University of Nottingham har knäckt gåtan om hur man använder bläck för att 3D-printa nya elektroniska enheter med användbara egenskaper, såsom en förmåga att omvandla ljus till elektricitet.

Studien visar att det är möjligt att spruta bläck, som innehåller små flingor av 2D-material som grafen, att bygga upp och sammanfoga de olika skikten av dessa komplex, skräddarsydda strukturer.

Med hjälp av kvantmekanisk modellering, forskarna pekade också på hur elektroner rör sig genom 2D-materiallagren, att helt förstå hur de banbrytande enheterna kan modifieras i framtiden.

Paper medförfattare, Professor Mark Fromhold, Chef för skolan för fysik och astronomi sa, "Genom att koppla samman grundläggande begrepp inom kvantfysik med toppmodern teknik, vi har visat hur komplexa anordningar för att styra elektricitet och ljus kan göras genom att skriva ut lager av material som bara är några atomer tjocka men centimeter breda.

"Enligt kvantmekanikens lagar, där elektronerna fungerar som vågor snarare än partiklar, vi fann elektroner i 2D-material färdas längs komplexa banor mellan flera flingor. Det verkar som om elektronerna hoppar från en flinga till en annan som en groda som hoppar mellan överlappande liljekuddar på ytan av en damm."

Studien, "Inter-Flake Quantum Transport of Electronics and Holes in Inkjet-Printed Graphene Devices", har publicerats i den peer-reviewade tidskriften Avancerade funktionella material .

Beskrivs ofta som ett "supermaterial", grafen skapades första gången 2004. Det uppvisar många unika egenskaper inklusive att vara starkare än stål, mycket flexibel och den bästa ledaren av elektricitet som någonsin gjorts.

Tvådimensionella material som grafen tillverkas vanligtvis genom att sekventiellt exfoliera ett enda lager av kolatomer - arrangerade i ett platt ark - som sedan används för att producera skräddarsydda strukturer.

Dock, producera lager och kombinera dem för att göra komplexa, sandwichliknande material har varit svårt och vanligtvis krävt noggrann deponering av skikten ett i taget och för hand.

Sedan dess upptäckt, det har skett en exponentiell ökning av antalet patent som involverar grafen. Dock, för att fullt ut utnyttja dess potential, skalbara tillverkningstekniker måste utvecklas.

Det nya dokumentet visar att additiv tillverkning – mer känd som 3-D-utskrift – med hjälp av bläck, där små flingor av grafen (några miljarddels meter i diameter) hänger upp, ger en lovande lösning.

Genom att kombinera avancerade tillverkningstekniker för att göra enheter tillsammans med sofistikerade sätt att mäta deras egenskaper och kvantvågsmodellering utarbetade teamet exakt hur bläckstråletryckt grafen framgångsrikt kan ersätta enskiktsgrafen som kontaktmaterial för 2-D metallhalvledare.

Medförfattare, Dr. Lyudmila Turyanska från Center for Additive Manufacturing, sa, "Medan 2-D-lager och enheter har 3-D-utskrivits tidigare, detta är första gången någon har identifierat hur elektroner rör sig genom dem och visat potentiella användningsområden för de kombinerade, tryckta lager. Våra resultat kan leda till olika tillämpningar för bläckstråletryckta grafen-polymerkompositer och en rad andra 2D-material. Resultaten skulle kunna användas för att göra en ny generation funktionella optoelektroniska enheter; till exempel, stora och effektiva solceller; bärbar, flexibel elektronik som drivs av solljus eller bärarens rörelse; kanske till och med utskrivna datorer."

Studien utfördes av ingenjörer vid Center for Additive Manufacturing och fysiker vid School of Physics and Astronomy med ett gemensamt intresse för kvantteknologi, under det EPSRC-finansierade programanslaget på 5,85 miljoner pund, Aktiverar nästa generations additiv tillverkning.

Forskarna använde ett brett utbud av karakteriseringstekniker - inklusive mikro-Raman-spektroskopi (laserskanning), termisk gravitationsanalys, ett nytt 3-D orbiSIMS-instrument och elektriska mätningar – för att ge detaljerad strukturell och funktionell förståelse av bläckstråletryckta grafenpolymerer, och effekterna av värmebehandling (glödgning) på prestanda.

Nästa steg för forskningen är att bättre kontrollera avsättningen av flingorna genom att använda polymerer för att påverka hur de arrangerar och justerar och prova olika bläck med en rad flingstorlekar. Forskarna hoppas också kunna utveckla mer sofistikerade datorsimuleringar av materialen och hur de arbetar tillsammans, utveckla sätt att masstillverka de enheter de prototyper.