3D打印專家發現如何使用噴墨打印的石墨烯制造明天的技術

諾丁漢大學解決了如何使用墨水對3D打印具有有用特性(例如將光轉換為電能的特性)的新型電子設備的難題。

研究表明，可以噴射包含二維薄片材料(例如石墨烯)的細小油墨，以將這些復雜的定制結構的不同層堆積并嚙合在一起。

使用量子力學建模，研究人員還指出了電子如何在二維材料層中運動，以完全了解將來如何修改突破性的器件。

論文的共同作者，物理與天文學學院院長Mark Fromhold教授說：“通過將量子物理學中的基本概念與最新技術相結合，我們已經展示了控制電和光的復雜設備如何能夠通過印刷幾層厚但幾厘米寬的材料制成。

“根據量子力學定律，在電子定律中，電子起著波的作用而不是粒子的作用，我們發現二維材料中的電子沿著多個薄片之間的復雜軌跡行進。電子似乎像從一個薄片跳到另一個薄片一樣。青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來跳去。”

這項研究《噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸》已經發表在同行評審的《高級功能材料》雜志上。

石墨烯通常被稱為“超級材料”，于2004年首次制造。它具有許多獨特的性能，包括比鋼更堅固，具有更高的柔韌性以及有史以來最好的電導體。

像石墨烯這樣的二維材料通常是通過依次剝落單層碳原子(排列在平板中)制成的，然后將其用于定制結構。

然而，生產層并將其組合以制造復雜的，類似三明治的材料是困難的，并且通常需要一次且一次地手工沉積層。

自發現以來，涉及石墨烯的專利數量呈指數增長。但是，為了充分利用其潛力，需要開發可擴展的制造技術。

這份新論文表明，使用油墨進行增材制造(通常稱為3D打印)是一種有希望的解決方案，油墨中懸浮著微小的石墨烯薄片(數十億分之一米)。

結合先進的制造技術與測量它們的性能和量子波建模復雜的方式沿使設備球隊摸索出究竟是如何噴墨印刷的石墨烯可以成功地代替單個層石墨烯作為用于2-d金屬半導體的接觸材料。

增材制造中心的合著者Lyudmila Turyanska博士說：“雖然2D層和設備以前是3D打印的，但這是任何人第一次確定電子如何通過它們并證明其潛在用途。我們的結果可能會導致噴墨打印的石墨烯-聚合物復合材料和一系列其他二維材料的廣泛應用，這些發現可用于制造新一代功能性光電器件;例如，大型高效的太陽能電池;可穿戴的，靈活的電子設備，這些設備由陽光或穿戴者的運動提供動力;甚至可能是印刷計算機。”

這項研究是由EPSRC資助的585萬英鎊的計劃“下一代增材制造”下的增材制造中心的工程師和物理與天文學學院的物理學家共同對量子技術感興趣的。

研究人員使用了廣泛的表征技術，包括微拉曼光譜(激光掃描)，熱重分析，新型3-D orbiSIMS儀器和電學測量，以提供對噴墨打印的石墨烯聚合物的詳細結構和功能的理解，以及熱處理(退火)對性能的影響。

研究的下一步是通過使用聚合物來影響薄片的沉積和排列方式，并嘗試使用各種薄片尺寸的不同油墨來更好地控制薄片的沉積。研究人員還希望對材料及其協同工作的方式進行更復雜的計算機模擬，從而開發出對其原型設備進行大規模制造的方式。