Comment fabriquer l'électronique de demain à l'aide de graphène imprimé par jet d'encre

Des chercheurs de l'Université de Nottingham ont résolu l'énigme de l'utilisation des encres pour imprimer en 3D de nouveaux appareils électroniques dotés de propriétés utiles, telles que la capacité de convertir la lumière en électricité. Leur étude montre qu'il est possible de projeter des encres contenant de minuscules flocons de matériaux 2D tels que le graphène, pour construire et mailler les différentes couches de ces structures personnalisées complexes.

À l'aide de la modélisation mécanique quantique, les chercheurs ont également identifié la façon dont les électrons se déplacent à travers les couches de matériau 2D, pour comprendre complètement comment les appareils peuvent être modifiés à l'avenir.

Souvent décrit comme un «super matériau», le graphène a été créé pour la première fois en 2004. Il présente de nombreuses propriétés uniques, notamment être plus résistant que l'acier, très flexible et le meilleur conducteur d'électricité jamais fabriqué. Les matériaux bidimensionnels comme le graphène sont généralement fabriqués en exfoliant séquentiellement une seule couche d'atomes de carbone - disposés dans une feuille plate - qui sont ensuite utilisés pour produire des structures sur mesure. Cependant, produire des couches et les combiner pour créer des matériaux complexes de type sandwich a été difficile et a généralement nécessité un dépôt minutieux des couches une à la fois à la main.

« En reliant les concepts fondamentaux de la physique quantique à l'ingénierie de pointe, nous avons montré comment des dispositifs complexes de contrôle de l'électricité et de la lumière peuvent être fabriqués en imprimant des couches de matériau de quelques atomes d'épaisseur mais de quelques centimètres de diamètre. Selon les lois de la mécanique quantique, dans lesquelles les électrons agissent comme des ondes plutôt que comme des particules, nous avons découvert que les électrons dans les matériaux 2D parcourent des trajectoires complexes entre plusieurs flocons. Il semble que les électrons sautent d'un flocon à l'autre comme une grenouille saute entre des nénuphars qui se chevauchent à la surface d'un étang », a déclaré le professeur Mark Fromhold, directeur de l'École de physique et d'astronomie.

Depuis sa découverte, il y a eu une croissance exponentielle du nombre de brevets impliquant le graphène. Cependant, afin d'exploiter pleinement son potentiel, des techniques de fabrication évolutives doivent être développées. Cette nouvelle recherche montre que la fabrication additive - l'impression 3D - utilisant des encres, dans lesquelles de minuscules flocons de graphène (quelques milliardièmes de mètre de diamètre) sont suspendus, offre une solution prometteuse. En combinant des techniques de fabrication avancées pour fabriquer des dispositifs, ainsi que des moyens sophistiqués de mesurer leurs propriétés et la modélisation des ondes quantiques, l'équipe a découvert exactement comment le graphène imprimé par jet d'encre peut remplacer avec succès le graphène monocouche comme matériau de contact pour les semi-conducteurs métalliques 2D.

"Alors que les couches et les dispositifs 2D ont déjà été imprimés en 3D, c'est la première fois que quelqu'un identifie comment les électrons se déplacent à travers eux et démontre les utilisations potentielles des couches imprimées combinées. Nos résultats pourraient conduire à diverses applications pour les composites graphène-polymère imprimés par jet d'encre et une gamme d'autres matériaux 2D. Les résultats pourraient être utilisés pour fabriquer une nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques fonctionnels ; par exemple, des cellules solaires grandes et efficaces ; les appareils électroniques flexibles et portables qui sont alimentés par la lumière du soleil ou le mouvement du porteur ; peut-être même des ordinateurs imprimés », a déclaré le Dr Lyudmila Turyanska.

Les chercheurs ont utilisé un large éventail de techniques de caractérisation, notamment la spectroscopie micro-Raman (balayage laser), l'analyse de gravité thermique, un nouvel instrument orbiSIMS 3D et des mesures électriques, pour fournir une compréhension structurelle et fonctionnelle détaillée des polymères de graphène imprimés par jet d'encre et les effets de traitement thermique (recuit) sur les performances.

Les prochaines étapes de la recherche consistent à mieux contrôler le dépôt des flocons en utilisant des polymères pour influencer la façon dont ils s'arrangent et s'alignent et en essayant différentes encres avec une gamme de tailles de flocons. Les chercheurs espèrent également développer des simulations informatiques plus sophistiquées des matériaux et de la façon dont ils fonctionnent ensemble, en développant des moyens de fabriquer en masse les dispositifs qu'ils prototypent.