3D プリント専門家がインクジェットプリントしたグラフェンによる次世代技術の作製方法を発見


(3D print experts discover how to make tomorrow’s tech using ink-jet printed graphene)

2020/11/4 英国・ノッティンガム大学


・ ノッティンガム大学が、2D 材料電子デバイスの 3D プリンティングによる製造と、2D 材料層での電子挙動の量子力学モデリングによる特定に成功。
・ 従来、グラフェン等の 2D 材料は炭素原子の平坦なシートから剥離して作製しており、サンドイッチ状の複雑な材料の作製には手作業による積層が必要。グラフェンのポテンシャルを最大限に活用するには、スケーラブルな製造技術の開発が不可欠。
・ 今回、グラフェンのフレーク(小片)を含有するインクを用い、原子の薄さの数 cm の面積の 2D 材料層を 3D プリントで作製。2D 金属半導体のコンタクト材料として、単層グラフェンを代替することを確認した。
・ また、顕微ラーマン分光法、熱重量分析、新型の 3D orbiSIMS や電気計測等により、インクジェットプリント作製したグラフェンの詳細な構造や機能、アニーリングによる性能への影響を特定。2D 材料層では、電子が複雑な軌道を取りながら小片間を飛び回ることを発見した。
・ 3D プリンティングによる 2D 材料層やデバイスの作製は新しいものではないが、電子挙動の確認や利用の可能性の実証は今回が初めてとなる。
・ このような発見は、大型の高効率太陽電池、太陽光や着用者の挙動を電源とするフレキシブルなウェアラブルエレクトロニクスやプリンテッドコンピューター等の次世代のオプトエレクトロニクスデバイスの開発に役立つもの。
・ 今後は、ポリマーの使用によりグラフェン小片の配置と配列を変えることで積層の制御度合いを向上させ、小片のサイズが異なる多種のインクの使用を試みる。また、各材料やそれらの組合せによる働きに関するより高度なコンピューター・シミュレーションを展開し、デバイスのプロトタイプの大量製造方法を開発する。
URL: https://www.nottingham.ac.uk/news/3d-print-experts-discover-how-to-make-tomorrowstech-using-ink-jet-printed-graphene



Advanced Functional Materials 掲載論文(フルテキスト)
Inter‐Flake Quantum Transport of Electrons and Holes in Inkjet‐Printed Graphene Devices
URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007478


2D materials have unique structural and electronic properties with potential for transformative device applications. However, such devices are usually bespoke structures made by sequential deposition of exfoliated 2D layers. There is a need for scalable manufacturing techniques capable of producing high‐quality large‐area devices comprising multiple 2D materials. Additive manufacturing with inks containing 2D material flakes is a promising solution. Inkjet‐printed devices incorporating 2D materials have been demonstrated, however there is a need for greater understanding of quantum transport phenomena as well as their structural properties. Experimental and theoretical studies of inkjet‐printed graphene structures are presented. Detailed electrical and structural characterization is reported and explained by comparison with transport modeling that include inter‐flake quantum tunneling transport and percolation dynamics. The results reveal that the electrical properties are strongly influenced by the flakes packing fraction and by complex meandering electron trajectories, which traverse several printed layers. Controlling these trajectories is essential for printing high‐quality devices that exploit the properties of 2D materials. Inkjet‐printed graphene is used to make a field effect transistor and Ohmic contacts on an InSe phototransistor. This is the first time that inkjet‐printed graphene has successfully replaced single layer graphene as a contact material for 2D metal chalcogenides.