深圳大学张晗教授团队：基于喷墨打印MXene的微纳集成光电子器件

近年来，二维材料具有与传统体材料所不同的各种新颖的物理化学特性，并且完美的符合了人们日益增加的对于小型化、集成化、高效率、多功能器件的需求，因而成为了目前各学科交叉研究的热点和重点。其中，二维非线性光学材料是未来非线性光子学、等离子激元、光-光/电/磁/声相互调控等纳米器件不可或缺的重要基元，因而受到了光学、材料、通讯以及医疗等领域研究人员的广泛关注。近期，一种由美国德雷塞尔大学（Drexel University）Yury Gogotzi 等人发明的新的二维材料家族MXene引起了人们的广泛关注。MXene的线性吸收度在1%/nm左右，远远低于石墨烯的2.3%/单层（每单层石墨烯的厚度为~1 nm）。由于MXene材料所具有的各种出色的物理化学性能，如高导电率、高弹性模量、高电容率、可调谐的带隙、高光学透过率、可离子嵌入、可室温条件制备、以及与水、有机溶剂和生物体良好的相容性等。MXene已经被广泛的应用到了储能、结构材料、电磁屏蔽、水净化、气体传感器、生物传感器、催化剂、产氢、光热治疗以及核废料处理等领域。

近日，深圳大学张晗教授、文侨教授、劳长石教授以及上海交通大学谢国强教授通力合作，将MXene的一位重要成员Ti₃C₂制备成可用于打印的稳定墨水，并打印到D型光纤、高反金镜、硅片、玻璃片以及柔性衬底上，用作于光纤激光器和固体激光器的可饱和吸收器件。分别在1.06和1.55微米的光纤激光器中实现了锁模输出，最短脉冲为114 fs；并在2.8微米的中红外光纤激光器中实现了调Q输出。更近一步的，他们还在1.06微米的近红外固体激光器中实现了稳定的调Q激光输出。最后，作者对基于二维材料MXene的喷墨打印的现状和前景做出总结。该成果发表在NPJ: 2D Materials and Applications上。论文的第一作者是深圳大学的蒋先涛副研究员和李文嘉硕士。

图1 . MXene的形态特征。（a-b）不同倍率下的MXene粉末的SEM图像；（c）HRTEM图像显示了MXene的中间层厚度；（d-e）IPA油墨前体中的MXene纳米片的SEM和AFM图像；（f）MXene纳米片的HRTEM图像；（h-i）通过SEM和AFM分别表征纳米片的大小和厚度分布；（g）沉积在石英玻璃基板上的MXene纳米片的光学透射率。

图2. 喷墨打印特征。（a）喷墨打印原理图；（b）打印从打印机频闪摄像机观察到的液滴序列；（c）深圳大学喷墨印刷标识透明柔韧的PET薄膜；（d-f，h-j）玻璃基板上的印刷点，条纹和平面，比例尺：100 μm；（g）打印的侧抛光纤维可饱和吸收体；（k）打印具有不同的印刷层的可饱和吸收镜（SAM），顺时针印刷的层：10L，20L，16L，8L，4L。

图3. 激光谐振器的示意图。（a-b）分别内置喷墨打印MXene的D型光纤可饱和吸收体的掺铒和掺镱光纤激光器；（c-d）分别内置喷墨打印MXene的可饱和金镜的侧泵Nd-YAG激光器和LD泵浦的掺铒ZBLAN MIR光纤激光器。

图4. 宽带脉冲激光器实验效果。（a-b）分别是1.06 μm和1.55 μm光纤激光器的锁模脉冲序列图谱；（c,e）分别是1.06 μm和2.8 μm的调Q激光器的脉冲序列在不同功率下的变化情况；（d,f）分别是1.06 μm和2.8 μm的调Q激光器的重频，脉宽及输出功率之间的关系。

图5. 宽带脉冲激光器实验效果。（a）不同脉冲激光器的光谱图；（b）不同脉冲激光器的斜效率图；（c）不同脉冲激光器的频谱图；（d）不同脉冲激光器的脉宽图。

图6. 喷墨打印二维材料流变特性的简要概述。

小结

作者利用二维材料MXene的独特非线性光学特性优势并将其以喷墨打印的方式制备集成的宽带可饱和吸收体，具有可控、价格低廉、无粘合剂等一系列优点，并实现了从1 μm到3 μm波段的超短脉冲输出。基于此，多功能喷墨打印MXene器件的成功可能会为实现更高级的MXene光子器件铺平道路，希望这项工作可以为探索其他全印刷二维材料或异质结构提供灵感，以实现集成电子光子学器件。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Inkjet-printed MXene micro-scale devices for integrated broadband ultrafast photonics

Xiantao Jiang, Wenjia Li, Ting Hai, Rui Yue, Zhangwei Chen, Changshi Lao, Yanqi Ge, Guoqiang Xie, Qiao Wen, Han Zhang

npj 2D Mater. Appl., 2019, 3, 34, DOI: 10.1038/s41699-019-0117-3

导师介绍

张晗

https://www.x-mol.com/university/faculty/40451

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