喷墨3D打印石墨烯技术

2020-11-17 16:04:14 19

石墨烯由碳的单原子组成,由于其高强度,轻质,柔韧性和空前的导电性,被认为是具有广泛用途的奇异材料。但是,大规模生产大型石墨烯零件仍然是一个挑战。先前的研究表明,存在用于3D打印石墨烯的各种方法,但是这些技术的尺寸仍然受到限制。此外,这些用于生产大面积石墨烯层的方法和非添加方法都阻碍了该材料的某些期望特性,即导电性。

现在,诺丁汉大学的研究人员已经开发出一种使用喷墨技术进行3D打印石墨烯的技术,该技术可以保持材料的电性能,从而为晶体管和传感器等一系列电子组件打开了可能性。这项名为“喷墨印刷的石墨烯器件中电子和空穴的薄片间量子传输”的研究发表在《高级功能材料》杂志上 。

一种3D打印的光电晶体管,该晶体管由“剥落的InSe薄片与300 nm SiO2 / Si基板上的六个喷墨打印的石墨烯条(每个电极包含5个印刷层,7条线)接触而成,这些条纹用作电极。”

作为二维材料,石墨烯通常是通过将扁平形式的角豆角原子的各个层剥落而制成的。然后,要加工这种材料的多层物体,则需要手工沉积这些板材,这显然是费力的过程。为了通过可扩展的过程充分利用这种奇异材料的特性,诺丁汉大学团队开发了一种喷墨方法,可以使装有石墨烯薄片的油墨喷墨。此外,通过使用量子力学建模,研究人员能够准确地了解电子如何移动穿过石墨烯层,从而控制印刷材料的电性能。

物理学与天文学学院院长,论文的合著者马克·弗罗霍尔德教授这样说:

“通过将量子物理学中的基本概念与最新技术联系在一起,我们已经展示了如何通过印刷厚度仅为几原子但几厘米宽的材料层来制造用于控制电和光的复杂设备。根据量子力学定律,其中电子充当波而不是粒子,我们发现2D材料中的电子沿着多个薄片之间的复杂轨迹行进。电子似乎从一个薄片跳到另一个薄片,就像青蛙在池塘表面重叠的睡莲之间跳来跳去。”

为了打印该材料,将由石墨烯薄片和乙基纤维素组成的石墨烯油墨分散到环己酮/萜品醇的混合物中,并使用按需滴印法将其印刷到基材上。然后将各层在真空烘箱中于250°C退火,以除去溶剂并使油墨中的添加剂分解。研究小组发现,层数越大,电阻越低。为了演示这种材料的可能性,团队3D将由石墨烯电极组成的光电晶体管印刷在半导体晶体上。

两个触点之间填充石墨烯薄片的模拟。

这项研究的关键是了解电子的运动,以便最好地生产石墨烯零件。为此,该团队对印刷部件内的薄片网络的导电特性进行了建模,在将虚拟电压施加到模拟设备时,模拟了石墨烯薄片之间的电荷转移。作者指出:“我们的模型揭示了载流子在印刷石墨烯层中的传输机理,并表明,要获得高电导率器件,需要具有高[填充率]的印刷层的优化厚度。”

为了了解印刷的石墨烯在由多种材料制成的设备中的工作原理,研究人员通过3D印刷了场效应晶体管。由于层间油墨的混合,电阻实际上比五个石墨烯印刷层的电阻高。

3D打印石墨烯场效应晶体管的光学显微镜图像;“比例尺为500 µm,银电极之间的间距为100 µm。”

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移动,并证明了合并的打印层的潜在用途。我们的结果可能会导致喷墨打印的石墨烯-聚合物复合材料以及其他一系列2D材料的各种应用。该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;由阳光或穿戴者运动提供动力的可穿戴柔性电子设备;甚至印刷计算机。”

接下来,该团队计划通过使用聚合物来改善石墨烯的沉积,以影响薄片排列的方式。他们还希望使用尺寸不同的石墨烯薄片的不同类型的油墨。研究人员还将改进他们的计算机模拟,以包括不同材料如何协同工作。最后,他们旨在开发用于量产原型设备的方法。

 


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