最新技術：石墨烯3D打印定制復雜構件

來源：量子認知

石墨烯被稱為一種未來革命性的“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性。

像石墨烯這樣的二維材料通常是通過順序剝落排列在平板中的單層碳原子制成的，然后將其用于定制結構。然而，將其組合以制造復雜的、類似三明治的夾層材料是困難的，并且通常需要一次一次地手工沉積層。

自發(fā)現(xiàn)以來，涉及石墨烯的專利數(shù)量呈指數(shù)增長。但是，為了充分利用其潛力，需要開發(fā)可擴展的制造技術。

英國諾丁漢大學的科學家最近可發(fā)了一項石墨烯3D打印定制復雜構件的重大新技術，該技術將諸如石墨烯這樣的包含二維片狀細微材料，作為3D打印的油墨予以噴射，從而可以將不同層堆積并嚙合在一起，以定制復雜的結構，由此解決了新型石墨烯電子設備的重大難題，可充分利用石墨烯的獨特而有用的特性，例如將光轉換為電能的特性等，代表了石墨烯制造的未來技術。

該最新研究論文表明，使用石墨烯作為3D打印油墨進行增材制造是一種有希望的解決方案，油墨中懸浮著細微的石墨烯薄片，其尺度約為數(shù)十億分之一米。

研究人員利用量子力學建模，描述電子如何在二維材料層中運動，以完全了解如何修改突破性的器件。如圖所示噴墨打印的石墨烯在兩個觸點之間的石墨烯薄片的代表性排列（綠色），顏色梯度對應于片狀電勢的變化。

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，我們展示了控制電和光的復雜設備如何實現(xiàn)通過印刷幾層厚但幾厘米寬的材料制成�！�

“根據(jù)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(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。電子似乎像從一個薄片跳到另一個薄片，猶如青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來跳去一樣。”如圖所示包含噴墨打印的石墨烯通道的場效應晶體管的光學顯微鏡圖像。

通過結合先進的制造技術來制造器件，以及測量其性能和量子波建模的復雜方法，該團隊準確地弄清楚了噴墨印刷的石墨烯如何成功取代單層石墨烯作為二維金屬半導體的接觸材料。

論文共同作者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(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；可穿戴的靈活的電子設備，它們由陽光或穿戴者的運動提供動力；甚至可能是印刷計算機�！�

研究人員使用了多種表征技術，包括激光掃描微拉曼光譜、熱重分析、新型3D orbiSIMS儀器和電學測量，以提供對噴墨印刷石墨烯聚合物的詳細結構和功能的了解，以及退火熱處理對性能的影響。

該最新研究結果論文，題為：《噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸》，發(fā)表最近的的《高級功能材料》雜志上。

論文第一作者、王飛然（Feiran Wang）為在英國諾丁漢大學從事博士后研究的中國學者。

參考：Feiran Wang et al, InterFlake Quantum Transport of Electrons and Holes in InkjetPrinted Graphene Devices,Advanced Functional Materials(2020).DOI: 10.1002/adfm.202007478