Cómo hacer la electrónica del mañana usando grafeno impreso con inyección de tinta

Investigadores de la Universidad de Nottingham han resuelto el enigma de cómo usar tintas para imprimir en 3D nuevos dispositivos electrónicos con propiedades útiles, como la capacidad de convertir la luz en electricidad. Su estudio muestra que es posible inyectar tintas que contienen copos diminutos de materiales 2D, como el grafeno, para construir y unir las diferentes capas de estas complejas estructuras personalizadas.

Usando modelos mecánicos cuánticos, los investigadores también identificaron cómo los electrones se mueven a través de las capas de material 2D, para comprender completamente cómo se pueden modificar los dispositivos en el futuro.

A menudo descrito como un "súper material", el grafeno se creó por primera vez en 2004. Exhibe muchas propiedades únicas que incluyen ser más fuerte que el acero, altamente flexible y el mejor conductor de electricidad jamás creado. Los materiales bidimensionales como el grafeno generalmente se fabrican exfoliando secuencialmente una sola capa de átomos de carbono, dispuestos en una hoja plana, que luego se utilizan para producir estructuras a medida. Sin embargo, producir capas y combinarlas para hacer materiales complejos tipo sándwich ha sido difícil y, por lo general, ha requerido una minuciosa deposición manual de las capas una por una.

“Al vincular conceptos fundamentales de la física cuántica con ingeniería de vanguardia, hemos demostrado cómo se pueden fabricar dispositivos complejos para controlar la electricidad y la luz mediante la impresión de capas de material que tienen solo unos pocos átomos de espesor pero centímetros de ancho. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica, en las que los electrones actúan como ondas en lugar de partículas, descubrimos que los electrones en materiales 2D viajan a lo largo de trayectorias complejas entre múltiples copos. Parece como si los electrones saltaran de un copo a otro como una rana saltando entre nenúfares superpuestos en la superficie de un estanque”, dijo el profesor Mark Fromhold, director de la Facultad de Física y Astronomía.

Desde su descubrimiento, ha habido un crecimiento exponencial en el número de patentes relacionadas con el grafeno. Sin embargo, para explotar al máximo su potencial, es necesario desarrollar técnicas de fabricación escalables. Esta nueva investigación muestra que la fabricación aditiva (impresión 3D) que utiliza tintas, en las que se suspenden pequeños copos de grafeno (unas pocas mil millonésimas de metro de ancho), proporciona una solución prometedora. Al combinar técnicas de fabricación avanzadas para fabricar dispositivos, junto con formas sofisticadas de medir sus propiedades y el modelado de ondas cuánticas, el equipo descubrió exactamente cómo el grafeno impreso con inyección de tinta puede reemplazar con éxito al grafeno de una sola capa como material de contacto para semiconductores metálicos 2D.

“Si bien las capas y los dispositivos 2D se han impreso en 3D antes, esta es la primera vez que alguien identifica cómo se mueven los electrones a través de ellos y demuestra los usos potenciales de las capas impresas combinadas. Nuestros resultados podrían conducir a diversas aplicaciones para compuestos de polímero de grafeno impresos con inyección de tinta y una gama de otros materiales 2D. Los hallazgos podrían emplearse para crear una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos funcionales; por ejemplo, celdas solares grandes y eficientes; dispositivos electrónicos portátiles y flexibles que funcionan con la luz solar o el movimiento del usuario; tal vez incluso computadoras impresas”, dijo la Dra. Lyudmila Turyanska.

Los investigadores utilizaron una amplia gama de técnicas de caracterización, incluida la espectroscopia micro-Raman (escaneo láser), análisis de gravedad térmica, un nuevo instrumento orbiSIMS 3D y mediciones eléctricas, para proporcionar una comprensión estructural y funcional detallada de los polímeros de grafeno impresos con inyección de tinta y los efectos de tratamiento térmico (recocido) en el rendimiento.

Los siguientes pasos de la investigación son controlar mejor la deposición de las escamas mediante el uso de polímeros para influir en la forma en que se organizan y alinean y probar diferentes tintas con una variedad de tamaños de escamas. Los investigadores también esperan desarrollar simulaciones por computadora más sofisticadas de los materiales y la forma en que trabajan juntos, desarrollando formas de fabricar en masa los dispositivos que crean prototipos.