(Phys.org) — Genom att använda ett bläck som innehåller små grafenflingor, forskare har bläckstråletryckta grafenmönster som kan användas för att skriva ut fint detaljerade, starkt ledande elektroder. Även om bläckstråletryckt grafen tidigare har visats, grafenmönstren som skrivs ut i den nya studien är cirka 250 gånger mer ledande än tidigare mönster. Det tryckta grafenbläcket är också mycket tolerant mot böjpåkänningar, med förmågan att motstå vikning med endast en liten minskning av konduktiviteten.

Forskarna, Ethan B. Secor, et al., vid Northwestern University i Evanston, Illinois, har publicerat sin studie om bläckstråleutskrift av grafenmönster i ett färskt nummer av The Journal of Physical Chemistry Letters .

Som forskarna förklarar, bläckstråleutskrift är en attraktiv metod för att skriva ut elektroniska komponenter eftersom det är billigt, kan skriva ut stora ytor, och kan skriva ut på flexibla substrat. Forskare har tidigare använt bläckstråleutskrift för att tillverka en mängd olika komponenter som transistorer, solceller, lysdioder, och sensorer. Dock, skriva ut högledande elektroder är fortfarande en utmaning på grund av kravet på mycket fin upplösning. Nyligen, forskare har vänt sig till grafen på grund av dess höga ledningsförmåga, kemisk stabilitet, och inneboende flexibilitet jämfört med andra bläck, hoppas att grafenbaserade bläck kan användas för att skriva ut elektroder.

Ett av de viktigaste stegen vid utskrift med grafenbläck är att få fram en stor mängd grafen. Det finns flera metoder för att masstillverka grafen, men det som har fördelar för bläckstråleutskrift är exfoliering – eller sönderdelning – av andra material som grafit eller reducerad grafenoxid (RGO) för att producera grafenflingor. Tidigare studier har visat bläckstråleutskrift av exfolierade RGO-flingor för elektroder, sensorer, och andra applikationer. Dock, de elektriska egenskaperna hos RGO-flingor, som innehåller kol, syre, och väteatomer, är sämre än egenskaperna hos orörda grafenflingor, som bara innehåller kolatomer.

De metoder som för närvarande används för att producera orörd grafen genom exfoliering har stött på några utmaningar. Processen kräver vanligtvis lösningsmedel och ytaktiva ämnen som lämnar rester på grafenet, vilket minskar dess ledningsförmåga. Ett annat problem är att medan små grafenflingor är nödvändiga för stabil utskrift, de ökar antalet flinga-till-flinga-korsningar, vilket också minskar konduktiviteten.

I den nya studien, forskarna utvecklade ett nytt tillvägagångssätt som övervinner dessa problem. Den nya rumstemperaturprocessen använder etanol som lösningsmedel och etylcellulosa som stabiliserande polymer, ingen av dem lämnar en rest. Denna metod ger höga utbyten av ett svartkrut med en grafenhalt på 15 %, vilket är högre än de flesta tidigare metoder. Grafenflingorna i pulvret har en tjocklek på ca 2 nm och ytor på ca 50 x 50 nm ² . Även om en så liten flingstorlek resulterar i många flinga-till-flinga-korsningar, den etylcellulosastabiliserande polymeren minskar motståndet mellan flingor bättre än andra ytaktiva ämnen.

Forskarna spred sedan det svarta pulvret i ett lösningsmedel för att skapa ett flytande bläck som kan användas för utskrift. De demonstrerade bläckstråleutskrift med det grafenbaserade bläcket och fann att bläckets utmärkta morfologi och ledningsförmåga möjliggjorde utskrift av exakta mönster lämpliga för utskrift av elektroder. Forskarna kan också skriva ut flera lager av bläck samtidigt som de bibehåller enhetliga mönster, varvid varje lager lägger till ca 14 nm till tjockleken.

Forskarna bedömde det tryckta bläckets mekaniska egenskaper genom att skriva ut linjer på flexibla polyimidsubstrat. De fann att bläckets konduktivitet förblev praktiskt taget oförändrad även vid höga böjningsradier på mindre än 1 mm, trots att underlaget började spricka. Även när forskarna vek ett substrat med tryckta detaljer, bläcket visade endast en 5% minskning i konduktivitet som sannolikt kan tillskrivas substratsprickor snarare än skada på själva bläcket. De mekaniska testerna tyder på att grafenbläck kan användas för att skapa vikbara elektroniska enheter i framtiden.

"I princip alla elektroniska enheter och kretsar krävde högkonduktivitet och högupplösta elektriska kontakter och sammankopplingar, " medförfattare Mark Hersam, professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern University, berättade Phys.org . "Därför, våra grafenbläck har potential att påverka ett brett spektrum av applikationer, speciellt tryckt elektronik, flexibel elektronik, och hopfällbar elektronik. Exempel på nedströmsapplikationer för dessa typer av elektroniska enheter inkluderar smartphones, tabletter, platta skärmar, och solceller."

I framtiden, forskarna planerar att arbeta med att applicera det nya grafenbläcket på den här typen av applikationer.

"Än så länge, vi har uppnått utvecklingen och karakteriseringen av grafenbläck, Hersam sa. Å andra sidan, vår framtida forskning kommer att fokusera på att integrera våra tryckta grafenbläck i helt tillverkade elektroniska enheter och kretsar inklusive nedströmsapplikationerna som anges ovan. På detta sätt, vi kan fullt ut utnyttja våra grundläggande forskningsframsteg för verklig teknologi."

Copyright 2013 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från Phys.org.