(Phys.org) — Met een inkt die kleine grafeenvlokken bevat, wetenschappers hebben inkjet-geprinte grafeenpatronen die kunnen worden gebruikt voor het printen van fijn gedetailleerde, sterk geleidende elektroden. Hoewel inkjet-geprint grafeen eerder is aangetoond, de grafeenpatronen die in de nieuwe studie zijn afgedrukt, zijn ongeveer 250 keer meer geleidend dan eerdere patronen. De gedrukte grafeeninkt is ook zeer tolerant voor buigspanningen, met het vermogen om vouwen te weerstaan ​​met slechts een lichte afname van de geleidbaarheid.

De onderzoekers, Ethan B. Secor, et al., aan de Northwestern University in Evanston, Illinois, hebben hun studie over inkjetprinten van grafeenpatronen gepubliceerd in een recent nummer van The Journal of Physical Chemistry Letters .

Zoals de onderzoekers uitleggen, inkjetprinten is een aantrekkelijke methode voor het printen van elektronische componenten omdat het goedkoop is, kan grote gebieden afdrukken, en kan printen op flexibele substraten. Onderzoekers hebben eerder inkjetprinten gebruikt om een ​​verscheidenheid aan componenten te fabriceren, zoals transistors, zonnepanelen, LED's, en sensoren. Echter, het printen van sterk geleidende elektroden is nog steeds een uitdaging vanwege de vereiste voor een zeer fijne resolutie. Onlangs, onderzoekers zijn overgestapt op grafeen vanwege zijn hoge geleidbaarheid, chemische stabiliteit, en intrinsieke flexibiliteit in vergelijking met andere inkten, in de hoop dat op grafeen gebaseerde inkten zouden kunnen worden gebruikt voor het printen van elektroden.

Een van de belangrijkste stappen bij het printen met grafeeninkt is het verkrijgen van een grote hoeveelheid grafeen. Er zijn verschillende methoden om grafeen in massa te produceren, maar degene met voordelen voor inkjetprinten is afschilfering - of het uiteenvallen - van andere materialen zoals grafiet of gereduceerd grafeenoxide (RGO) om grafeenvlokken te produceren. Eerdere studies hebben inkjetprinten van geëxfolieerde RGO-vlokken voor elektroden aangetoond, sensoren, en andere toepassingen. Echter, de elektrische eigenschappen van RGO-vlokken, die koolstof bevatten, zuurstof, en waterstofatomen, zijn inferieur aan de eigenschappen van ongerepte grafeenvlokken, die alleen koolstofatomen bevatten.

De methoden die momenteel worden gebruikt om ongerept grafeen te produceren door middel van exfoliatie, hebben enkele uitdagingen ondervonden. Het proces vereist meestal oplosmiddelen en oppervlakteactieve stoffen die residuen achterlaten op het grafeen, waardoor de geleidbaarheid afneemt. Een ander probleem is dat, terwijl kleine grafeenvlokken nodig zijn voor stabiel printen, ze verhogen het aantal vlok-naar-vlokverbindingen, wat ook de geleidbaarheid vermindert.

In de nieuwe studie de wetenschappers ontwikkelden een nieuwe aanpak die deze problemen overwint. Het nieuwe proces bij kamertemperatuur maakt gebruik van ethanol als oplosmiddel en ethylcellulose als stabiliserend polymeer, geen van beide laat een residu achter. Deze methode levert hoge opbrengsten op van een zwart poeder met een grafeengehalte van 15%, wat hoger is dan de meeste eerdere methoden. De grafeenvlokken in het poeder hebben een dikte van ongeveer 2 nm en een oppervlakte van ongeveer 50 x 50 nm ² . Hoewel een dergelijke kleine vlokgrootte resulteert in talrijke vlok-tot-vlokverbindingen, het ethylcellulose stabiliserende polymeer vermindert de weerstand tussen vlokken beter dan andere oppervlakteactieve stoffen.

De onderzoekers verspreidden het zwarte poeder vervolgens in een oplosmiddel om een ​​vloeibare inkt te creëren die kan worden gebruikt voor afdrukken. Ze demonstreerden inkjetprinten met de op grafeen gebaseerde inkt en ontdekten dat de uitstekende morfologie en geleidbaarheid van de inkt het printen van precieze patronen mogelijk maakte die geschikt zijn voor het printen van elektroden. De onderzoekers konden ook meerdere inktlagen printen met behoud van uniforme patronen, waarbij elke laag ongeveer 14 nm aan de dikte toevoegt.

De onderzoekers beoordeelden de mechanische eigenschappen van de drukinkt door lijnen af ​​te drukken op flexibele polyimidesubstraten. Ze ontdekten dat de geleidbaarheid van de inkt vrijwel onveranderd bleef, zelfs bij hoge buigradiussen van minder dan 1 mm, ook al begon de ondergrond te barsten. Zelfs toen de onderzoekers een substraat met gedrukte kenmerken vouwden, de inkt vertoonde slechts een afname van 5% in geleidbaarheid die waarschijnlijk kan worden toegeschreven aan scheuren in het substraat in plaats van schade aan de inkt zelf. De mechanische tests suggereren dat grafeeninkten in de toekomst kunnen worden gebruikt om opvouwbare elektronische apparaten te maken.

"In wezen hadden alle elektronische apparaten en circuits elektrische contacten en verbindingen met een hoog geleidingsvermogen en een hoge resolutie nodig, " co-auteur Mark Hersam, een professor in Materials Science and Engineering aan de Northwestern University, vertelde Phys.org . "Daarom, onze grafeeninkten hebben het potentieel om een ​​breed scala aan toepassingen te beïnvloeden, vooral gedrukte elektronica, flexibele elektronica, en opvouwbare elektronica. Voorbeelden van downstreamtoepassingen voor dit soort elektronische apparaten zijn smartphones, tabletten, vlakke paneelvertoningen, en fotovoltaïsche installaties."

In de toekomst, de onderzoekers gaan aan de slag om de nieuwe grafeeninkt op dit soort toepassingen toe te passen.

"Zo ver, we hebben de ontwikkeling en karakterisering van grafeeninkt bereikt, "Zei Hersam. "Aan de andere kant, ons toekomstig onderzoek zal zich richten op de integratie van onze gedrukte grafeeninkten in volledig gefabriceerde elektronische apparaten en circuits, inclusief de hierboven genoemde downstream-toepassingen. Op deze manier, we kunnen onze vooruitgang in fundamenteel onderzoek ten volle benutten voor real-world technologie."

Copyright 2013 Phys.org
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van Phys.org.