如何使用喷墨印刷石墨烯制造未来的电子产品
诺丁汉大学的研究人员破解了如何使用墨水 3D 打印具有有用特性的新型电子设备的难题，例如将光转化为电能的能力。他们的研究表明，可以喷射含有石墨烯等二维材料微小薄片的墨水，从而将这些复杂定制结构的不同层构建并网格在一起。
使用量子力学建模，研究人员还确定了电子如何穿过二维材料层，以完全了解未来如何修改设备。
石墨烯通常被描述为“超级材料”，于 2004 年首次被创造出来。它具有许多独特的特性，包括比钢更坚固、高度灵活以及有史以来最好的导电体。像石墨烯这样的二维材料通常是通过依次剥离单层碳原子（排列成平板）制成的，然后用于生产定制结构。然而，生产层并将它们组合以制造复杂的类似三明治的材料一直很困难，并且通常需要手工一次一层地进行艰苦的沉积。
“通过将量子物理学中的基本概念与最先进的工程技术联系在一起，我们展示了如何通过打印只有几个原子厚但厘米宽的材料层来制造控制电和光的复杂设备。根据电子作为波而不是粒子的量子力学定律，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传播。似乎电子从一片片跳到另一片，就像青蛙在池塘表面重叠的睡莲之间跳跃一样，”物理与天文学学院院长 Mark Fromhold 教授说。
自发现以来，涉及石墨烯的专利数量呈指数级增长。然而，为了充分发挥其潜力，需要开发可扩展的制造技术。这项新研究表明，增材制造（3D 打印）使用墨水，其中悬浮着微小的石墨烯薄片（直径为十亿分之一米），提供了一种很有前景的解决方案。通过结合先进的制造技术来制造设备，以及测量其特性的复杂方法和量子波建模，该团队准确地研究了喷墨打印石墨烯如何成功地取代单层石墨烯作为二维金属半导体的接触材料。
“虽然 2D 层和设备之前已经进行了 3D 打印，但这是第一次有人确定电子如何穿过它们，并展示了组合打印层的潜在用途。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多种应用。这些发现可用于制造新一代功能性光电器件；例如，大型高效太阳能电池；由阳光或佩戴者的运动驱动的可穿戴柔性电子设备；甚至可能是印刷计算机，”Lyudmila Turyanska 博士说。
研究人员使用了广泛的表征技术，包括微拉曼光谱（激光扫描）、热重力分析、新型 3D orbiSIMS 仪器和电测量，以提供对喷墨打印石墨烯聚合物的详细结构和功能的理解以及热处理（退火）对性能的影响。
研究的下一步是通过使用聚合物来影响它们排列和对齐的方式，并尝试使用具有一系列薄片尺寸的不同墨水来更好地控制薄片的沉积。研究人员还希望对材料及其协同工作方式进行更复杂的计算机模拟，从而开发出大规模制造原型设备的方法。
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