3D-printexperts ontdekken hoe ze de technologie van morgen kunnen maken met inkjetprinted grafeen

De Universiteit van Nottingham heeft het raadsel doorbroken 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.

De studie toont aan dat het mogelijk is om inkten, die minuscule vlokjes van 2-D materialen zoals grafeen bevatten, te jeten om de verschillende lagen van deze complexe, op maat gemaakte 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 de baanbrekende apparaten in de toekomst kunnen worden aangepast.

Medeauteur van het papier, professor Mark Fromhold, hoofd van de School of Physics and Astronomy zei: ‘Door fundamentele concepten in de kwantumfysica te koppelen aan de modernste techniek, hebben we laten zien hoe complexe apparaten voor het regelen van elektriciteit en licht kunnen worden gemaakt door lagen materiaal te printen die slechts een paar atomen dik zijn maar centimeters breed.

“Volgens de wetten van de kwantummechanica, waarin de elektronen werken als golven in plaats van als 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 als een kikker huppelt tussen overlappende waterlelies op het oppervlak van een vijver. “

De studie, ‘Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices’, is gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Geavanceerde functionele materialen.

Grafeen, vaak omschreven als een ‘supermateriaal’, werd voor het eerst gemaakt in 2004. Het vertoont veel unieke eigenschappen, waaronder sterker zijn dan staal, zeer flexibel en de beste geleider van elektriciteit ooit gemaakt.

Tweedimensionale materialen zoals grafeen worden meestal gemaakt door achtereenvolgens een enkele laag koolstofatomen te scrubben – gerangschikt in een vlakke plaat – die vervolgens worden gebruikt om op maat gemaakte structuren te produceren.

Het produceren van lagen en het combineren daarvan tot complexe, sandwichachtige materialen was echter moeilijk en vereiste gewoonlijk een nauwgezette afzetting van de lagen een voor een en met de hand.

Sinds de ontdekking ervan is het aantal patenten met grafeen exponentieel gestegen. Om het potentieel echter volledig te benutten, moeten schaalbare fabricagetechnieken worden ontwikkeld.

Het nieuwe artikel laat zien dat additive manufacturing – beter bekend als 3D-printen – met behulp van inkt, waarin minuscule vlokjes grafeen (een paar miljardsten van een meter doorsnede) zijn opgehangen, een veelbelovende oplossing biedt.

Door geavanceerde fabricagetechnieken te combineren om apparaten te maken, samen met geavanceerde manieren om hun eigenschappen te meten en kwantumgolfmodellering, heeft het team precies uitgewerkt hoe met inkjet geprint grafeen met succes enkellaags grafeen kan vervangen als contactmateriaal voor 2D-metaalhalfgeleiders.

Co-auteur, Dr. Lyudmila Turyanska van het Center for Additive Manufacturing, zei: “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 hebben aangetoond. voor de gecombineerde, bedrukte lagen. Onze resultaten kunnen leiden tot diverse toepassingen voor met inkjet bedrukte grafeen-polymeercomposieten en een reeks andere 2-D-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. “

De studie werd uitgevoerd door ingenieurs van het Center for Additive Manufacturing en natuurkundigen van de School of Physics and Astronomy met een gemeenschappelijke interesse in kwantumtechnologieën, in het kader van de door EPSRC gefinancierde programmasubsidie ​​van £ 5,85 miljoen, mogelijk maken van Next Generation Additive Manufacturing.

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 inzicht te krijgen in met inkjet bedrukte grafeenpolymeren, en de effecten van warmtebehandeling (gloeien) op de 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 door verschillende inkten met verschillende vlokgroottes te proberen. De onderzoekers hopen ook meer geavanceerde computersimulaties te ontwikkelen van de materialen en de manier waarop ze samenwerken, en manieren te ontwikkelen voor massaproductie van de apparaten waarvan ze een prototype maken.