インクジェット印刷グラフェン：3Dプリントエレクトロニクスの未来

ノッティンガム大学の研究者たちは、インクを用いて光を電気に変換する能力など有用な特性を持つ新規電子デバイスを3Dプリントする方法の難問を解きました。彼らの研究は、グラフェンのような2D材料の微小フレークを含むインクをジェットし、これらの複雑なカスタマイズ構造の異なる層を積み上げてメッシュさせることが可能であることを示しています。

量子力学的モデリングを用いて、研究者たちはまた、電子が2D材料層をどう移動するかを特定し、将来デバイスをどう改良できるかを完全に理解しました。

「スーパーマテリアル」としばしば形容されるグラフェンは2004年に初めて作られました。鋼鉄より強く、高度に柔軟で、これまでに作られた中で最高の電気伝導体など、多くの独自特性を示します。グラフェンのような二次元材料は通常、炭素原子の単層（平らなシートに配列）を順次剥離して作られ、それらを用いてオーダーメイド構造を生成します。しかし、層を生成し組み合わせて複雑なサンドイッチ型材料を作ることは困難で、通常は層を1層ずつ手作業で堆積させる骨の折れる作業が必要でした。

「量子物理学の基礎概念と最先端エンジニアリングを結びつけることで、わずか数原子厚だがセンチメートル幅の材料層を印刷することで、電気と光を制御する複雑なデバイスを作れることを示しました。量子力学の法則では電子は粒子ではなく波として振る舞うため、2D材料中の電子は複数のフレーク間で複雑な軌道を移動します。電子が池の表面で重なり合う睡蓮の葉の間を飛び移るカエルのように、一つのフレークから別のフレークへホッピングしているように見えます」と、物理学・天文学部長Mark Fromhold教授。

発見以来、グラフェン関連特許は指数関数的に増加しています。しかし、その潜在能力を完全に活用するには、スケーラブルな製造技術の開発が必要です。この新研究は、グラフェンの微小フレーク（数十億分の数メートル幅）を懸濁させたインクを用いた加法製造——3Dプリント——が有望な解決策であることを示しています。デバイス製造のための高度な製造技術、それらの特性を測定する洗練された方法、量子波モデリングを組み合わせることで、チームはインクジェット印刷グラフェンが2D金属半導体のコンタクト材料として単層グラフェンをいかに成功裏に置き換えられるかを正確に解明しました。

「2D層とデバイスは以前にも3Dプリントされてきましたが、電子がそれらをどう移動するかを特定し、結合した印刷層の潜在的用途を実証したのはこれが初めてです。我々の成果は、インクジェット印刷グラフェン・ポリマーコンポジットとその他さまざまな2D材料の多様な応用につながる可能性があります。例えば、大面積高効率太陽電池、着用者の動きや日光で駆動するウェアラブルフレキシブルエレクトロニクス、おそらく印刷コンピューターさえも、新世代の機能的オプトエレクトロニクスデバイスの製造に利用できるでしょう」とLyudmila Turyanska博士。

研究者たちは、マイクロラマン分光法（レーザースキャン）、熱重量分析、新規3D orbiSIMS装置、電気測定など幅広いキャラクタリゼーション技術を用いて、インクジェット印刷グラフェンポリマーの詳細な構造的・機能的理解と、熱処理（アニーリング）が性能に与える影響を明らかにしました。

研究の次のステップは、ポリマーを用いてフレークの配列と配向に影響を与え、フレーク堆積をより良く制御すること、さまざまなフレークサイズの異なるインクを試すことです。研究者たちはまた、材料とそれらの連携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、プロトタイプデバイスの大量製造方法を開発することも望んでいます。