研究人员破解了3D印刷石墨烯制造新型电子设备的技术难题

发布日期：2020-11-11 浏览次数：84

　　诺丁汉大学解决了如何使用油墨3D打印具有有用特性（例如将光转换为电的能力）的新型电子设备的难题。研究表明，可以喷射包含微小的2D材料薄片（例如石墨烯）的油墨，以将这些复杂的，定制的结构的不同层堆积并啮合在起。使用量子力学建模，研究人员还指出了电子如何在2D材料层中运动，以完全了解将来如何修改突破性的器件。

　　论文的共同作者，物理与天文学学院院长Mark Fromhold教授说：“通过将量子物理学中的基本概念与新技术相结合，我们已经展示了控制电和光的复杂设备如何能够通过印刷几层厚但几厘米宽的材料制成。

　　“根据量子力学定律，在电子定律中，电子起着波的作用而不是粒子的作用，我们发现二维材料中的电子沿着多片薄片之间的复杂轨迹行进。电子似乎像从青蛙样跳到另薄片。在池塘表面重叠的睡莲垫之间。”

　　这项研究《喷墨印刷石墨烯器件中电子和空穴的薄片间量子传输》已经发表在同行评审的《高功能材料》杂志上。石墨烯通常被称为“超材料”，于2004年次制造。它具有许多独特的性能，包括比钢更坚固，具有更高的柔韧性以及有史以来好的电导体。

　　像石墨烯这样的二维材料通常是通过顺序剥落单层碳原子（排列在平板中）制成的，然后将其用于定制结构。然而，生产层并将其组合以制造复杂的，类似三明治的材料是困难的，并且通常需要次且次地手工沉积层。

　　自发现以来，涉及石墨烯的专利数量呈指数增长。但是，为了充分利用其潜力，需要开发可扩展的制造技术。这份新论文表明，使用油墨进行增材制造（通常称为3D打印）是种有希望的解决方案，油墨中悬浮着微小的石墨烯薄片（数十亿分之米）。

　　通过结合进的制造技术来制造设备以及测量其性能和量子波建模的复杂方法，该团队准确地弄清楚了喷墨印刷的石墨烯如何成功取代单层石墨烯作为2D金属半导体的接触材料。

　　合著者，来自增材制造中心的Lyudmila Turyanska博士说：“虽然2D层和设备以前是3D打印的，但这是任何人第次确定电子如何穿过它们并展示出结合后的潜在用途。我们的结果可能会导致喷墨打印的石墨烯-聚合物复合材料和系列其他2D材料的各种应用，这些发现可用于制造新代功能性光电器件；例如，大型高效的太阳能电池；可穿戴式，由阳光或穿戴者的运动提供动力的柔性电子产品；甚至可能是印刷计算机。”

　　这项研究是由EPSRC资助的585万英镑的计划“下代增材制造”下的增材制造中心的工程师和物理与天文学学院的物理学共同对量子技术感兴趣的。

　　研究人员使用了多种表征技术-包括微拉曼光谱法（激光扫描），热引力分析，新型3D orbiSIMS仪器和电学测量-以提供对喷墨打印的石墨烯聚合物的详细结构和功能理解以及效果（退火）对性能的影响。

　　研究的下步是通过使用聚合物来影响薄片的沉积和排列方式，并尝试使用多种薄片尺寸的不同油墨，从而更好地控制薄片的沉积。研究人员还希望对材料及其协同工作方式进行更复杂的计算机模拟，从而开发出对其原型设备进行批量生产的方式。