Ett banbrytande "recept" för bläckstråleutskrift, som skulle kunna möjliggöra storvolymtillverkning av nästa generations laser- och optoelektroniska teknologier, har upptäckts av Cambridge-forskare.

Forskningen, ledd av Dr Tawfique Hasan, från Cambridge Graphene Centre, Universitetet i Cambridge, fann att svart fosfor (BP) bläck – ett unikt tvådimensionellt material som liknar grafen – är kompatibelt med konventionella bläckstråletekniker, möjliggör – för första gången – skalbar masstillverkning av BP-baserade laser- och optoelektroniska enheter.

Ett tvärvetenskapligt team av forskare från Cambridge och Imperial College London, Aalto-universitetet, Beihang University, och Zhejiang University, noggrant optimerat den kemiska sammansättningen av BP för att uppnå ett stabilt bläck genom balansen av komplexa och konkurrerande vätskeeffekter. Detta möjliggjorde produktionen av nya funktionella laser- och optoelektroniska enheter med höghastighetsutskrift.

På grund av att BP-bläcket torkar snabbt, den slutliga utskriftskvaliteten för de tillverkade enheterna – en laser och en fotodetektor – är av hög kvalitet och enhetlighet, och lika bra som vad du kan förvänta dig av att skriva ut ett fotografi på papper.

Forskningen med titeln Black phosphorus ink formulering för bläckstråleutskrift av optoelektronik och fotonik har publicerats idag i Naturkommunikation och finansierades av Royal Academy of Engineering och Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).

BP innehåller användbara egenskaper för elektroniska och optoelektroniska enheter, inklusive ett halvledarbandgap som kan täcka det synliga och nära-infraröda området av det elektromagnetiska spektrumet.

Herr Guohua Hu, huvudförfattaren, sa:"Vår bläckformulering möjliggör mycket enhetlig bläckstråleutskrift som inte försämras i den omgivande miljön, föra stora arrayer av 2D-materialbaserade ljussensorer närmare verkligheten.

"Formuleringen representerar en betydande vetenskaplig och teknisk prestation när det gäller att använda detta BP-material för framtida tillämpningar. Det funktionella bläcket, som innehåller mycket små "flingor" av BP, tillåter oss att skriva ut på en mängd olika substrat, inklusive plast, som förblir stabil under en längre period."

Professor Meng Zhang från Beihang University ledde arbetet med att skriva ut BP-baserade icke-linjära optiska enheter som enkelt kan sättas in i lasrar för att fungera som ultrasnabba optiska slutare.

En kontinuerlig stråle av laserstrålning omvandlas till en upprepad serie mycket korta ljusskurar (eller pulser) som är mycket lämpade för industriella och medicinska tillämpningar, till exempel, bearbetning, borrning, avbildning och avkänning.

"Vår icke-linjära optiska enhetsdesign med BP uppnår en betydligt bättre prestanda och driftsstabilitet än någon annan tidigare demonstration, " sa professor Zhang.

"Det här är anledningen till att vårt "bläckrecept" med BP markerar en betydande förändring mot nya fotoniska enheter och arkitekturer som använder ett så nytt material."

Som en del av forskningen, Teamet visade också BPs förmåga att fungera som en effektiv och mycket känslig ljusdetektor, utvidga våglängdsområdet utöver vad som för närvarande uppnås av konventionella kiselbaserade fotodetektorer.

Dr Hasan, som leder forskningsgruppen Hybrid Nanomaterials Engineering, tillade:"BP är ett särskilt intressant post-grafenmaterial som erbjuder många möjligheter för nya laser- och optoelektroniska enheter. Men trots dess anmärkningsvärda prestanda i labbet, praktiskt utnyttjande i den verkliga världen av denna unika grafenliknande kristall har hindrats av komplex materialtillverkning och dess dåliga miljöstabilitet. Men vårt genombrott inom BP-bläck kommer att förändra allt detta och själva bläcket kan sömlöst integreras med befintliga komplementära metall-oxid-halvledarteknologier (CMOS).