Wie man die Elektronik von morgen mit Tintenstrahl-gedrucktem Graphen herstellt

Forscher der University of Nottingham haben das Rätsel gelöst, wie Tinten zum 3D-Druck neuartiger elektronischer Geräte mit nützlichen Eigenschaften wie der Fähigkeit, Licht in Strom umzuwandeln, verwendet werden können. Ihre Studie zeigt, dass es möglich ist, Tinten zu spritzen, die winzige Flocken aus 2D-Materialien wie Graphen enthalten, um die verschiedenen Schichten dieser komplexen maßgeschneiderten Strukturen aufzubauen und miteinander zu vernetzen.

Mittels quantenmechanischer Modellierung stellten die Forscher auch fest, wie sich Elektronen durch die 2D-Materialschichten bewegen, um vollständig zu verstehen, wie Geräte in Zukunft modifiziert werden können.

Graphen, das oft als „Supermaterial“ bezeichnet wird, wurde erstmals im Jahr 2004 hergestellt. Es weist viele einzigartige Eigenschaften auf, darunter ist es stärker als Stahl, hochflexibel und der beste Stromleiter, der jemals hergestellt wurde. Zweidimensionale Materialien wie Graphen werden normalerweise hergestellt, indem eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen – angeordnet in einer flachen Schicht – nacheinander abgeblättert wird, die dann zur Herstellung maßgeschneiderter Strukturen verwendet werden. Die Herstellung von Schichten und deren Kombination zur Herstellung komplexer, sandwichartiger Materialien war jedoch schwierig und erforderte normalerweise das mühsame Aufbringen der Schichten einzeln von Hand.

„Durch die Verknüpfung grundlegender Konzepte der Quantenphysik mit modernster Technik haben wir gezeigt, wie komplexe Geräte zur Steuerung von Elektrizität und Licht hergestellt werden können, indem Materialschichten gedruckt werden, die nur wenige Atome dick, aber Zentimeter breit sind. Gemäß den Gesetzen der Quantenmechanik, in der die Elektronen eher als Wellen als als Teilchen agieren, fanden wir heraus, dass sich Elektronen in 2D-Materialien auf komplexen Bahnen zwischen mehreren Flocken bewegen. Es sieht so aus, als ob die Elektronen von einer Flocke zur anderen hüpfen wie ein Frosch, der zwischen überlappenden Seerosenblättern auf der Oberfläche eines Teichs hüpft“, sagte Professor Mark Fromhold, Leiter der Fakultät für Physik und Astronomie.

Seit seiner Entdeckung hat die Zahl der Patente, die Graphen betreffen, exponentiell zugenommen. Um ihr Potenzial jedoch voll auszuschöpfen, müssen skalierbare Herstellungsverfahren entwickelt werden. Diese neue Forschung zeigt, dass die additive Fertigung – 3D-Druck – mit Tinten, in denen winzige Graphenflocken (einige Milliardstel Meter Durchmesser) suspendiert sind, eine vielversprechende Lösung darstellt. Durch die Kombination fortschrittlicher Herstellungstechniken zur Herstellung von Geräten mit ausgeklügelten Methoden zur Messung ihrer Eigenschaften und Quantenwellenmodellierung hat das Team genau herausgearbeitet, wie Tintenstrahldruck-Graphen Einzelschichtgraphen als Kontaktmaterial für 2D-Metallhalbleiter erfolgreich ersetzen kann.

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

Die Forscher verwendeten ein breites Spektrum an Charakterisierungstechniken, darunter Mikro‐Raman‐Spektroskopie (Laserscanning), thermische Gravitationsanalyse, ein neuartiges 3D‐OrbiSIMS‐Instrument und elektrische Messungen, um ein detailliertes strukturelles und funktionelles Verständnis von tintenstrahlgedruckten Graphenpolymeren und deren Auswirkungen zu liefern Wärmebehandlung (Glühen) nach Leistung.

Die nächsten Schritte für die Forschung bestehen darin, die Ablagerung der Flocken besser zu kontrollieren, indem Polymere verwendet werden, um die Art und Weise zu beeinflussen, wie sie sich anordnen und ausrichten, und verschiedene Tinten mit einer Reihe von Flockengrößen auszuprobieren. Die Forscher hoffen auch, ausgefeiltere Computersimulationen der Materialien und der Art und Weise, wie sie zusammenarbeiten, zu entwickeln und Wege zur Massenfertigung der von ihnen prototypischen Geräte zu entwickeln.