena laajentaen täten aallonpituusaluetta, jolla piipohjaiset optiset ilmaisimet voivat toimia.

Mikä tärkeintä, tutkijat osoittivat, että musta fosforimuste voidaan integroida saumattomasti osaksi olemassa olevia CMOS-puolijohdeteknologioita. Kehitetty mustesuihkutulostusteknologia tarjoaa mahdollisuuden niin sanottujen heterorakenteisten materiaalien valmistukseen. Niiden kontrolloidulla valmistuksella voidaan hyödyntää useiden nanomateriaalikerrosten erillisten, mutta silti toisiaan täydentävien ominaisuuksien etuja.

Uuden musteen kehitti kansainvälinen tutkijaryhmä, jossa olivat mukana Aalto-yliopisto, University of Cambridge (Britannia), Imperial College London Britannia) ja Beihang University (Kiina). Tutkimusta tukivat Suomen Akatemia, Tekes, Nokia Säätiö ja Euroopan komissio.

Artikkeli:

G. Hu et.al., Black phosphorus ink formulation for inkjet printing of optoelectronics and photonic, Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-017-00358-1.

Linkki artikkeliin (nature.com)

Lisätietoja:

Professori Zhipei Sun
Zhipei.Sun@aalto.fi

puh. +358 50 4302 820
Tutkimusryhmä