CFAM研究人员研究了用于新一代光电器件的喷墨印刷石墨烯

诺丁汉大学增材制造中心的研究人员在用石墨烯进行3D打印电子设备的研究方面取得了突破。

科学家利用基于喷墨的3D打印技术在多层中沉积包含微小石墨烯薄片的油墨，这是朝着取代单层石墨烯作为2D金属半导体接触材料的有希望的一步。

“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，诺丁汉大学物理与天文学学院院长，该论文的合著者马克·弗罗姆霍德（Mark Fromhold）解释说。

研究人员的蒙特卡洛模拟中使用的石墨烯薄片的代表性排列。

石墨烯和3D打印

石墨烯通常被誉为“超级材料”，是一种碳的同素异形体，具有比钢高的机械强度，高的电导率和导热率，并且具有极 轻的性能。因此，在3D领域内，人们对利用石墨烯及其特性产生了浓厚的兴趣和活动。但是，许多石墨烯的潜力来自于以单层形式部署材料，而利用石墨烯进行3D打印的可伸缩性以及实际上的可行性仍然提出了巨大的挑战。

弗吉尼亚理工大学和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员在开发一种高分辨率的3D打印材料的方法之后，就进一步利用了石墨烯的真实潜力，该方法依靠石墨烯在凝胶中的分散来制造树脂。LLNL还与加利福尼亚大学圣克鲁斯分校的研究人员合作，开发了一种用于超级电容器中基于石墨烯的气凝胶电极的3D打印技术。

在其他地方，石墨烯已用于制造3D打印的自感应装甲以及 现代化的运输网络。最近，东京科学大学的一项新研究揭示了水分子与石墨烯表面接触时的行为，揭示了关于水与3D打印材料之间相互作用的许多知识。

Virginia Tech / LLNL研究中制造的格子“桁架”和回旋3D打印石墨烯。

喷墨印刷石墨烯

自发现以来，涉及石墨烯的专利激增，然而，为了充分利用材料的潜力，需要开发可扩展的制造技术。这是CfAM研究人员试图通过研究克服的挑战之一，因为他们研究了喷墨印刷的石墨烯如何成为2D金属半导体中单层石墨烯的潜在替代品。

为此，科学家利用了几种先进的制造技术，包括喷墨3D打印，显微拉曼光谱，热引力分析和电学测量。这些技术相结合，为研究人员提供了喷墨打印的石墨烯聚合物的基本结构和功能理解，以及热处理对其性能的影响。

在研究过程中，研究人员将包含微小石墨烯薄片的3D印刷油墨分成多层，以促进“薄片间量子隧穿”，在此过程中，印刷层的电性能受到石墨烯薄片的堆积分数的强烈影响，并且通过弯曲遍历各层的电子轨迹。

“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片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百合垫之间跳跃一样。” Fromhold解释说。

通过控制这些轨迹，科学家们能够生产出完全由喷墨印刷的场效应晶体管（FET），该场效应晶体管由石墨烯层和六方氮化硼（hBN）的顶栅组成。他们声称，这是喷墨印刷石墨烯首次成功取代单层石墨烯作为2D金属硫属元素化物（化学元素，也称为“氧族”）的接触材料。因此，这一发展引发了对用于光子探测器，传感器和电容器（可拉伸和可穿戴电子设备）的3D打印2D电子设备的新一波研究。

CfAM的Lyudmila Turyanska表示：“虽然2D层和设备以前是3D打印的，但这是第一次有人发现电子如何通过它们移动并展示出合并打印层的潜在用途。” “我们的结果可能会导致喷墨打印的石墨烯-聚合物复合材料和一系列其他2D材料的各种应用。”

据图良斯卡（Turyanska）称，除可穿戴电子设备外，这些发现还有助于生产新一代功能性光电设备，例如大型高效的太阳能电池和印刷计算机。

完全喷墨印刷的石墨烯/ hBN的表征。

展望未来

研究人员将探索如何通过使用聚合物更好地控制油墨中石墨烯薄片的沉积，并将测试多种不同薄片尺寸的油墨。在下一阶段，科学家将尝试开发更复杂的材料及其相互作用方式的计算机模拟，最终目的是揭示大规模制造原型设备的方式。