最新技術(shù)：石墨烯3D打印定制復(fù)雜構(gòu)件

來源：量子認(rèn)知

石墨烯被稱為一種未來革命性的“超級(jí)材料”，于2004年首次制造，它具有許多獨(dú)特的性能，包括比鋼更堅(jiān)固、具有更高的柔韌性以及有史以來最好的電導(dǎo)性。

像石墨烯這樣的二維材料通常是通過順序剝落排列在平板中的單層碳原子制成的，然后將其用于定制結(jié)構(gòu)。然而，將其組合以制造復(fù)雜的、類似三明治的夾層材料是困難的，并且通常需要一次一次地手工沉積層。

自發(fā)現(xiàn)以來，涉及石墨烯的專利數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)。但是，為了充分利用其潛力，需要開發(fā)可擴(kuò)展的制造技術(shù)。

英國(guó)諾丁漢大學(xué)的科學(xué)家最近可發(fā)了一項(xiàng)石墨烯3D打印定制復(fù)雜構(gòu)件的重大新技術(shù)，該技術(shù)將諸如石墨烯這樣的包含二維片狀細(xì)微材料，作為3D打印的油墨予以噴射，從而可以將不同層堆積并嚙合在一起，以定制復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，由此解決了新型石墨烯電子設(shè)備的重大難題，可充分利用石墨烯的獨(dú)特而有用的特性，例如將光轉(zhuǎn)換為電能的特性等，代表了石墨烯制造的未來技術(shù)。

該最新研究論文表明，使用石墨烯作為3D打印油墨進(jìn)行增材制造是一種有希望的解決方案，油墨中懸浮著細(xì)微的石墨烯薄片，其尺度約為數(shù)十億分之一米。

研究人員利用量子力學(xué)建模，描述電子如何在二維材料層中運(yùn)動(dòng)，以完全了解如何修改突破性的器件。如圖所示噴墨打印的石墨烯在兩個(gè)觸點(diǎn)之間的石墨烯薄片的代表性排列（綠色），顏色梯度對(duì)應(yīng)于片狀電勢(shì)的變化。

論文的共同作者、物理與天文學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)Mark Fromhold教授說：“通過將量子物理學(xué)中的基本概念與最新技術(shù)相結(jié)合，我們展示了控制電和光的復(fù)雜設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)通過印刷幾層厚但幾厘米寬的材料制成。”

“根據(jù)量子力學(xué)定律，在電子定律中，電子起著波的作用而不是粒子的作用，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)。電子似乎像從一個(gè)薄片跳到另一個(gè)薄片，猶如青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來跳去一樣。”如圖所示包含噴墨打印的石墨烯通道的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的光學(xué)顯微鏡圖像。

通過結(jié)合先進(jìn)的制造技術(shù)來制造器件，以及測(cè)量其性能和量子波建模的復(fù)雜方法，該團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確地弄清楚了噴墨印刷的石墨烯如何成功取代單層石墨烯作為二維金屬半導(dǎo)體的接觸材料。

論文共同作者Lyudmila Turyanska博士說：“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并證明其潛在用途。我們的結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致噴墨打印的石墨烯-聚合物復(fù)合材料和一系列其他二維材料的廣泛應(yīng)用，這些發(fā)現(xiàn)可用于制造新一代功能性光電器件；例如，大型高效的太陽能電池；可穿戴的靈活的電子設(shè)備，它們由陽光或穿戴者的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力；甚至可能是印刷計(jì)算機(jī)。”

研究人員使用了多種表征技術(shù)，包括激光掃描微拉曼光譜、熱重分析、新型3D orbiSIMS儀器和電學(xué)測(cè)量，以提供對(duì)噴墨印刷石墨烯聚合物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)和功能的了解，以及退火熱處理對(duì)性能的影響。

該最新研究結(jié)果論文，題為：《噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸》，發(fā)表最近的的《高級(jí)功能材料》雜志上。

論文第一作者、王飛然（Feiran Wang）為在英國(guó)諾丁漢大學(xué)從事博士后研究的中國(guó)學(xué)者。

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