Como fazer os eletrônicos de amanhã usando grafeno impresso a jato de tinta

Pesquisadores da Universidade de Nottingham resolveram o enigma de como usar tintas para imprimir em 3D novos dispositivos eletrônicos com propriedades úteis, como a capacidade de converter luz em eletricidade. Seu estudo mostra que é possível injetar tintas contendo pequenos flocos de materiais 2D, como o grafeno, para construir e mesclar as diferentes camadas dessas complexas estruturas personalizadas.

Usando modelagem mecânica quântica, os pesquisadores também identificaram como os elétrons se movem pelas camadas de material 2D, para entender completamente como os dispositivos podem ser modificados no futuro.

Frequentemente descrito como um “super material”, o grafeno foi criado pela primeira vez em 2004. Ele exibe muitas propriedades únicas, incluindo ser mais forte que o aço, altamente flexível e o melhor condutor de eletricidade já feito. Materiais bidimensionais como o grafeno geralmente são feitos esfoliando sequencialmente uma única camada de átomos de carbono – dispostos em uma folha plana – que são então usados ​​para produzir estruturas sob medida. No entanto, produzir camadas e combiná-las para fazer materiais complexos, semelhantes a sanduíches, tem sido difícil e geralmente exigia deposição meticulosa das camadas, uma de cada vez, à mão.

“Ao unir conceitos fundamentais da física quântica com engenharia de ponta, mostramos como dispositivos complexos para controlar eletricidade e luz podem ser feitos imprimindo camadas de material com apenas alguns átomos de espessura, mas com centímetros de diâmetro. De acordo com as leis da mecânica quântica, nas quais os elétrons agem como ondas em vez de partículas, descobrimos que os elétrons em materiais 2D viajam ao longo de trajetórias complexas entre vários flocos. Parece que os elétrons pulam de um floco para outro como um sapo pulando entre lírios sobrepostos na superfície de uma lagoa”, disse o professor Mark Fromhold, chefe da Escola de Física e Astronomia.

Desde sua descoberta, houve um crescimento exponencial no número de patentes envolvendo o grafeno. No entanto, para explorar plenamente seu potencial, técnicas de fabricação escaláveis ​​precisam ser desenvolvidas. Esta nova pesquisa mostra que a manufatura aditiva – impressão 3D – usando tintas, nas quais pequenos flocos de grafeno (alguns bilionésimos de metro de diâmetro) são suspensos, fornece uma solução promissora. Ao combinar técnicas avançadas de fabricação para fabricar dispositivos, juntamente com formas sofisticadas de medir suas propriedades e modelagem de ondas quânticas, a equipe descobriu exatamente como o grafeno impresso a jato de tinta pode substituir com sucesso o grafeno de camada única como material de contato para semicondutores metálicos 2D.

“Embora camadas e dispositivos 2D tenham sido impressos em 3D antes, esta é a primeira vez que alguém identificou como os elétrons se movem através deles e demonstrou usos potenciais para as camadas impressas combinadas. Nossos resultados podem levar a diversas aplicações para compósitos de grafeno-polímero impressos a jato de tinta e uma variedade de outros materiais 2D. As descobertas podem ser empregadas para fazer uma nova geração de dispositivos optoeletrônicos funcionais; por exemplo, células solares grandes e eficientes; eletrônicos vestíveis e flexíveis que são alimentados pela luz solar ou pelo movimento do usuário; talvez até mesmo computadores impressos”, disse a Dra. Lyudmila Turyanska.

Os pesquisadores usaram uma ampla gama de técnicas de caracterização, incluindo espectroscopia micro-Raman (varredura a laser), análise de gravidade térmica, um novo instrumento orbiSIMS 3D e medições elétricas, para fornecer uma compreensão estrutural e funcional detalhada de polímeros de grafeno impressos a jato de tinta e os efeitos de tratamento térmico (recozimento) no desempenho.

Os próximos passos da pesquisa são controlar melhor a deposição dos flocos usando polímeros para influenciar a maneira como eles organizam e alinham e experimentando tintas diferentes com uma variedade de tamanhos de flocos. Os pesquisadores também esperam desenvolver simulações de computador mais sofisticadas dos materiais e da maneira como eles trabalham juntos, desenvolvendo maneiras de fabricar em massa os dispositivos que prototipam.