Cara Membuat Barang Elektronik Masa Depan Menggunakan Ink-Jet Printed Graphene
Para peneliti di University of Nottingham telah memecahkan teka-teki tentang bagaimana menggunakan tinta untuk mencetak perangkat elektronik baru 3D dengan sifat yang berguna, seperti kemampuan untuk mengubah cahaya menjadi listrik. Studi mereka menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk menyemprotkan tinta yang mengandung serpihan kecil bahan 2D seperti graphene, untuk membangun dan menyatukan lapisan berbeda dari struktur khusus yang kompleks ini.
Dengan menggunakan pemodelan mekanika kuantum, para peneliti juga menunjukkan dengan tepat bagaimana elektron bergerak melalui lapisan material 2D, untuk sepenuhnya memahami bagaimana perangkat dapat dimodifikasi di masa depan.
Sering digambarkan sebagai 'bahan super', graphene pertama kali dibuat pada tahun 2004. Grafena menunjukkan banyak sifat unik termasuk lebih kuat dari baja, sangat fleksibel, dan konduktor listrik terbaik yang pernah dibuat. Bahan dua dimensi seperti graphene biasanya dibuat dengan pengelupasan berurutan satu lapisan atom karbon - disusun dalam lembaran datar - yang kemudian digunakan untuk menghasilkan struktur dipesan lebih dahulu. Namun, memproduksi lapisan dan menggabungkannya untuk membuat bahan yang rumit seperti sandwich itu sulit dan biasanya membutuhkan pengendapan lapisan yang telaten satu per satu dengan tangan.
“Dengan menghubungkan konsep-konsep dasar dalam fisika kuantum dengan rekayasa canggih, kami telah menunjukkan bagaimana perangkat kompleks untuk mengendalikan listrik dan cahaya dapat dibuat dengan mencetak lapisan material yang tebalnya hanya beberapa atom tetapi lebarnya beberapa sentimeter. Menurut hukum mekanika kuantum, di mana elektron bertindak sebagai gelombang daripada partikel, kami menemukan bahwa elektron dalam bahan 2D bergerak di sepanjang lintasan kompleks antara beberapa serpihan. Tampaknya elektron melompat dari satu serpihan ke serpihan lainnya seperti katak yang melompat di antara daun bunga bakung yang tumpang tindih di permukaan kolam,” kata Profesor Mark Fromhold, Kepala Sekolah Fisika dan Astronomi.
Sejak penemuannya, telah terjadi pertumbuhan eksponensial dalam jumlah paten yang melibatkan graphene. Namun, untuk sepenuhnya memanfaatkan potensinya, teknik manufaktur yang terukur perlu dikembangkan. Penelitian baru ini menunjukkan bahwa manufaktur aditif — pencetakan 3D — menggunakan tinta, di mana serpihan kecil graphene (beberapa miliar meter) ditangguhkan, memberikan solusi yang menjanjikan. Dengan menggabungkan teknik manufaktur canggih untuk membuat perangkat, bersama dengan cara-cara canggih untuk mengukur propertinya, dan pemodelan gelombang kuantum, tim tersebut bekerja dengan tepat bagaimana graphene yang dicetak dengan inkjet dapat berhasil menggantikan graphene lapisan tunggal sebagai bahan kontak untuk semikonduktor logam 2D.
“Sementara lapisan dan perangkat 2D telah dicetak 3D sebelumnya, ini adalah pertama kalinya ada orang yang mengidentifikasi bagaimana elektron bergerak melalui mereka dan menunjukkan potensi penggunaan untuk gabungan, lapisan tercetak. Hasil kami dapat mengarah pada beragam aplikasi untuk komposit polimer graphene yang dicetak dengan inkjet dan berbagai bahan 2D lainnya. Temuan ini dapat digunakan untuk membuat generasi baru perangkat optoelektronik fungsional; misalnya sel surya yang besar dan efisien; elektronik fleksibel yang dapat dikenakan yang ditenagai oleh sinar matahari atau gerakan pemakainya; bahkan mungkin komputer cetak,” kata Dr. Lyudmila Turyanska.
Para peneliti menggunakan berbagai teknik karakterisasi termasuk spektroskopi mikro-Raman (pemindaian laser), analisis gravitasi termal, instrumen orbiSIMS 3D baru, dan pengukuran listrik, untuk memberikan pemahaman struktural dan fungsional rinci tentang polimer graphene yang dicetak inkjet dan efek dari perlakuan panas (anil) pada kinerja.
Langkah selanjutnya untuk penelitian ini adalah untuk lebih mengontrol pengendapan serpihan dengan menggunakan polimer untuk mempengaruhi cara mereka mengatur dan menyelaraskan dan mencoba tinta yang berbeda dengan berbagai ukuran serpihan. Para peneliti juga berharap untuk mengembangkan simulasi komputer yang lebih canggih dari bahan dan cara mereka bekerja bersama, mengembangkan cara pembuatan massal perangkat yang mereka prototipe.
