Hoe de elektronica van morgen te maken met inkjet-geprint grafeen

Onderzoekers van de Universiteit van Nottingham hebben het raadsel opgelost over het gebruik van inkt voor het 3D-printen van nieuwe elektronische apparaten met nuttige eigenschappen, zoals het vermogen om licht om te zetten in elektriciteit. Hun onderzoek toont aan dat het mogelijk is om inkt te spuiten die kleine schilfers van 2D-materialen zoals grafeen bevat, om de verschillende lagen van deze complexe aangepaste structuren op te bouwen en samen te voegen.

Met behulp van kwantummechanische modellering hebben de onderzoekers ook vastgesteld hoe elektronen door de 2D-materiaallagen bewegen, om volledig te begrijpen hoe apparaten in de toekomst kunnen worden aangepast.

Grafeen, vaak beschreven als een 'supermateriaal', werd voor het eerst gemaakt in 2004. Het vertoont vele unieke eigenschappen, waaronder sterker dan staal, zeer flexibel en de beste geleider van elektriciteit die ooit is gemaakt. Tweedimensionale materialen zoals grafeen worden meestal gemaakt door achtereenvolgens een enkele laag koolstofatomen te exfoliëren - gerangschikt in een vlakke plaat - die vervolgens worden gebruikt om op maat gemaakte structuren te produceren. Het was echter moeilijk om lagen te produceren en deze te combineren om complexe, sandwich-achtige materialen te maken en vereist meestal een nauwgezette afzetting van de lagen één voor één met de hand.

“Door fundamentele concepten in de kwantumfysica te koppelen aan state-of-the-art-engineering, hebben we laten zien hoe complexe apparaten voor het regelen van elektriciteit en licht kunnen worden gemaakt door materiaallagen te printen die slechts een paar atomen dik maar centimeters dik zijn. Volgens de wetten van de kwantummechanica, waarin de elektronen als golven fungeren in plaats van deeltjes, ontdekten we dat elektronen in 2D-materialen langs complexe banen tussen meerdere vlokken reizen. Het lijkt alsof de elektronen van de ene vlok naar de andere springen, zoals een kikker die tussen overlappende waterlelies op het oppervlak van een vijver springt”, zegt professor Mark Fromhold, hoofd van de School of Physics and Astronomy.

Sinds de ontdekking is er een exponentiële groei geweest in het aantal patenten op grafeen. Om het potentieel ervan volledig te benutten, moeten echter schaalbare productietechnieken worden ontwikkeld. Dit nieuwe onderzoek toont aan dat additive manufacturing - 3D-printen - met behulp van inkten, waarin minuscule vlokken grafeen (enkele miljardsten van een meter doorsnede) zijn opgehangen, een veelbelovende oplossing biedt. Door geavanceerde productietechnieken te combineren om apparaten te maken, samen met geavanceerde manieren om hun eigenschappen te meten, en kwantumgolfmodellering, heeft het team precies uitgewerkt hoe inkjet-geprint grafeen met succes enkellaags grafeen kan vervangen als contactmateriaal voor 2D-metalen halfgeleiders.

"Hoewel 2D-lagen en apparaten al eerder 3D-geprint zijn, is dit de eerste keer dat iemand heeft vastgesteld hoe elektronen er doorheen bewegen en mogelijke toepassingen voor de gecombineerde, geprinte lagen heeft aangetoond. Onze resultaten kunnen leiden tot diverse toepassingen voor inkjet-geprinte grafeen-polymeercomposieten en een reeks andere 2D-materialen. De bevindingen kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe generatie functionele opto-elektronische apparaten te maken; bijvoorbeeld grote en efficiënte zonnecellen; draagbare, flexibele elektronica die wordt aangedreven door zonlicht of de beweging van de drager; misschien zelfs gedrukte computers,” zei Dr. Lyudmila Turyanska.

De onderzoekers gebruikten een breed scala aan karakteriseringstechnieken, waaronder micro-Raman-spectroscopie (laserscanning), thermische zwaartekrachtanalyse, een nieuw 3D orbiSIMS-instrument en elektrische metingen, om gedetailleerd structureel en functioneel begrip te krijgen van inkjet-geprinte grafeenpolymeren en de effecten van warmtebehandeling (gloeien) op prestaties.

De volgende stappen voor het onderzoek zijn om de afzetting van de vlokken beter te beheersen door polymeren te gebruiken om de manier waarop ze rangschikken en uitlijnen te beïnvloeden en verschillende inkten met verschillende vlokkengroottes te proberen. De onderzoekers hopen ook meer geavanceerde computersimulaties te ontwikkelen van de materialen en de manier waarop ze samenwerken, en manieren te ontwikkelen om de apparaten die ze prototypen massaal te vervaardigen.