由碳的單原子組成的石墨烯由于其高強(qiáng)度，輕質(zhì)，柔韌性和空前的導(dǎo)電性而被認(rèn)為是具有廣泛應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)材料。但是，大規(guī)模生產(chǎn)大型石墨烯零件仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。先前的研究表明，存在用于3D打印石墨烯的各種方法，但是這些技術(shù)的尺寸仍然受到限制。此外，這些用于生產(chǎn)大面積石墨烯層的方法和非添加方法都阻礙了該材料的某些期望特性，即導(dǎo)電性。

現(xiàn)在，諾丁漢大學(xué)的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種使用噴墨技術(shù)進(jìn)行3D打印石墨烯的技術(shù)，該技術(shù)可以保持材料的電學(xué)性能，從而為諸如晶體管和傳感器之類的一系列電子組件提供了可能性。這項(xiàng)名為“噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸”的研究發(fā)表在《高級(jí)功能材料》雜志上。

一種3D打印的光電晶體管，該晶體管由“剝落的InSe薄片與300 nm SiO2 / Si基板上的六個(gè)噴墨打印的石墨烯條（每個(gè)電極包含5個(gè)印刷層，7條線）接觸而成，這些條用作電極?！?/span>

作為二維材料，石墨烯通常是通過剝落平板形式的角豆角原子的各個(gè)層而制成的。然后，要加工這種材料的多層物體，需要手工沉積這些板材，這顯然是費(fèi)力的過程。為了通過可擴(kuò)展的過程充分利用這種奇異材料的特性，諾丁漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種噴墨方法，可以使裝有石墨烯薄片的油墨噴墨。此外，通過使用量子力學(xué)建模，研究人員能夠準(zhǔn)確地了解電子如何移動(dòng)穿過石墨烯層，從而控制印刷材料的電性能。

物理學(xué)與天文學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)，論文的合著者馬克·弗羅姆（Mark Fromhold）教授這樣說(shuō)：“通過將量子物理學(xué)中的基本概念與最新技術(shù)聯(lián)系在一起，我們已經(jīng)展示了如何通過印刷厚度僅為幾個(gè)原子但幾厘米寬的材料層來(lái)制造用于控制電和光的復(fù)雜設(shè)備。根據(jù)量子力學(xué)定律，其中電子充當(dāng)波而不是粒子，我們發(fā)現(xiàn)二維材料中的電子沿著多個(gè)薄片之間的復(fù)雜軌跡行進(jìn)。電子似乎從一個(gè)薄片跳到另一個(gè)薄片，就像青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來(lái)跳去?！?/span>

為了打印該材料，將由石墨烯薄片和乙基纖維素組成的石墨烯油墨分散到環(huán)己酮/萜品醇的混合物中，并使用按需滴印法將其印刷到基材上。然后將各層在真空烘箱中于250°C退火，以除去溶劑并使油墨中的添加劑分解。研究小組發(fā)現(xiàn)，層數(shù)越大，電阻越低。為了演示這種材料的可能性，團(tuán)隊(duì)3D將由石墨烯電極組成的光電晶體管印刷在半導(dǎo)體晶體上。

兩個(gè)觸點(diǎn)之間填充石墨烯薄片的模擬。

這項(xiàng)研究的關(guān)鍵是了解電子的運(yùn)動(dòng)，以便最好地生產(chǎn)石墨烯零件。為此，該團(tuán)隊(duì)對(duì)印刷部件內(nèi)的薄片網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電特性進(jìn)行了建模，在將虛擬電壓施加到模擬設(shè)備時(shí)，模擬了石墨烯薄片之間的電荷轉(zhuǎn)移。作者指出：“我們的模型揭示了載流子在印刷石墨烯層中的傳輸機(jī)理，并表明，要獲得高電導(dǎo)率器件，需要具有高[填充率]的印刷層的優(yōu)化厚度。”

為了了解印刷的石墨烯在由多種材料制成的設(shè)備中的工作原理，研究人員通過3D印刷了場(chǎng)效應(yīng)晶體管。由于層間油墨的混合，電阻實(shí)際上比五個(gè)石墨烯印刷層的電阻高。

3D打印石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像； “比例尺為500 μm，銀電極之間的間距為100 μm。”

點(diǎn)評(píng)：雖然2D層和設(shè)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移動(dòng)，并證明了合并的打印層的潛在用途。這項(xiàng)研究結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致噴墨打印的石墨烯-聚合物復(fù)合材料以及其他一系列2D材料的各種應(yīng)用。該發(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(yáng)能電池； 由陽(yáng)光或穿戴者運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力的可穿戴柔性電子設(shè)備； 甚至印刷計(jì)算機(jī)?！?/span>

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過使用聚合物來(lái)改善石墨烯的沉積，以影響薄片排列的方式。 他們還希望使用尺寸不同的石墨烯薄片的不同類型的油墨。 研究人員還將改進(jìn)他們的計(jì)算機(jī)模擬，以包括不同材料如何協(xié)同工作。 最終，他們旨在開發(fā)用于量產(chǎn)原型設(shè)備的方法。

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