諾丁漢大學(xué)解決了如何使用墨水對3D打印具有有用特性(例如將光轉(zhuǎn)換為電能的特性)的新型電子設(shè)備的難題。

研究表明，可以噴射包含二維薄片材料(例如石墨烯)的細(xì)小油墨，以將這些復(fù)雜的定制結(jié)構(gòu)的不同層堆積并嚙合在一起。

使用量子力學(xué)建模，研究人員還指出了電子如何在二維材料層中運(yùn)動，以完全了解將來如何修改突破性的器件。

論文的共同作者，物理與天文學(xué)學(xué)院院長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，我們已經(jīng)展示了控制電和光的復(fù)雜設(shè)備如何能夠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薄片之間的復(fù)雜軌跡行進(jìn)。電子似乎像從一個薄片跳到另一個薄片一樣。青蛙在池塘表面重疊的睡蓮之間跳來跳去。”

這項(xiàng)研究《噴墨印刷石墨烯器件中電子和空穴的薄片間量子傳輸》已經(jīng)發(fā)表在同行評審的《高級功能材料》雜志上。

石墨烯通常被稱為“超級材料”，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)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)制成的，然后將其用于定制結(jié)構(gòu)。

然而，生產(chǎn)層并將其組合以制造復(fù)雜的，類似三明治的材料是困難的，并且通常需要一次且一次地手工沉積層。

自發(fā)現(xiàn)以來，涉及石墨烯的專利數(shù)量呈指數(shù)增長。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)。

這份新論文表明，使用油墨進(jìn)行增材制造(通常稱為3D打印)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(shù)十億分之一米)。

結(jié)合先進(jìn)的制造技術(shù)與測量它們的性能和量子波建模復(fù)雜的方式沿使設(shè)備球隊(duì)摸索出究竟是如何噴墨印刷的石墨烯可以成功地代替單個層石墨烯作為用于2-d金屬半導(dǎo)體的接觸材料。

增材制造中心的合著者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，這些設(shè)備由陽光或穿戴者的運(yùn)動提供動力;甚至可能是印刷計算機(jī)。”

這項(xiàng)研究是由EPSRC資助的585萬英鎊的計劃“下一代增材制造”下的增材制造中心的工程師和物理與天文學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家共同對量子技術(shù)感興趣的。

研究人員使用了廣泛的表征技術(shù)，包括微拉曼光譜(激光掃描)，熱重分析，新型3-D orbiSIMS儀器和電學(xué)測量，以提供對噴墨打印的石墨烯聚合物的詳細(xì)結(jié)構(gòu)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，并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(xié)同工作的方式進(jìn)行更復(fù)雜的計算機(jī)模擬，從而開發(fā)出對其原型設(shè)備進(jìn)行大規(guī)模制造的方式。