Как сделать электронику завтрашнего дня, используя графен для струйной печати

Исследователи из Ноттингемского университета решили головоломку, как использовать чернила для 3D-печати новых электронных устройств с полезными свойствами, такими как способность преобразовывать свет в электричество. Их исследование показывает, что чернилами, содержащими крошечные чешуйки двумерных материалов, таких как графен, можно создавать и соединять вместе различные слои этих сложных настраиваемых структур.

Используя квантово-механическое моделирование, исследователи также точно определили, как электроны движутся через двумерные слои материала, чтобы полностью понять, как устройства могут быть модифицированы в будущем.

Часто описываемый как «суперматериал», графен был впервые создан в 2004 году. Он обладает многими уникальными свойствами, включая прочность стали, высокую гибкость и лучший проводник электричества из когда-либо созданных. Двумерные материалы, такие как графен, обычно изготавливаются путем последовательного расслоения одного слоя атомов углерода, расположенных в виде плоского листа, которые затем используются для создания индивидуальных структур. Однако создание слоев и их объединение для создания сложных многослойных материалов было затруднено и обычно требовало кропотливого наложения слоев по одному вручную.

«Соединяя фундаментальные концепции квантовой физики с современными технологиями, мы показали, как сложные устройства для управления электричеством и светом могут быть созданы путем печати слоев материала толщиной всего в несколько атомов, но сантиметров в поперечнике. Согласно законам квантовой механики, в которых электроны действуют как волны, а не как частицы, мы обнаружили, что электроны в двумерных материалах движутся по сложным траекториям между множеством чешуек. Создается впечатление, что электроны прыгают от одной чешуйки к другой, как лягушка, прыгающая между перекрывающимися листочками кувшинки на поверхности пруда», — сказал профессор Марк Фромхольд, руководитель Школы физики и астрономии.

С момента его открытия наблюдается экспоненциальный рост числа патентов, связанных с графеном. Однако для того, чтобы полностью использовать его потенциал, необходимо разработать масштабируемые производственные технологии. Это новое исследование показывает, что аддитивное производство — 3D-печать — с использованием чернил, в которых подвешены крошечные чешуйки графена (диаметром в несколько миллиардных долей метра), представляет собой многообещающее решение. Объединив передовые технологии производства для создания устройств, а также сложные способы измерения их свойств и квантово-волновое моделирование, команда точно определила, как графен, напечатанный струйной печатью, может успешно заменить однослойный графен в качестве контактного материала для двумерных металлических полупроводников.

«Хотя 2D-слои и устройства печатались на 3D-принтере и раньше, впервые кто-то определил, как электроны движутся через них, и продемонстрировал потенциальное использование комбинированных напечатанных слоев. Наши результаты могут привести к разнообразным применениям графен-полимерных композитов, напечатанных с помощью струйной печати, и ряда других 2D-материалов. Результаты могут быть использованы для создания функциональных оптоэлектронных устройств нового поколения; например, большие и эффективные солнечные батареи; носимая, гибкая электроника, которая питается от солнечного света или движения пользователя; возможно, даже печатные компьютеры», — сказала доктор Людмила Турянская.

Исследователи использовали широкий спектр методов характеризации, включая микрорамановскую спектроскопию (лазерное сканирование), термогравитационный анализ, новый инструмент 3D orbiSIMS и электрические измерения, чтобы обеспечить детальное структурное и функциональное понимание графеновых полимеров, напечатанных струйной печатью, и влияние термообработка (отжиг) на производительность.

Следующими шагами исследования являются более эффективный контроль отложения чешуек за счет использования полимеров, чтобы влиять на их расположение и выравнивание, а также пробовать разные чернила с различными размерами чешуек. Исследователи также надеются разработать более сложные компьютерные модели материалов и способов их совместной работы, разработав способы массового производства прототипов устройств.