Inkjet-geprinte grafiet: De toekomst van 3D-geprinte elektronica

Onderzoekers aan de University of Nottingham hebben de conondrum gekraakt van hoe inkt te gebruiken om 3D te printen nieuwe elektronische apparaten met nuttige eigenschappen, zoals de capaciteit om licht om te zetten in elektriciteit. Hun studie toont aan dat het mogelijk is om inkt met kleine vlocjes van 2D-materialen zoals grafiet te straalen, om de verschillende lagen van deze complexe aangepaste structuren op te bouwen en samen te voegen.

Met behulp van kwantum-mechanische modellering, identificeerden de onderzoekers ook precies hoe elektronen door de 2D-materiellagen bewegen, om volledig te begrijpen hoe apparaten in de toekomst gewijzigd kunnen worden.

Vaak beschreven als een 'supermateriaal', werd grafiet voor het eerst in 2004 gecreëerd. Het vertoont veel unieke eigenschappen, waaronder sterker dan staal, hoog flexibel, en de beste geleider van elektriciteit ooit gemaakt. Tweedimensionale materialen zoals grafiet worden meestal gemaakt door achtereenvolgens een enkele laag koolstofatomen — gerangschikt in een vlak vel — te exfoliëren, die vervolgens gebruikt worden om maatwerkstructuren te produceren. Echter, het produceren van lagen en het combineren ervan om complexe, sandwich-achtige materialen te maken is moeilijk geweest en heeft doorgaans pijnstakende depositie van de lagen één voor één met de hand vereist.

"Door fundamentele concepten in kwantumfysica te koppelen met state-of-the-art engineering, hebben we getoond hoe complexe apparaten voor het controleren van elektriciteit en licht gemaakt kunnen worden door lagen van materiaal te printen die slechts een paar atomen dik zijn maar centimeters breed. Volgens de wetten van de kwantummechanica, waarin elektronen als golven optreden in plaats van deeltjes, vonden we dat elektronen in 2D-materialen langs complexe trajecten tussen meerdere vlocjes reizen. Het lijkt alsof de elektronen hoppen van de ene vloc naar de andere als een kikker die hoppt tussen overlappende waterlelies op het oppervlak van een vijver," zei Professor Mark Fromhold, Hoofd van de School of Physics and Astronomy.

Sinds de ontdekking is er een exponentiële groei in het aantal patenten met betrekking tot grafiet. Echter, om het potentieel volledig te benutten, moeten schaalbare productietechnieken ontwikkeld worden. Dit nieuwe onderzoek toont aan dat additieve productie — 3D-printen — met inkt, waarin kleine vlocjes grafiet (een paar miljardste meter groot) geschorst zijn, een veelbelovende oplossing biedt. Door geavanceerde productietechnieken om apparaten te maken te combineren met geavanceerde manieren om hun eigenschappen te meten, en kwantumgolfmodellering, werkte het team uit hoe inkjet-geprinte grafiet succesvol enkelvoudige-laag grafiet kan vervangen als contactmateriaal voor 2D-metaal-halfgeleiders.

"Terwijl 2D-lagen en apparaten vóór 3D-geprint zijn, is dit de eerste keer dat iemand geïdentificeerd heeft hoe elektronen door ze bewegen en potentiële toepassingen voor de gecombineerde, geprinte lagen gedemonstreerd. Onze resultaten kunnen leiden tot diverse toepassingen voor inkjet-geprinte grafiet-polymer-composieten en een reeks andere 2D-materialen. De bevindingen kunnen ingezet worden om een nieuwe generatie functionele optoelektronische apparaten te maken; bijvoorbeeld, grote en efficiënte zonnecellen; draagbare, flexibele elektronica die aangedreven wordt door zonlicht of de beweging van de drager; misschien zelfs geprinte computers," zei Dr. Lyudmila Turyanska.

De onderzoekers gebruikten een breed scala aan karakterisatietechnieken inclusief micro-Raman-spectroscopie (laserscanning), thermische zwaartekrachtanalyse, een nieuwe 3D orbiSIMS-instrument, en elektrische metingen, om gedetailleerde structurele en functionele begrip van inkjet-geprinte grafiet-polymeren en de effecten van warmtebehandeling (annealing) op prestaties te leveren.

De volgende stappen voor het onderzoek zijn om de depositie van de vlocjes beter te controleren door polymeren te gebruiken om de manier te beïnvloeden waarop ze zich rangschikken en aligneren en het proberen van verschillende inkt met een bereik aan vlocgrootten. De onderzoekers hopen ook meer geavanceerde computermodellen van de materialen en de manier waarop ze samenwerken te ontwikkelen, manieren te ontwikkelen voor massaproductie van de apparaten die ze prototypen.