Eksperter i 3D-print opdager, hvordan man laver fremtidens teknologi ved hjælp af inkjet-printet grafen

University of Nottingham har knækket gåden om, hvordan man bruger blæk til at 3-D-printe nye elektroniske enheder med nyttige egenskaber, såsom en evne til at omdanne lys til elektricitet.

Undersøgelsen viser, at det er muligt at sprøjte blæk, indeholdende små flager af 2-D-materialer såsom grafen, at opbygge og samle de forskellige lag af disse komplekser, tilpassede strukturer.

Ved hjælp af kvantemekanisk modellering, forskerne pegede også på, hvordan elektroner bevæger sig gennem de 2-D materialelag, for fuldstændigt at forstå, hvordan de banebrydende enheder kan modificeres i fremtiden.

Paper medforfatter, Professor Mark Fromhold, Leder af skolen for fysik og astronomi sagde, "Ved at forbinde grundlæggende begreber inden for kvantefysik med state-of-the-art-teknik, vi har vist, hvordan komplekse enheder til styring af elektricitet og lys kan laves ved at udskrive lag af materiale, der kun er nogle få atomer tykke, men centimeter på tværs.

"Ifølge kvantemekanikkens love, hvor elektronerne fungerer som bølger i stedet for partikler, vi fandt, at elektroner i 2-D materialer bevæger sig langs komplekse baner mellem flere flager. Det ser ud som om elektronerne hopper fra en flage til en anden som en frø, der hopper mellem overlappende liljepuder på overfladen af ​​en dam."

Studiet, 'Inter-flake kvantetransport af elektroner og huller i inkjet-printede grafenenheder', er udgivet i det peer-reviewede tidsskrift Avancerede funktionelle materialer .

Ofte beskrevet som et 'supermateriale', grafen blev først skabt i 2004. Det udviser mange unikke egenskaber, herunder at være stærkere end stål, meget fleksibel og den bedste leder af elektricitet, der nogensinde er lavet.

Todimensionelle materialer som grafen fremstilles normalt ved sekventielt at eksfoliere et enkelt lag af kulstofatomer - arrangeret i et fladt ark - som derefter bruges til at fremstille skræddersyede strukturer.

Imidlertid, producere lag og kombinere dem for at gøre komplekse, sandwich-lignende materialer har været vanskelige og normalt krævet omhyggelig afsætning af lagene et ad gangen og i hånden.

Siden dens opdagelse, der har været en eksponentiel vækst i antallet af patenter, der involverer grafen. Imidlertid, for fuldt ud at udnytte dets potentiale, skalerbare fremstillingsteknikker skal udvikles.

Det nye papir viser, at additiv fremstilling - mere almindeligt kendt som 3-D-udskrivning - ved hjælp af blæk, hvori små flager af grafen (et par milliardtedele af en meter i diameter) er suspenderet, giver en lovende løsning.

Ved at kombinere avancerede fremstillingsteknikker til at lave enheder sammen med sofistikerede måder at måle deres egenskaber på og kvantebølgemodellering fandt teamet ud af præcis, hvordan inkjet-printet grafen med succes kan erstatte enkeltlagsgrafen som et kontaktmateriale til 2-D metalhalvledere.

Medforfatter, Dr. Lyudmila Turyanska fra Center for Additiv Manufacturing, sagde, "Mens 2-D-lag og -enheder er blevet 3-D-printet før, dette er første gang nogen har identificeret, hvordan elektroner bevæger sig gennem dem og demonstreret potentielle anvendelser for de kombinerede, trykte lag. Vores resultater kan føre til forskellige anvendelser for inkjet-printede grafen-polymer-kompositter og en række andre 2-D-materialer. Resultaterne kunne bruges til at lave en ny generation af funktionelle optoelektroniske enheder; for eksempel, store og effektive solceller; bærbar, fleksibel elektronik, der drives af sollys eller bærerens bevægelse; måske endda printede computere."

Undersøgelsen blev udført af ingeniører ved Center for Additive Manufacturing og fysikere ved School of Physics and Astronomy med en fælles interesse for kvanteteknologier, under det EPSRC-finansierede programtilskud på £5,85 mio. Aktivering af næste generation af additiv fremstilling.

Forskerne brugte en lang række karakteriseringsteknikker - inklusive mikro-Raman-spektroskopi (laserscanning), termisk tyngdekraftsanalyse, et nyt 3-D orbiSIMS-instrument og elektriske målinger - for at give detaljeret strukturel og funktionel forståelse af inkjet-printede grafenpolymerer, og virkningerne af varmebehandling (udglødning) på ydeevnen.

De næste trin for forskningen er at kontrollere aflejringen af ​​flagerne bedre ved at bruge polymerer til at påvirke måden, de arrangerer og justerer på, og prøve forskellige blæk med en række flagestørrelser. Forskerne håber også at udvikle mere sofistikerede computersimuleringer af materialerne og den måde, de arbejder sammen på, udvikle måder at massefremstille de enheder, de prototyper.