3D打印专家发现如何使用喷墨打印的石墨烯制造明天的技术

诺丁汉大学解决了如何使用墨水对3D打印具有有用特性(例如将光转换为电能的特性)的新型电子设备的难题。

研究表明，可以喷射包含二维薄片材料(例如石墨烯)的细小油墨，以将这些复杂的定制结构的不同层堆积并啮合在一起。

使用量子力学建模，研究人员还指出了电子如何在二维材料层中运动，以完全了解将来如何修改突破性的器件。

论文的共同作者，物理与天文学学院院长Mark Fromhold教授说：“通过将量子物理学中的基本概念与最新技术相结合，我们已经展示了控制电和光的复杂设备如何能够通过印刷几层厚但几厘米宽的材料制成。

“根据量子力学定律，在电子定律中，电子起着波的作用而不是粒子的作用，我们发现二维材料中的电子沿着多个薄片之间的复杂轨迹行进。电子似乎像从一个薄片跳到另一个薄片一样。青蛙在池塘表面重叠的睡莲之间跳来跳去。”

这项研究《喷墨印刷石墨烯器件中电子和空穴的薄片间量子传输》已经发表在同行评审的《高级功能材料》杂志上。

石墨烯通常被称为“超级材料”，于2004年首次制造。它具有许多独特的性能，包括比钢更坚固，具有更高的柔韧性以及有史以来最好的电导体。

像石墨烯这样的二维材料通常是通过依次剥落单层碳原子(排列在平板中)制成的，然后将其用于定制结构。

然而，生产层并将其组合以制造复杂的，类似三明治的材料是困难的，并且通常需要一次且一次地手工沉积层。

自发现以来，涉及石墨烯的专利数量呈指数增长。但是，为了充分利用其潜力，需要开发可扩展的制造技术。

这份新论文表明，使用油墨进行增材制造(通常称为3D打印)是一种有希望的解决方案，油墨中悬浮着微小的石墨烯薄片(数十亿分之一米)。

结合先进的制造技术与测量它们的性能和量子波建模复杂的方式沿使设备球队摸索出究竟是如何喷墨印刷的石墨烯可以成功地代替单个层石墨烯作为用于2-d金属半导体的接触材料。

增材制造中心的合著者Lyudmila Turyanska博士说：“虽然2D层和设备以前是3D打印的，但这是任何人第一次确定电子如何通过它们并证明其潜在用途。我们的结果可能会导致喷墨打印的石墨烯-聚合物复合材料和一系列其他二维材料的广泛应用，这些发现可用于制造新一代功能性光电器件;例如，大型高效的太阳能电池;可穿戴的，灵活的电子设备，这些设备由阳光或穿戴者的运动提供动力;甚至可能是印刷计算机。”

这项研究是由EPSRC资助的585万英镑的计划“下一代增材制造”下的增材制造中心的工程师和物理与天文学学院的物理学家共同对量子技术感兴趣的。

研究人员使用了广泛的表征技术，包括微拉曼光谱(激光扫描)，热重分析，新型3-D orbiSIMS仪器和电学测量，以提供对喷墨打印的石墨烯聚合物的详细结构和功能的理解，以及热处理(退火)对性能的影响。

研究的下一步是通过使用聚合物来影响薄片的沉积和排列方式，并尝试使用各种薄片尺寸的不同油墨来更好地控制薄片的沉积。研究人员还希望对材料及其协同工作的方式进行更复杂的计算机模拟，从而开发出对其原型设备进行大规模制造的方式。