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最新技术:石墨烯3D打印定制复杂构件

2020年11月10日

    石墨烯被称为一种未来革命性的“超级材料”,于2004年首次制造,它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性。

    像石墨烯这样的二维材料通常是通过顺序剥落排列在平板中的单层碳原子制成的,然后将其用于定制结构。然而,将其组合以制造复杂的、类似三明治的夹层材料是困难的,并且通常需要一次一次地手工沉积层。

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    自发现以来,涉及石墨烯的专利数量呈指数增长。但是,为了充分利用其潜力,需要开发可扩展的制造技术。

    英国诺丁汉大学的科学家最近可发了一项石墨烯3D打印定制复杂构件的重大新技术,该技术将诸如石墨烯这样的包含二维片状细微材料,作为3D打印的油墨予以喷射,从而可以将不同层堆积并啮合在一起,以定制复杂的结构,由此解决了新型石墨烯电子设备的重大难题,可充分利用石墨烯的独特而有用的特性,例如将光转换为电能的特性等,代表了石墨烯制造的未来技术。

    该最新研究论文表明,使用石墨烯作为3D打印油墨进行增材制造是一种有希望的解决方案,油墨中悬浮着细微的石墨烯薄片,其尺度约为数十亿分之一米。

    研究人员利用量子力学建模,描述电子如何在二维材料层中运动,以完全了解如何修改突破性的器件。如图所示喷墨打印的石墨烯在两个触点之间的石墨烯薄片的代表性排列(绿色),颜色梯度对应于片状电势的变化。

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    论文的共同作者、物理与天文学学院院长Mark Fromhold教授说:“通过将量子物理学中的基本概念与最新技术相结合,我们展示了控制电和光的复杂设备如何实现通过印刷几层厚但几厘米宽的材料制成。”

    “根据量子力学定律,在电子定律中,电子起着波的作用而不是粒子的作用,我们发现二维材料中的电子沿着多个薄片之间的复杂轨迹行进。电子似乎像从一个薄片跳到另一个薄片,犹如青蛙在池塘表面重叠的睡莲之间跳来跳去一样。”如图所示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。

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    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。

    论文共同作者Lyudmila Turyanska博士说:“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证明其潜在用途。我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;例如,大型高效的太阳能电池;可穿戴的灵活的电子设备,它们由阳光或穿戴者的运动提供动力;甚至可能是印刷计算机。”

    研究人员使用了多种表征技术,包括激光扫描微拉曼光谱、热重分析、新型3D orbiSIMS仪器和电学测量,以提供对喷墨印刷石墨烯聚合物的详细结构和功能的了解,以及退火热处理对性能的影响。

    该最新研究结果论文,题为:《喷墨印刷石墨烯器件中电子和空穴的薄片间量子传输》,发表最近的的《高级功能材料》杂志上。

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    论文第一作者、王飞然(Feiran Wang)为在英国诺丁汉大学从事博士后研究的中国学者。

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


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