量子物理解決了石墨烯墨水3D列印"三明治"多層光電器件的難題

2020-11-08 柔智燴

量子物理解決了用石墨烯墨水3D列印"三明治"多層光電器件的難題

諾丁漢大學解決了如何使用墨水對具有有用特性（例如將光轉換為電的能力）的新型電子設備進行3D列印的難題。

研究表明，可以噴射包含微小的2D材料薄片（例如石墨烯）的油墨，以將這些複雜的，自定義的結構的不同層堆積並嚙合在一起。

該研究已經發表在同行評議的《Advanced Functional Materials》雜誌上（"噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸"， 'Inter‐Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet‐Printed Graphene Devices'）。

石墨烯通常被稱為"超級材料"，於2004年首次製造。它具有許多獨特的性能，包括比鋼更堅固，具有更高的柔韌性以及有史以來最好的電導體。

像石墨烯這樣的二維材料通常是通過順序剝落單層碳原子（排列在平板中）製成的，然後將其用於生成定製結構。然而，生產層並將其組合以製造複雜的，類似三明治的材料是困難的，並且通常需要一次且一次地手工沉積層。

這份新論文表明，使用油墨進行增材製造（通常稱為3D列印）是一種有希望的解決方案，油墨中懸浮著微小的石墨烯薄片（數十億分之一米）。

使用量子力學建模，研究人員還指出了電子如何在2D材料層中運動，以完全了解將來如何修改突破性的器件。

噴墨列印的石墨烯在兩個觸點之間的代表性石墨烯薄片排列（綠色）。顏色梯度對應於片狀電勢的變化。

通過結合先進的製造技術來製造設備，以及測量其性能和量子波建模的複雜方法，該團隊準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2D金屬半導體的接觸材料。

包含噴墨列印的石墨烯通道的場效應電晶體的光學顯微鏡圖像。

噴墨印刷的石墨烯用於在InSe光電電晶體上製造場效應電晶體和歐姆接觸。這是噴墨印刷石墨烯首次成功取代單層石墨烯作為2D金屬硫屬元素化物的接觸材料。

"通過將量子物理學中的基本概念與最新技術聯繫在一起，我們已經展示了如何通過印刷厚度僅為幾原子但幾釐米寬的材料層來製造用於控制電和光的複雜設備。根據量子力學定律，其中電子充當波而不是粒子，我們發現二維材料中的電子沿著多個薄片之間的複雜軌跡行進。電子似乎從一個薄片跳到另一個薄片，就像青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來跳去。"論文的共同作者，物理與天文學學院院長Mark Fromhold教授。

合著者，來自增材製造中心的Lyudmila Turyanska博士說："雖然2D層和設備以前是3D列印的，但這是第一次有人發現電子如何通過它們移動並展示出結合後的潛在用途。我們的研究結果可能會導致噴墨列印的石墨烯-聚合物複合材料和一系列其他2D材料的廣泛應用，這些發現可用於製造新一代功能性光電器件；例如，大型高效的太陽能電池；可穿戴式，由陽光或穿戴者的運動提供動力的柔性電子產品；甚至可能是印刷計算機。"

研究人員使用了多種表徵技術-包括微拉曼光譜法（雷射掃描），熱引力分析，新型3D orbiSIMS儀器和電學測量-以提供對噴墨列印的石墨烯聚合物的詳細結構和功能理解以及效果（退火）對性能的影響。

研究的下一步是通過使用聚合物來影響薄片的沉積和排列方式，並嘗試使用各種薄片尺寸的不同油墨來更好地控制薄片的沉積。研究人員還希望對材料及其協同工作的方式進行更複雜的計算機模擬，從而開發出對其原型設備進行大規模製造的方式。

這項研究是由EPSRC資助的585萬英鎊的計劃資助下的"實現下一代增材製造"，由增材製造中心的工程師和物理與天文學學院的物理學家共同進行，涉及量子技術。

原文連結：

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