Струйно-печатный графен: Будущее 3D-печатной электроники

Исследователи Ноттингемского университета разгадали загадку о том, как использовать чернила для 3D-печати новых электронных устройств с полезными свойствами, такими как способность конвертировать свет в электричество. Их исследование показывает, что возможно струйно печатать чернила, содержащие крошечные хлопья 2D-материалов, таких как графен, для построения и сшивки вместе разных слоев этих сложных кастомизированных структур.

Используя квантово-механическое моделирование, исследователи также определили, как электроны движутся через слои 2D-материалов, чтобы полностью понять, как устройства могут быть модифицированы в будущем.

Часто описываемый как «супер-материал», графен был впервые создан в 2004 году. Он демонстрирует много уникальных свойств, включая больший прочность, чем сталь, высокую гибкость и лучший проводник электричества, когда-либо созданный. Двумерные материалы, как графен, обычно делаются последовательным эксфолированием единственного слоя атомов углерода — расположенных в плоском листе — которые затем используются для производства индивидуальных структур. Однако производство слоев и их комбинирование для создания сложных, сэндвичеподобных материалов было трудным и обычно требовало кропотливого осаждения слоев один за другим вручную.

«Соединяя вместе фундаментальные концепции квантовой физики с передовой инженерией, мы показали, как сложные устройства для управления электричеством и светом могут быть сделаны печатью слоев материалов, которые всего в несколько атомов толщины, но сантиметров в ширину. Согласно законам квантовой механики, в которых электроны действуют как волны, а не частицы, мы обнаружили, что электроны в 2D-материалах движутся по сложным траекториям между множественными хлопьями. Кажется, будто электроны прыгают от одного хлопья к другому как лягушонок, прыгающий между перекрывающимися листьями кувшинок на поверхности пруда», — сказал профессор Марк Фромхолд, директор Школы физики и астрономии.

С момента своего открытия наблюдался экспоненциальный рост количества патентов, вовлеченных графен. Однако, чтобы полностью использовать его потенциал, нужно развить масштабируемые мануфактурные техники. Это новое исследование показывает, что аддитивное производство — 3D-печать — с использованием чернил, в которых крошечные хлопья графена (в несколько миллиардных долей метра в ширину) подвешены, предоставляет перспективное решение. Комбинируя передовые мануфактурные техники для производства устройств, вместе с изысканными способами измерения их свойств и квантовой волновой моделировкой, команда выяснила точно, как струйно-печатный графен может успешно заменить однслойный графен как контактный материал для 2D-металло-полупроводников.

«Пока 2D-слои и устройства были 3D-печатными раньше, это первый раз, когда кто-то идентифицировал, как электроны движутся через них и продемонстрировал потенциальные использования для комбинированных, напечатанных слоев. Наши результаты могут привести к разнообразным применениям для струйно-печатных графен-полимерных композитов и ряда других 2D-материалов. Находки могут быть использованы для создания нового поколения функциональных оптоэлектронных устройств; например, больших и эффективных солнечных батарей; носимых, гибких электроники, питаемых солнечным светом или движением носителя; возможно, даже напечатанных компьютеров», — сказала д-р Людмила Турянская.

Исследователи использовали широкий диапазон техник характеристики, включая микро-Рамановскую спектроскопию (лазерное сканирование), термогравиметрический анализ, новый 3D orbiSIMS инструмент и электрические измерения, для предоставления детального структурного и функционального понимания струйно-печатных графен-полимеров и эффектов термической обработки (отжига) на производительность.

Следующие шаги для исследования — лучше контролировать осаждение хлопьев, используя полимеры для влияния на то, как они располагаются и выравниваются, и пробовать разные чернила с диапазоном размеров хлопьев. Исследователи также надеются разработать более изощренные компьютерные симуляции материалов и того, как они работают вместе, разрабатывая способы массового производства устройств, которые они прототипируют.