Graphène imprimé par jet d'encre : l'avenir de l'électronique imprimée 3D

Des chercheurs de l'Université de Nottingham ont résolu le problème de la façon d'utiliser des encres pour imprimer en 3D de nouveaux dispositifs électroniques avec des propriétés utiles, telles qu'une capacité à 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 ensemble les différentes couches de ces structures complexes personnalisées.

En utilisant la modélisation mécanique quantique, les chercheurs ont également identifié comment les électrons se déplacent à travers les couches de matériaux 2D, pour comprendre complètement comment les dispositifs 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, hautement 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 faire des matériaux complexes, de type sandwich, a été difficile et a généralement requis un dépôt minutieux des couches une par une à la main.

« En reliant des concepts fondamentaux de la physique quantique avec l'ingénierie de pointe, nous avons montré comment des dispositifs complexes pour contrôler l'électricité et la lumière peuvent être faits en imprimant des couches de matériau qui ne font que quelques atomes d'épaisseur mais des centimètres de large. Selon les lois de la mécanique quantique, dans lesquelles les électrons agissent comme des ondes plutôt que comme des particules, nous avons trouvé que les électrons dans les matériaux 2D voyagent le long de trajectoires complexes entre plusieurs flocons. Il apparaît comme si les électrons sautaient d'un flocon à un autre comme une grenouille sautant entre des nénuphars chevauchants à la surface d'un étang », a déclaré le Professeur Mark Fromhold, Chef de l'École de Physique et Astronomie.

Depuis sa découverte, il y a eu une croissance exponentielle du nombre de brevets impliquant le graphène. Cependant, pour exploiter pleinement son potentiel, des techniques de fabrication évolutives doivent être développées. Cette nouvelle recherche montre que la fabrication additive — l'impression 3D — en utilisant des encres, dans lesquelles de minuscules flocons de graphène (quelques milliardièmes de mètre de large) sont en suspension, fournit une solution prometteuse. En combinant des techniques de fabrication avancées pour faire des dispositifs, avec des méthodes sophistiquées de mesure de leurs propriétés, et la modélisation d'ondes quantiques, l'équipe a travaillé 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 des couches et dispositifs 2D ont été imprimés en 3D auparavant, c'est la première fois que quelqu'un a identifié comment les électrons se déplacent à travers eux et démontré des utilisations potentielles pour les couches combinées imprimées. Nos résultats pourraient mener à des applications diverses pour les composites graphène-polymère imprimés par jet d'encre et une gamme d'autres matériaux 2D. Les découvertes pourraient être employées pour faire une nouvelle génération de dispositifs optoélectroniques fonctionnels ; par exemple, de grandes cellules solaires efficaces ; de l'électronique portable, flexible, alimentée 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 une large gamme de techniques de caractérisation incluant la micro-spectroscopie Raman (balayage laser), l'analyse gravimétrique thermique, un instrument 3D orbiSIMS nouveau, et des mesures électriques, pour fournir une compréhension structurelle et fonctionnelle détaillée des polymères graphène imprimés par jet d'encre et les effets du traitement thermique (recuit) sur la performance.

Les prochaines étapes pour la recherche sont de mieux contrôler le dépôt des flocons en utilisant des polymères pour influencer la façon dont ils s'arrangent et s'alignent et d'essayer 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 travaillent ensemble, développant des façons de fabriquer en série les dispositifs qu'ils prototypent.