I RICERCATORI DI CFAM STUDIANO IL GRAFENE STAMPATO A GETTO D’INCHIOSTRO PER DISPOSITIVI OPTOELETTRONICI DI NUOVA GENERAZIONE
I ricercatori del Center for Additive Manufacturing dell’Università di Nottingham hanno fatto una svolta nello studio dei dispositivi elettronici di stampa 3D con grafene.
Gli scienziati hanno utilizzato una tecnica di stampa 3D a getto d’inchiostro per depositare inchiostri contenenti minuscole scaglie di grafene in numerosi strati, in un passo promettente verso la sostituzione del grafene monostrato come materiale di contatto per semiconduttori metallici 2D.
“Collegando i concetti fondamentali della fisica quantistica con l’ingegneria all’avanguardia, abbiamo dimostrato come è possibile realizzare dispositivi complessi per il controllo dell’elettricità e della luce stampando strati di materiale spessi solo pochi atomi ma larghi centimetri, “Ha spiegato Mark Fromhold, capo della School of Physics and Astronomy presso l’Università di Nottingham e coautore dell’articolo.
Spesso salutato come un “super materiale”, il grafene è un allotropo del carbonio che vanta una resistenza meccanica superiore a quella dell’acciaio, un’elevata conduttività elettrica e termica e presenta proprietà estremamente leggere . Come tale, c’è stata una raffica di interesse e attività nel settore 3D nello sfruttare il grafene e le sue proprietà. Tuttavia, gran parte del potenziale del grafene deriva dalla distribuzione del materiale nella sua forma monostrato e la scalabilità e, in effetti, la fattibilità dell’utilizzo del grafene per la stampa 3D presenta ancora sfide significative.
I ricercatori del Virginia Tech e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) si sono avvicinati di un passo allo sfruttamento del vero potenziale del grafene dopo aver sviluppato un metodo ad alta risoluzione per la stampa 3D del materiale, basandosi sulla dispersione del grafene all’interno di un gel per creare una resina. LLNL ha anche collaborato con i ricercatori dell’Università della California, a Santa Cruz , per sviluppare una tecnica di stampa 3D per elettrodi di aerogel a base di grafene utilizzati all’interno dei supercondensatori.
Altrove, il grafene è stato utilizzato nella fabbricazione di armature autosensibili stampate in 3D e nella modernizzazione delle reti di trasporto . Più di recente, una nuova ricerca dell’Università della Scienza di Tokyo ha rivelato come si comportano le molecole d’acqua a contatto con la superficie del grafene, rivelando che c’è molto da imparare sull’interazione tra acqua e materiali stampati in 3D.
Dalla sua scoperta, c’è stata un’ondata di brevetti che coinvolgono il grafene, tuttavia è necessario sviluppare tecniche di produzione scalabili per sfruttare appieno il potenziale del materiale. Questa è una delle sfide che i ricercatori del CfAM hanno cercato di superare attraverso la loro ricerca, mentre studiavano come il grafene stampato a getto d’inchiostro potesse diventare un potenziale sostituto del grafene a strato singolo all’interno di semiconduttori metallici 2D.
Per fare ciò, gli scienziati hanno sfruttato diverse tecniche di produzione avanzate, tra cui la stampa 3D a getto d’inchiostro, la spettroscopia micro-Raman, l’analisi della gravità termica e le misurazioni elettriche. Combinate, queste tecnologie hanno fornito ai ricercatori una conoscenza strutturale e funzionale sostanziale dei polimeri di grafene stampati a getto d’inchiostro e degli effetti del trattamento termico sulle loro prestazioni.
Durante lo studio, i ricercatori hanno stampato in 3D inchiostri contenenti minuscoli fiocchi di grafene in più strati, per facilitare il “tunneling quantistico inter-flake”, un processo in cui le proprietà elettriche degli strati stampati sono fortemente influenzate dalla frazione di impaccamento dei fiocchi di grafene, e serpeggiando traiettorie di elettroni che attraversano gli strati.
“Secondo le leggi della meccanica quantistica, in cui gli elettroni agiscono come onde anziché come particelle, abbiamo scoperto che gli elettroni nei materiali 2D viaggiano lungo traiettorie complesse tra più fiocchi. Sembra che gli elettroni saltino da un fiocco all’altro come una rana che salta tra le ninfee sovrapposte sulla superficie di uno stagno “, ha spiegato Fromhold.
Controllando queste traiettorie, gli scienziati sono stati in grado di produrre un transistor ad effetto di campo (FET) completamente stampato a getto d’inchiostro, costituito da uno strato di grafene e un gate superiore di nitruro di boro esagonale (hBN). Affermano che questa è la prima volta che il grafene stampato a getto d’inchiostro ha sostituito con successo il grafene a strato singolo come materiale di contatto per i calcogenuri metallici 2D, elementi chimici noti anche come “famiglia dell’ossigeno”. Lo sviluppo ha quindi avviato una nuova ondata di ricerca sull’elettronica 2D stampata in 3D per rilevatori di fotoni, sensori e condensatori, per l’elettronica estensibile e indossabile.
“Sebbene i livelli e i dispositivi 2D siano stati stampati in 3D in precedenza, questa è la prima volta che qualcuno ha identificato il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso di essi e ha dimostrato i potenziali usi per gli strati stampati combinati”, ha affermato Lyudmila Turyanska di CfAM. “I nostri risultati potrebbero portare a diverse applicazioni per i compositi grafene-polimero stampati a getto d’inchiostro e una gamma di altri materiali 2D”.
Secondo Turyanska, oltre all’elettronica indossabile, i risultati potrebbero aiutare nella produzione di una nuova generazione di dispositivi optoelettronici funzionali, come celle solari grandi ed efficienti e computer stampati.
Guardando al futuro, i ricercatori esploreranno come controllare meglio la deposizione dei fiocchi di grafene all’interno dell’inchiostro attraverso l’uso di polimeri e testeranno diversi inchiostri con una gamma di dimensioni di fiocchi. In questa fase successiva, gli scienziati tenteranno di sviluppare simulazioni al computer più sofisticate dei materiali e del modo in cui interagiscono, con l’obiettivo finale di scoprire modi di produzione di massa dei dispositivi prototipo.
Lo studio è stato condotto congiuntamente da ingegneri e fisici CfAM presso la School of Physics and Astronomy dell’Università di Nottingham nell’ambito di una sovvenzione del programma finanziata dall’EPSRC di 5,85 milioni di sterline .
Lo studio completo può essere trovato nel documento intitolato “Inter-Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices” , pubblicato sulla rivista Advanced Functional Materials. L’articolo è co-autore di F. Wang, J. Gosling, G. Trindade, G. Rance, O. Makarovsky, N. Cottam, Z. Kudrynskyi, A. Balanov, M. Greenaway, R. Wildman, R. Hague , C. Tuck, M. Fromhold e L. Turyanska.
