インクジェット印刷されたグラフェンを使用して明日の電子機器を作成する方法

ノッティンガム大学の研究者たちは、光を電気に変換する機能など、有用な特性を備えた新しい電子デバイスを3Dプリントするためにインクを使用する方法の難問を打ち破りました。彼らの研究によると、グラフェンなどの2D材料の小さなフレークを含むインクを噴射して、これらの複雑なカスタマイズされた構造のさまざまな層を構築し、メッシュ化することが可能です。

量子力学的モデリングを使用して、研究者はまた、電子が2D材料層をどのように移動するかを特定し、デバイスを将来どのように変更できるかを完全に理解しました。

しばしば「スーパーマテリアル」と呼ばれるグラフェンは、2004年に最初に作成されました。これは、鋼よりも強い、柔軟性が高い、これまでにない最高の電気伝導体など、多くのユニークな特性を示します。グラフェンのような二次元材料は、通常、平らなシートに配置された炭素原子の単層を順次剥離することによって作られ、その後、特注の構造を生成するために使用されます。しかし、層を作成し、それらを組み合わせて複雑なサンドイッチのような材料を作成することは困難であり、通常、手作業で一度に1つずつ層を入念に堆積させる必要がありました。

「量子物理学の基本的な概念を最先端の工学と結び付けることにより、電気と光を制御するための複雑なデバイスが、わずか数原子の厚さで直径が数センチメートルの材料の層を印刷することによってどのように作られるかを示しました。電子が粒子ではなく波として作用する量子力学の法則によれば、2D材料の電子は複数のフレーク間の複雑な軌道に沿って移動することがわかりました。池の表面にある重なり合ったユリのパッドの間をカエルが飛び跳ねるように、電子が1つのフレークから別のフレークに飛び跳ねるように見えます」と、物理学と天文学の学部長であるMarkFromhold教授は述べています。

その発見以来、グラフェンに関連する特許の数は指数関数的に増加しています。ただし、その可能性を十分に活用するには、スケーラブルな製造技術を開発する必要があります。この新しい研究は、グラフェンの小さなフレーク（直径数十億分の1メートル）が浮遊しているインクを使用した積層造形（3D印刷）が有望なソリューションを提供することを示しています。チームは、高度な製造技術を組み合わせてデバイスを作成し、その特性を測定する高度な方法と量子波モデリングを組み合わせることで、インクジェット印刷されたグラフェンが2D金属半導体の接触材料として単層グラフェンをどのようにうまく置き換えることができるかを正確に解明しました。

「2Dレイヤーとデバイスは以前に3D印刷されていましたが、電子がそれらをどのように移動するかを特定し、結合された印刷レイヤーの潜在的な用途を示したのはこれが初めてです。私たちの結果は、インクジェット印刷されたグラフェン-ポリマー複合材料やその他のさまざまな2D材料の多様な用途につながる可能性があります。調査結果は、新世代の機能的なオプトエレクトロニクスデバイスを作るために使用することができます。たとえば、大きくて効率的な太陽電池。日光または着用者の動きによって電力が供給されるウェアラブルで柔軟な電子機器。おそらく印刷されたコンピューターでさえも」とリュドミラ・トゥリアンスカ博士は語った。

研究者らは、マイクロラマン分光法（レーザースキャン）、熱重力分析、新しい3D orbiSIMS機器、電気測定などの幅広い特性評価手法を使用して、インクジェット印刷されたグラフェンポリマーの詳細な構造的および機能的理解と性能面での熱処理（アニーリング）。

研究の次のステップは、ポリマーを使用してフレークの配置と整列の方法に影響を与え、さまざまなフレークサイズのさまざまなインクを試すことにより、フレークの堆積をより適切に制御することです。研究者たちはまた、材料とそれらが連携する方法のより洗練されたコンピューターシミュレーションを開発し、プロトタイプを作成するデバイスを大量生産する方法を開発することを望んでいます。