Un arrangement représentatif de flocons de graphène dans du graphène imprimé par jet d'encre entre deux contacts (vert). Le dégradé de couleur correspond à la variation des potentiels de paillettes. Crédit :Université de Nottingham
L'Université de Nottingham a résolu l'énigme de l'utilisation des encres pour imprimer en 3D de nouveaux appareils électroniques dotés de propriétés utiles, comme la capacité de convertir la lumière en électricité.
L'étude montre qu'il est possible de projeter des encres, contenant de minuscules flocons de matériaux 2-D tels que le graphène, construire et mailler les différentes couches de ces complexes, structures personnalisées.
En utilisant la modélisation de la mécanique quantique, les chercheurs ont également identifié comment les électrons se déplacent à travers les couches de matériau 2D, pour bien comprendre comment les dispositifs révolutionnaires peuvent être modifiés à l'avenir.
Co-auteur de l'article, Professeur Mark Fromhold, Le directeur de l'École de physique et d'astronomie a déclaré :"En reliant les concepts fondamentaux de la physique quantique à l'ingénierie de pointe, nous avons montré comment des dispositifs complexes de contrôle de l'électricité et de la lumière peuvent être fabriqués en imprimant des couches de matériau de quelques atomes d'épaisseur mais de quelques centimètres de diamètre.
"Selon les lois de la mécanique quantique, dans lequel les électrons agissent comme des ondes plutôt que des particules, nous avons trouvé des électrons dans des matériaux 2D voyageant le long de trajectoires complexes entre plusieurs flocons. Il semble que les électrons sautent d'un flocon à l'autre comme une grenouille sautille entre des nénuphars qui se chevauchent à la surface d'un étang."
L'étude, « Transport quantique inter-flocons d'électrons et de trous dans les dispositifs en graphène imprimés à jet d'encre », a été publié dans la revue à comité de lecture Matériaux fonctionnels avancés .
Souvent décrit comme un « super matériau », Le graphène a été créé pour la première fois en 2004. Il présente de nombreuses propriétés uniques, notamment être plus résistant que l'acier, très flexible et le meilleur conducteur d'électricité jamais fabriqué.
Les matériaux bidimensionnels comme le graphène sont généralement fabriqués en exfoliant séquentiellement une seule couche d'atomes de carbone - disposés dans une feuille plate - qui sont ensuite utilisés pour produire des structures sur mesure.
Image de microscopie optique d'un transistor à effet de champ contenant un canal de graphène imprimé par jet d'encre. Crédit :Université de Nottingham
Cependant, produire des couches et les combiner pour en faire des complexes, les matériaux de type sandwich étaient difficiles et nécessitaient généralement un dépôt minutieux des couches une par une et à la main.
Depuis sa découverte, il y a eu une croissance exponentielle du nombre de brevets concernant le graphène. Cependant, afin d'exploiter pleinement son potentiel, des techniques de fabrication évolutives doivent être développées.
Le nouveau document montre que la fabrication additive - plus communément appelée impression 3D - utilisant des encres, dans laquelle de minuscules paillettes de graphène (quelques milliardièmes de mètre de diamètre) sont suspendues, offre une solution prometteuse.
En combinant des techniques de fabrication avancées pour fabriquer des dispositifs avec des moyens sophistiqués de mesurer leurs propriétés et de modéliser les ondes quantiques, l'équipe a déterminé exactement comment le graphène imprimé à jet d'encre peut remplacer avec succès le graphène monocouche en tant que matériau de contact pour les semi-conducteurs métalliques 2-D.
Coauteur, Dr. Lyudmila Turyanska du Centre de fabrication additive, mentionné, « Alors que les couches et les appareils 2D ont déjà été imprimés en 3D, c'est la première fois que quelqu'un a identifié comment les électrons se déplacent à travers eux et a démontré des utilisations potentielles pour le combiné, couches imprimées. Nos résultats pourraient conduire à diverses applications pour les composites graphène-polymère imprimés par jet d'encre et une gamme d'autres matériaux 2D. Les résultats pourraient être utilisés pour créer une nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques fonctionnels; par exemple, cellules solaires grandes et efficaces ; portable, électronique flexible qui est alimentée par la lumière du soleil ou le mouvement du porteur ; peut-être même des ordinateurs imprimés."
L'étude a été réalisée par des ingénieurs du Centre de fabrication additive et des physiciens de l'École de physique et d'astronomie ayant un intérêt commun pour les technologies quantiques, dans le cadre de la subvention de programme financée par EPSRC de 5,85 millions de livres sterling, Permettre la fabrication additive de nouvelle génération.
Les chercheurs ont utilisé un large éventail de techniques de caractérisation, notamment la spectroscopie micro-Raman (balayage laser), analyse de gravité thermique, un nouvel instrument 3D orbiSIMS et des mesures électriques—pour fournir une compréhension structurelle et fonctionnelle détaillée des polymères de graphène imprimés par jet d'encre, et les effets du traitement thermique (recuit) sur les performances.
Les prochaines étapes de la recherche consistent à mieux contrôler le dépôt des flocons en utilisant des polymères pour influencer la façon dont ils s'arrangent et s'alignent et en essayant différentes encres avec une gamme de tailles de flocons. Les chercheurs espèrent également développer des simulations informatiques plus sophistiquées des matériaux et de la façon dont ils fonctionnent ensemble, développer des moyens de fabriquer en série les appareils qu'ils prototypent.
