由碳的單原子組成的石墨烯由于其高強度，輕質(zhì)，柔韌性和空前的導電性而被認為是具有廣泛應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料。但是，大規(guī)模生產(chǎn)大型石墨烯零件仍然是一個挑戰(zhàn)。先前的研究表明，存在用于3D打印石墨烯的各種方法，但是這些技術(shù)的尺寸仍然受到限制。此外，這些用于生產(chǎn)大面積石墨烯層的方法和非添加方法都阻礙了該材料的某些期望特性，即導電性。

現(xiàn)在，諾丁漢大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種使用噴墨技術(shù)進行3D打印石墨烯的技術(shù)，該技術(shù)可以保持材料的電學性能，從而為諸如晶體管和傳感器之類的一系列電子組件提供了可能性。這項名為“噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸”的研究發(fā)表在《高級功能材料》雜志上。

一種3D打印的光電晶體管，該晶體管由“剝落的InSe薄片與300 nm SiO2 / Si基板上的六個噴墨打印的石墨烯條（每個電極包含5個印刷層，7條線）接觸而成，這些條用作電極?！?/span>

作為二維材料，石墨烯通常是通過剝落平板形式的角豆角原子的各個層而制成的。然后，要加工這種材料的多層物體，需要手工沉積這些板材，這顯然是費力的過程。為了通過可擴展的過程充分利用這種奇異材料的特性，諾丁漢大學團隊開發(fā)了一種噴墨方法，可以使裝有石墨烯薄片的油墨噴墨。此外，通過使用量子力學建模，研究人員能夠準確地了解電子如何移動穿過石墨烯層，從而控制印刷材料的電性能。

物理學與天文學學院院長，論文的合著者馬克·弗羅姆（Mark Fromhold）教授這樣說：“通過將量子物理學中的基本概念與最新技術(shù)聯(lián)系在一起，我們已經(jīng)展示了如何通過印刷厚度僅為幾個原子但幾厘米寬的材料層來制造用于控制電和光的復雜設(shè)備。根據(jù)量子力學定律，其中電子充當波而不是粒子，我們發(fā)現(xiàn)二維材料中的電子沿著多個薄片之間的復雜軌跡行進。電子似乎從一個薄片跳到另一個薄片，就像青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來跳去?！?/span>

為了打印該材料，將由石墨烯薄片和乙基纖維素組成的石墨烯油墨分散到環(huán)己酮/萜品醇的混合物中，并使用按需滴印法將其印刷到基材上。然后將各層在真空烘箱中于250°C退火，以除去溶劑并使油墨中的添加劑分解。研究小組發(fā)現(xiàn)，層數(shù)越大，電阻越低。為了演示這種材料的可能性，團隊3D將由石墨烯電極組成的光電晶體管印刷在半導體晶體上。

兩個觸點之間填充石墨烯薄片的模擬。

這項研究的關(guān)鍵是了解電子的運動，以便最好地生產(chǎn)石墨烯零件。為此，該團隊對印刷部件內(nèi)的薄片網(wǎng)絡(luò)的導電特性進行了建模，在將虛擬電壓施加到模擬設(shè)備時，模擬了石墨烯薄片之間的電荷轉(zhuǎn)移。作者指出：“我們的模型揭示了載流子在印刷石墨烯層中的傳輸機理，并表明，要獲得高電導率器件，需要具有高[填充率]的印刷層的優(yōu)化厚度?！?/span>

為了了解印刷的石墨烯在由多種材料制成的設(shè)備中的工作原理，研究人員通過3D印刷了場效應(yīng)晶體管。由于層間油墨的混合，電阻實際上比五個石墨烯印刷層的電阻高。

3D打印石墨烯場效應(yīng)晶體管的光學顯微鏡圖像； “比例尺為500 μm，銀電極之間的間距為100 μm?！?/span>

點評：雖然2D層和設(shè)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移動，并證明了合并的打印層的潛在用途。這項研究結(jié)果可能會導致噴墨打印的石墨烯-聚合物復合材料以及其他一系列2D材料的各種應(yīng)用。該發(fā)現(xiàn)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； 由陽光或穿戴者運動提供動力的可穿戴柔性電子設(shè)備； 甚至印刷計算機?！?/span>

接下來，該團隊計劃通過使用聚合物來改善石墨烯的沉積，以影響薄片排列的方式。 他們還希望使用尺寸不同的石墨烯薄片的不同類型的油墨。 研究人員還將改進他們的計算機模擬，以包括不同材料如何協(xié)同工作。 最終，他們旨在開發(fā)用于量產(chǎn)原型設(shè)備的方法。

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