Una disposición representativa de escamas de grafeno en grafeno impreso por inyección de tinta entre dos contactos (verde). El gradiente de color corresponde a la variación de los potenciales de las escamas. Crédito:Universidad de Nottingham
La Universidad de Nottingham ha resuelto el enigma de cómo utilizar tintas para imprimir en 3D nuevos dispositivos electrónicos con propiedades útiles. como la capacidad de convertir la luz en electricidad.
El estudio muestra que es posible inyectar tintas, que contiene pequeñas escamas de materiales 2-D como el grafeno, para construir y unir las diferentes capas de estos complejos, Estructuras a medida.
Usando modelado mecánico cuántico, Los investigadores también identificaron cómo se mueven los electrones a través de las capas de material 2-D, para comprender completamente cómo se pueden modificar los dispositivos innovadores en el futuro.
Coautor del artículo, Profesor Mark Fromhold, El director de la Escuela de Física y Astronomía dijo:"Al vincular los conceptos fundamentales de la física cuántica con la ingeniería de vanguardia, Hemos demostrado cómo se pueden fabricar dispositivos complejos para controlar la electricidad y la luz mediante la impresión de capas de material que tienen solo unos pocos átomos de espesor pero centímetros de ancho.
"De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, en el que los electrones actúan como ondas en lugar de partículas, Encontramos que los electrones en materiales 2-D viajan a lo largo de trayectorias complejas entre múltiples escamas. Parece como si los electrones saltaran de un copo a otro como una rana saltando entre nenúfares superpuestos en la superficie de un estanque ".
El estudio, 'Transporte cuántico entre escamas de electrones y agujeros en dispositivos de grafeno impresos con inyección de tinta', ha sido publicado en la revista revisada por pares Materiales funcionales avanzados .
A menudo descrito como un 'supermaterial', El grafeno se creó por primera vez en 2004. Presenta muchas propiedades únicas, como ser más fuerte que el acero, altamente flexible y el mejor conductor de electricidad jamás fabricado.
Los materiales bidimensionales como el grafeno generalmente se fabrican exfoliando secuencialmente una sola capa de átomos de carbono, dispuestos en una hoja plana, que luego se utilizan para producir estructuras a medida.
Imagen de microscopía óptica de un transistor de efecto de campo que contiene un canal de grafeno impreso por inyección de tinta. Crédito:Universidad de Nottingham
Sin embargo, produciendo capas y combinándolas para hacer complejas, Los materiales en forma de sándwich han sido difíciles y por lo general requerían una cuidadosa deposición de las capas una a la vez y a mano.
Desde su descubrimiento, ha habido un crecimiento exponencial en el número de patentes relacionadas con el grafeno. Sin embargo, para aprovechar al máximo su potencial, Es necesario desarrollar técnicas de fabricación escalables.
El nuevo papel muestra que la fabricación aditiva, más conocida como impresión 3D, que utiliza tintas, en el que se suspenden diminutos copos de grafeno (unas mil millonésimas de metro de diámetro), proporciona una solución prometedora.
Al combinar técnicas de fabricación avanzadas para fabricar dispositivos junto con formas sofisticadas de medir sus propiedades y modelado de ondas cuánticas, el equipo descubrió exactamente cómo el grafeno impreso con inyección de tinta puede reemplazar con éxito el grafeno de una sola capa como material de contacto para semiconductores metálicos 2-D.
Coautor, Dra. Lyudmila Turyanska del Centro de Fabricación Aditiva, dijo, "Si bien las capas y los dispositivos 2-D ya se imprimieron en 3D, esta es la primera vez que alguien ha identificado cómo los electrones se mueven a través de ellos y ha demostrado usos potenciales para la combinación, capas impresas. Nuestros resultados podrían conducir a diversas aplicaciones para compuestos de polímero de grafeno impresos por inyección de tinta y una variedad de otros materiales 2-D. Los hallazgos podrían emplearse para hacer una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos funcionales; por ejemplo, células solares grandes y eficientes; usable, electrónica flexible que funciona con la luz solar o el movimiento del usuario; quizás incluso computadoras impresas ".
El estudio fue realizado por ingenieros del Centro de Fabricación Aditiva y físicos de la Escuela de Física y Astronomía con un interés común en las tecnologías cuánticas. en el marco de la subvención del programa financiada por EPSRC de £ 5,85 millones, Habilitación de la fabricación aditiva de próxima generación.
Los investigadores utilizaron una amplia gama de técnicas de caracterización, incluida la espectroscopia micro-Raman (escaneo láser), análisis de gravedad térmica, un nuevo instrumento orbiSIMS 3D y mediciones eléctricas, para proporcionar una comprensión estructural y funcional detallada de los polímeros de grafeno impresos por inyección de tinta, y los efectos del tratamiento térmico (recocido) sobre el rendimiento.
Los próximos pasos para la investigación son controlar mejor la deposición de las escamas mediante el uso de polímeros para influir en la forma en que se organizan y alinean y probando diferentes tintas con una variedad de tamaños de escamas. Los investigadores también esperan desarrollar simulaciones por computadora más sofisticadas de los materiales y la forma en que trabajan juntos. desarrollando formas de fabricar en masa los dispositivos que prototipan.
