噴墨列印石墨烯實現太陽能可穿戴電子設備

2020-11-08 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，來自諾丁漢大學的研究人員解決了如何使用墨水3D列印具有有用特性（例如將光轉換為電能的特性）的新型電子設備的難題。這項研究表明，可以噴射包含二維片狀細小材料（例如石墨烯）的油墨，可以將這些複雜的定製結構的不同層堆積並嚙合在一起。該研究成果以'Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices'一文10月26日發表在同行評審雜誌dvanced Functional Materials上。

石墨烯通常被稱為「超級材料」，它最早誕生於2004年。石墨烯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依次剝落單層碳原子（排列在平板中）製成的，然後將其用於定製結構。

單層石墨烯(single-layer graphene, SLG)的發現和分離開闢了基礎科學的新體系，並實現了電子設備的體系結構和性能的變革。升級器件處理能力以及將大面積石墨烯與其他材料共沉積仍然是關鍵挑戰。例如，儘管大面積石墨烯層是通過化學氣相沉積(chemical vapor deposition, CVD)和分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE) 製成的，但它們的電子性能（例如遷移率和電導率）不如通過機械手段測量的高質量剝落的SLG。2D材料的液體剝落提供了一種生產2D材料的替代方法，可以通過增材製造(AM)/3D列印(3DP)技術配製成油墨以進行可擴展沉積。

使用AM沉積技術，石墨烯和氧化石墨烯層已成功印刷，從而在包括柔性基板在內的各種基板上形成了宏觀3D結構以及複雜的微米級幾何形狀和3D納米複合材料。特別感興趣的是AM在功能異質結構和電子設備的石墨烯製造中的應用。最近，展示了具有石墨烯層和六方氮化硼（hBN）頂柵的全噴墨列印場效應電晶體（FET）。這引發了對用於光子探測器、傳感器和用於可伸縮/可穿戴電子設備的電容器的3D列印2D電子設備的新一波研究。

2D原子晶體的晶體結構，包括石墨烯、TMDs、h‐BN和Xenes

然而，儘管研究範圍不斷擴大，石墨烯油墨的性質尚未完全被理解，並且其應用潛力仍未得到充分利用。為了加快這些材料的開發，需要對隨機沉積的納米級2D薄片或組裝成宏觀3D結構的納米顆粒網絡中電荷傳輸的起源和特性有一個全面的了解。以前，已經研究了層厚度對印刷石墨烯電阻率的影響。這揭示了電流的線性變化，印刷層厚度> 40 nm，這是3D材料所期望的。其他3D列印石墨烯器件（例如石墨烯/ hBN FET）的傳輸特性也通過採用最先為SLG器件開發的方法進行了分析，其中電荷載流子濃度和場效應遷移率由柵極電壓對電導率的依賴性。來自諾丁漢大學的研究人員通過將量子物理學中的基本概念與最新技術相結合，展示了控制電和光的複雜設備如何能夠通過印刷幾層厚但幾釐米寬的材料製成。

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。

該研究表明，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）。通過結合先進的製造技術來製造器件，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二維金屬半導體的接觸材料。

增材製造中心的合著者Lyudmila Turyanska博士表示，雖然2D層和設備以前是3D列印的，但這是任何人第一次確定電子如何通過它們並展示出潛在的用途。他們的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二維材料的廣泛應用，這些發現可用於製造新一代功能性光電器件。如大型高效的太陽能電池、可穿戴的、靈活的電子設備，這些設備由陽光或穿戴者的運動提供動力。

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。

這項研究是由增材製造中心的工程師和物理與天文學院的物理學家進行的，他們對量子技術有著共同的興趣，得到了585萬歐元的EPSRC資助項目「支持下一代增材製造」的資助。

研究人員使用了廣泛的表徵技術，包括微拉曼光譜（雷射掃描）、熱重分析、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的理解，以及熱處理（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仿真，從而開發出對其原型進行批量生產的方式。

參考文獻：N. Huo, G. Konstantatos, Adv. Mater.2018, 30, 1801164.

本文來源：Feiran Wang et al, Inter‐Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet‐Printed Graphene Devices, Advanced Functional Materials (2020). DOI: 10.1002/adfm.202007478

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