喷墨打印石墨烯实现太阳能可穿戴电子设备

江苏激光联盟导读:

据悉,来自诺丁汉大学的研究人员解决了如何使用墨水3D打印具有有用特性(例如将光转换为电能的特性)的新型电子设备的难题。这项研究表明,可以喷射包含二维片状细小材料(例如石墨烯)的油墨,可以将这些复杂的定制结构的不同层堆积并啮合在一起。该研究成果以'Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices'一文10月26日发表在同行评审杂志dvanced Functional Materials上。

石墨烯通常被称为“超级材料”,它最早诞生于2004年。石墨烯具有许多独特的性能,包括比钢更坚固、具有更高的柔韧性以及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依次剥落单层碳原子(排列在平板中)制成的,然后将其用于定制结构。

单层石墨烯(single-layer graphene, SLG)的发现和分离开辟了基础科学的新体系,并实现了电子设备的体系结构和性能的变革。升级器件处理能力以及将大面积石墨烯与其他材料共沉积仍然是关键挑战。例如,尽管大面积石墨烯层是通过化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)和分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE) 制成的,但它们的电子性能(例如迁移率和电导率)不如通过机械手段测量的高质量剥落的SLG。2D材料的液体剥落提供了一种生产2D材料的替代方法,可以通过增材制造(AM)/3D打印(3DP)技术配制成油墨以进行可扩展沉积。

使用AM沉积技术,石墨烯和氧化石墨烯层已成功印刷,从而在包括柔性基板在内的各种基板上形成了宏观3D结构以及复杂的微米级几何形状和3D纳米复合材料。特别感兴趣的是AM在功能异质结构和电子设备的石墨烯制造中的应用。最近,展示了具有石墨烯层和六方氮化硼(hBN)顶栅的全喷墨打印场效应晶体管(FET)。这引发了对用于光子探测器、传感器和用于可伸缩/可穿戴电子设备的电容器的3D打印2D电子设备的新一波研究。

2D原子晶体的晶体结构,包括石墨烯、TMDs、h‐BN和Xenes

然而,尽管研究范围不断扩大,石墨烯油墨的性质尚未完全被理解,并且其应用潜力仍未得到充分利用。为了加快这些材料的开发,需要对随机沉积的纳米级2D薄片或组装成宏观3D结构的纳米颗粒网络中电荷传输的起源和特性有一个全面的了解。以前,已经研究了层厚度对印刷石墨烯电阻率的影响。这揭示了电流的线性变化,印刷层厚度> 40 nm,这是3D材料所期望的。其他3D打印石墨烯器件(例如石墨烯/ hBN FET)的传输特性也通过采用最先为SLG器件开发的方法进行了分析,其中电荷载流子浓度和场效应迁移率由栅极电压对电导率的依赖性。来自诺丁汉大学的研究人员通过将量子物理学中的基本概念与最新技术相结合,展示了控制电和光的复杂设备如何能够通过印刷几层厚但几厘米宽的材料制成。

喷墨打印的石墨烯在两个触点之间的代表性石墨烯薄片排列(绿色)。颜色梯度对应于片状电势的变化。

该研究表明,使用油墨进行增材制造(通常称为3D打印)是一种有希望的解决方案,油墨中悬浮着微小的石墨烯薄片(数十亿分之一米)。通过结合先进的制造技术来制造器件,以及测量其性能和量子波建模的复杂方法,该团队准确地弄清楚了喷墨印刷的石墨烯如何成功取代单层石墨烯作为二维金属半导体的接触材料。

增材制造中心的合著者Lyudmila Turyanska博士表示,虽然2D层和设备以前是3D打印的,但这是任何人第一次确定电子如何通过它们并展示出潜在的用途。他们的结果可能会导致喷墨打印的石墨烯聚合物复合材料和一系列其他二维材料的广泛应用,这些发现可用于制造新一代功能性光电器件。如大型高效的太阳能电池、可穿戴的、灵活的电子设备,这些设备由阳光或穿戴者的运动提供动力。

包含喷墨打印的石墨烯通道的场效应晶体管的光学显微镜图像。

这项研究是由增材制造中心的工程师和物理与天文学院的物理学家进行的,他们对量子技术有着共同的兴趣,得到了585万欧元的EPSRC资助项目“支持下一代增材制造”的资助。

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)、热重分析、新型3D orbiSIMS仪器和电学测量,以提供对喷墨打印的石墨烯聚合物的详细结构和功能的理解,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薄片的沉积和排列方式,并尝试使用各种薄片尺寸的不同油墨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仿真,从而开发出对其原型进行批量生产的方式。

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