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

诺丁汉大学破解了如何使用墨水来 3D 打印具有有用特性的新型电子设备的难题，例如将光转化为电能的能力。该研究表明，可以喷射墨水，其中包含石墨烯等二维材料的微小薄片，以构建这些复杂的定制结构的不同层并将其网格在一起。

使用量子力学模型，研究人员还确定了电子如何穿过二维材料层，以完全了解未来如何修改突破性设备。

论文合著者、物理与天文学院院长 Mark Fromhold 教授说：“通过将量子物理学的基本概念与最先进的工程联系起来，我们已经展示了控制电和光的复杂设备如何能够通过打印只有几个原子厚但直径为厘米的材料层来制成。

“根据量子力学定律，其中电子表现为波而不是粒子，我们发现二维材料中的电子在多个薄片之间沿着复杂的轨迹运动。看起来好像电子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跃。”

这项名为“喷墨打印石墨烯器件中电子和空穴的片间量子传输”的研究已发表在同行评审期刊“高级功能材料”上。

石墨烯通常被描述为“超级材料”，于 2004 年首次被创造出来。它具有许多独特的特性，包括比钢更坚固、高度灵活和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顺序剥离单层碳原子(排列在平板中)制成的，然后用于生产定制结构。

包含喷墨印刷石墨烯通道的场效应晶体管的光学显微镜图像。图片来源：诺丁汉大学

然而，生产层并将它们组合成复杂的三明治状材料一直很困难，通常需要手工一次一层地进行艰苦的沉积。

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

这篇新论文表明，增材制造——通常称为 3D 打印——使用墨水，其中悬浮着微小的石墨烯薄片(十亿分之一米)，提供了一个有前途的解决方案。

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。

共同作者、增材制造中心的 Lyudmila Turyanska 博士说：“虽然 2-D 层和设备以前已经被 3-D 打印过，但这是第一次有人确定电子如何穿过它们并展示了潜在的用途用于组合印刷层。我们的研究结果可能导致喷墨印刷石墨烯-聚合物复合材料和一系列其他二维材料的多种应用。这些发现可用于制造新一代功能光电器件;例如，大而高效的太阳能电池;由阳光或佩戴者的运动驱动的可穿戴、灵活的电子设备;甚至可能是印刷计算机。”

该研究由增材制造中心的工程师和物理与天文学院的物理学家在 EPSRC 资助的 585 万英镑的“启用下一代增材制造”计划资助下进行，他们对量子技术有共同兴趣。

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)、热重力分析、新型 3-D orbiSIMS 仪器和电测量——来提供对喷墨印刷石墨烯聚合物的详细结构和功能理解，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它们排列和对齐的方式，并尝试使用各种薄片尺寸的不同墨水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，开发大规模制造他们原型设备的方法。

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