Un flacon de la nouvelle encre au graphène, qui contient des flocons de graphène de taille nanométrique. L'encre est hautement conductrice et a une excellente morphologie, lui permettant d'être utilisé pour imprimer des électrodes. Crédit :Ethan B. Secor, et al. ©2013 Société chimique américaine
(Phys.org) —En utilisant une encre contenant de minuscules flocons de graphène, les scientifiques ont des motifs de graphène imprimés à jet d'encre qui peuvent être utilisés pour une impression finement détaillée, électrodes hautement conductrices. Bien que le graphène imprimé à jet d'encre ait déjà été démontré, les motifs de graphène imprimés dans la nouvelle étude sont environ 250 fois plus conducteurs que les motifs précédents. L'encre graphène imprimée est également très tolérante aux contraintes de flexion, avec la capacité de résister au pliage avec seulement une légère diminution de la conductivité.
Les chercheurs, Ethan B. Secor, et al., à l'Université Northwestern à Evanston, Illinois, ont publié leur étude sur les motifs de graphène d'impression à jet d'encre dans un récent numéro de Le Journal des lettres de chimie physique .
Comme l'expliquent les chercheurs, l'impression à jet d'encre est une méthode attrayante pour l'impression de composants électroniques car elle est peu coûteuse, peut imprimer de grandes surfaces, et peut imprimer sur des substrats flexibles. Les chercheurs ont déjà utilisé l'impression à jet d'encre pour fabriquer une variété de composants tels que des transistors, cellules solaires, LED, et capteurs. Cependant, l'impression d'électrodes hautement conductrices reste un défi en raison de l'exigence d'une résolution très fine. Récemment, les chercheurs se sont tournés vers le graphène en raison de sa haute conductivité, stabilité chimique, et une flexibilité intrinsèque par rapport aux autres encres, en espérant que des encres à base de graphène puissent être utilisées pour l'impression d'électrodes.
L'une des étapes les plus importantes de l'impression avec de l'encre au graphène consiste à obtenir une grande quantité de graphène. Il existe plusieurs méthodes pour produire en masse du graphène, mais celui qui présente des avantages pour l'impression à jet d'encre est l'exfoliation - ou la séparation - d'autres matériaux tels que le graphite ou l'oxyde de graphène réduit (RGO) pour produire des flocons de graphène. Des études antérieures ont démontré l'impression à jet d'encre de flocons RGO exfoliés pour les électrodes, capteurs, et d'autres applications. Cependant, les propriétés électriques des paillettes RGO, qui contiennent du carbone, oxygène, et des atomes d'hydrogène, sont inférieurs aux propriétés des flocons de graphène vierges, qui ne contiennent que des atomes de carbone.
Les méthodes actuellement utilisées pour produire du graphène vierge par exfoliation ont rencontré quelques défis. Le processus nécessite généralement des solvants et des tensioactifs qui laissent des résidus sur le graphène, ce qui diminue sa conductivité. Un autre problème est que, tandis que de petits flocons de graphène sont nécessaires pour une impression stable, ils augmentent le nombre de jonctions flocon à flocon, ce qui diminue également la conductivité.
Un substrat flexible imprimé avec de l'encre au graphène dans (en haut) l'état déplié et (en bas) l'état plié. L'appareil peut être plié avec seulement une légère diminution de la conductivité. Crédit :Ethan B. Secor, et al. ©2013 Société chimique américaine
Dans la nouvelle étude, les scientifiques ont développé une nouvelle approche qui surmonte ces problèmes. Le nouveau procédé à température ambiante utilise l'éthanol comme solvant et l'éthylcellulose comme polymère stabilisant, ni l'un ni l'autre ne laisse de résidu. Cette méthode produit des rendements élevés d'une poudre noire avec une teneur en graphène de 15%, ce qui est plus élevé que la plupart des méthodes précédentes. Les flocons de graphène dans la poudre ont des épaisseurs d'environ 2 nm et des surfaces d'environ 50 x 50 nm 2 . Bien qu'une si petite taille de flocon entraîne de nombreuses jonctions flocon à flocon, le polymère stabilisant d'éthylcellulose réduit la résistance entre les flocons mieux que d'autres tensioactifs.
Les chercheurs ont ensuite dispersé la poudre noire dans un solvant pour créer une encre fluide pouvant être utilisée pour l'impression. Ils ont démontré l'impression à jet d'encre avec l'encre à base de graphène et ont constaté que l'excellente morphologie et la conductivité de l'encre permettaient l'impression de motifs précis adaptés à l'impression d'électrodes. Les chercheurs pourraient également imprimer plusieurs couches d'encre tout en conservant des motifs uniformes, chaque couche ajoutant environ 14 nm à l'épaisseur.
Les chercheurs ont évalué les propriétés mécaniques de l'encre imprimée en imprimant des lignes sur des substrats flexibles en polyimide. Ils ont constaté que la conductivité de l'encre restait pratiquement inchangée même à des rayons de courbure élevés inférieurs à 1 mm, même si le substrat a commencé à se fissurer. Même lorsque les chercheurs ont plié un substrat avec des caractéristiques imprimées, l'encre n'a montré qu'une diminution de 5 % de la conductivité qui peut probablement être attribuée à la fissuration du substrat plutôt qu'à des dommages à l'encre elle-même. Les tests mécaniques suggèrent que les encres au graphène pourraient être utilisées pour créer des appareils électroniques pliables à l'avenir.
"Essentiellement, tous les appareils et circuits électroniques nécessitaient des contacts et des interconnexions électriques à haute conductivité et haute résolution, " co-auteur Mark Hersam, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la Northwestern University, Raconté Phys.org . "Par conséquent, nos encres au graphène ont le potentiel d'avoir un impact sur un large éventail d'applications, en particulier l'électronique imprimée, électronique souple, et électronique pliable. Des exemples d'applications en aval pour ces types d'appareils électroniques incluent les smartphones, comprimés, écrans plats, et photovoltaïque."
À l'avenir, les chercheurs prévoient de travailler sur l'application de la nouvelle encre au graphène à ce type d'applications.
"Jusqu'à présent, nous avons réalisé le développement et la caractérisation de l'encre graphène, " dit Hersam. " D'un autre côté, nos recherches futures se concentreront sur l'intégration de nos encres de graphène imprimées dans des dispositifs et circuits électroniques entièrement fabriqués, y compris les applications en aval énumérées ci-dessus. De cette façon, nous pouvons pleinement exploiter nos avancées en recherche fondamentale pour la technologie du monde réel."
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