Inkjet-trykte grafenelektroder kan føre til billige, stort område, eventuelt sammenfoldelige enheder

(Phys.org) - Ved hjælp af et blæk, der indeholder små grafenflager, forskere har inkjet-printede grafenmønstre, der kan bruges til at udskrive fint detaljerede, stærkt ledende elektroder. Selvom inkjet-printet grafen tidligere er blevet demonstreret, grafenmønstrene, der er trykt i den nye undersøgelse, er omkring 250 gange mere ledende end tidligere mønstre. Det trykte grafenblæk er også meget tolerant over for bøjningsspændinger, med evnen til at modstå foldning med kun et lille fald i ledningsevnen.

Forskerne, Ethan B. Secor, et al., ved Northwestern University i Evanston, Illinois, har offentliggjort deres undersøgelse om inkjet-printning af grafenmønstre i et nyligt nummer af The Journal of Physical Chemistry Letters .

Som forskerne forklarer, inkjetprint er en attraktiv metode til udskrivning af elektroniske komponenter, fordi det er billigt, kan udskrive store områder, og kan printe på fleksible underlag. Forskere har tidligere brugt inkjet print til at fremstille en række komponenter såsom transistorer, solceller, LED'er, og sensorer. Imidlertid, udskrivning af stærkt ledende elektroder er stadig en udfordring på grund af kravet om meget fin opløsning. For nylig, forskere har vendt sig til grafen på grund af dets høje ledningsevne, kemisk stabilitet, og iboende fleksibilitet sammenlignet med andre blæk, i håb om, at grafen-baseret blæk kunne bruges til at printe elektroder.

Et af de vigtigste trin i udskrivning med grafenblæk er at få en stor mængde grafen. Der er flere metoder til masseproduktion af grafen, men den, der har fordele ved inkjet-udskrivning, er eksfoliering – eller opdeling – af andre materialer såsom grafit eller reduceret grafenoxid (RGO) for at producere grafenflager. Tidligere undersøgelser har vist inkjet-print af eksfolierede RGO-flager til elektroder, sensorer, og andre applikationer. Imidlertid, de elektriske egenskaber ved RGO -flager, som indeholder kulstof, ilt, og brintatomer, er ringere end egenskaberne af uberørte grafenflager, som kun indeholder kulstofatomer.

De metoder, der i øjeblikket bruges til at fremstille uberørt grafen gennem eksfoliering, har mødt nogle få udfordringer. Processen kræver typisk opløsningsmidler og overfladeaktive stoffer, der efterlader rester på grafen, hvilket reducerer dens ledningsevne. Et andet problem er, at mens små grafenflager er nødvendige for stabil udskrivning, de øger antallet af flake-to-flake junctions, hvilket også nedsætter ledningsevnen.

I den nye undersøgelse, forskerne udviklede en ny tilgang, der overvinder disse problemer. Den nye stuetemperaturproces anvender ethanol som opløsningsmiddel og ethylcellulose som en stabiliserende polymer, ingen af ​​dem efterlader en rest. Denne metode giver høje udbytter af et sort pulver med et grafenindhold på 15 %, hvilket er højere end de fleste tidligere metoder. Graphenflagerne i pulveret har tykkelser på ca. 2 nm og områder på ca. 50 x 50 nm ² . Selvom en så lille flagestørrelse resulterer i adskillige flage-til-flage-kryds, den ethylcellulose-stabiliserende polymer reducerer modstanden mellem flager bedre end andre overfladeaktive stoffer.

Forskerne spredte derefter det sorte pulver i et opløsningsmiddel for at skabe en flydende blæk, der kan bruges til udskrivning. De demonstrerede inkjet-print med grafen-baseret blæk og fandt ud af, at blækkets fremragende morfologi og ledningsevne muliggjorde udskrivning af præcise mønstre, der var egnede til print af elektroder. Forskerne kunne også udskrive flere lag blæk og samtidig bevare ensartede mønstre, med hvert lag, der tilføjer ca. 14 nm til tykkelsen.

Forskerne vurderede det trykte blæks mekaniske egenskaber ved at printe linjer på fleksible polyimidsubstrater. De fandt ud af, at blækkets ledningsevne forblev praktisk talt uændret selv ved høje bøjningsradiuser på mindre end 1 mm, selvom underlaget begyndte at revne. Selv når forskerne foldede et substrat med trykte træk, blækket viste kun et fald på 5 % i ledningsevne, der sandsynligvis kan tilskrives substrat revner snarere end beskadigelse af selve blækket. De mekaniske test tyder på, at grafenblæk kan bruges til at skabe foldbare elektroniske enheder i fremtiden.

"I bund og grund krævede alle elektroniske enheder og kredsløb høj ledningsevne og høj opløsning elektriske kontakter og sammenkoblinger, "medforfatter Mark Hersam, professor i Materials Science and Engineering ved Northwestern University, fortalte Phys.org . "Derfor, vores grafenblæk har potentiale til at påvirke en lang række applikationer, især trykt elektronik, fleksibel elektronik, og foldbar elektronik. Eksempler på downstream-applikationer til disse typer elektroniske enheder omfatter smartphones, tabletter, fladskærme, og solcelleanlæg."

I fremtiden, forskerne planlægger at arbejde på at anvende det nye grafenblæk til denne slags applikationer.

"Så langt, vi har opnået grafen blækudvikling og karakterisering, " sagde Hersam. "På den anden side, vores fremtidige forskning vil fokusere på at integrere vores trykte grafenblæk i fuldt fremstillede elektroniske enheder og kredsløb, herunder de downstream-applikationer, der er anført ovenfor. På denne måde, vi kan fuldt ud udnytte vores grundlæggende forskningsfremskridt til teknologi i den virkelige verden."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra Phys.org.