Inkjet-gedrucktes Graphen: Die Zukunft 3D-gedruckter Elektronik

Forscher der University of Nottingham haben das Rätsel gelöst, wie Tinten verwendet werden können, um neuartige elektronische Geräte mit nützlichen Eigenschaften 3D-zudrucken, wie die Fähigkeit, Licht in Strom umzuwandeln. Ihre Studie zeigt, dass es möglich ist, Tinten mit winzigen Flakes 2D-Materialien wie Graphen zu düsen, um die verschiedenen Schichten dieser komplexen, maßgeschneiderten Strukturen aufzubauen und miteinander zu vernetzen.

Mithilfe quantenmechanischer Modellierung haben die Forscher auch identifiziert, wie Elektronen durch die 2D-Materialschichten bewegen, um vollständig zu verstehen, wie Geräte in Zukunft modifiziert werden können.

Oft als „Supermaterial“ beschrieben, wurde Graphen 2004 erstmals hergestellt. Es weist viele einzigartige Eigenschaften auf, darunter stärker als Stahl, hochflexibel und der beste Stromleiter, der je hergestellt wurde. Zweidimensionale Materialien wie Graphen werden normalerweise durch sequentielles Exfolieren einer einzelnen Schicht Kohlenstoffatome – in einem flachen Blatt angeordnet – hergestellt, die dann zur Produktion maßgeschneiderter Strukturen verwendet werden. Die Herstellung von Schichten und ihre Kombination zu komplexen, Sandwich-ähnlichen Materialien war jedoch schwierig und erforderte normalerweise mühsames schichtweises Abscheiden von Hand.

„Indem wir fundamentale Konzepte der Quantenphysik mit State-of-the-Art-Engineering verknüpfen, haben wir gezeigt, wie komplexe Geräte zur Steuerung von Elektrizität und Licht durch Drucken von Materials hergestellt werden können, die nur wenige Atome dick, aber zentimeterbreit sind. Gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik, in denen Elektronen als Wellen statt als Teilchen agieren, fanden wir heraus, dass Elektronen in 2D-Materialien entlang komplexer Trajektorien zwischen mehreren Flakes reisen. Es erscheint so, als hüpften die Elektronen von einem Flake zum anderen wie ein Frosch, der zwischen überlappenden Seerosenblättern auf einem Teich hüpft“, sagte Professor Mark Fromhold, Leiter der School of Physics and Astronomy.

Seit seiner Entdeckung gab es ein exponentielles Wachstum der Anzahl der Patente, die Graphen betreffen. Um sein Potenzial jedoch voll auszuschöpfen, müssen skalierbare Fertigungstechniken entwickelt werden. Diese neue Forschung zeigt, dass additive Fertigung – 3D-Druck – mit Tinten, in denen winzige Graphen-Flakes (ein paar Milliardstel Meter groß) suspendiert sind, eine vielversprechende Lösung bietet. Durch Kombination fortschrittlicher Fertigungstechniken zur Geräteherstellung, anspruchsvoller Methoden zur Messung ihrer Eigenschaften und Quantenwellenmodellierung hat das Team genau herausgearbeitet, wie inkjet-gedrucktes Graphen erfolgreich einlagiges Graphen als Kontaktmaterial für 2D-Metall-Halbleiter ersetzen kann.

„Während 2D-Schichten und Geräte bereits 3D-gedruckt wurden, ist dies das erste Mal, dass jemand identifiziert hat, wie Elektronen durch sie bewegen und potenzielle Anwendungen für die kombinierten, gedruckten Schichten demonstriert hat. Unsere Ergebnisse könnten zu vielfältigen Anwendungen für inkjet-gedruckte Graphen-Polymer-Komposite und eine Reihe anderer 2D-Materialien führen. Die Ergebnisse könnten eingesetzt werden, um eine neue Generation funktionaler optoelektronischer Geräte herzustellen; zum Beispiel große und effiziente Solarzellen; tragbare, flexible Elektronik, die durch Sonnenlicht oder die Bewegung des Trägers angetrieben wird; vielleicht sogar gedruckte Computer“, sagte Dr. Lyudmila Turyanska.

Die Forscher nutzten eine breite Palette von Charakterisierungstechniken einschließlich Mikro-Raman-Spektroskopie (Laserscanning), Thermogravimetrie, einem neuartigen 3D orbiSIMS Instrument und elektrischen Messungen, um detailliertes strukturelles und funktionales Verständnis von inkjet-gedruckten Graphen-Polymeren und den Auswirkungen von Wärmebehandlung (Annealing) auf die Leistung zu liefern.

Die nächsten Schritte für die Forschung sind, die Abscheidung der Flakes besser zu kontrollieren, indem Polymere verwendet werden, um ihre Anordnung und Ausrichtung zu beeinflussen, und verschiedene Tinten mit einer Reihe von Flake-Größen zu testen. Die Forscher hoffen auch, anspruchsvollere Computersimulationen der Materialien und ihrer Zusammenarbeit zu entwickeln, um Wege der Massenfertigung der Geräte zu entwickeln, die sie prototypisieren.