Grafene Cetak Inkjet: Masa Depan Elektronik 3D-Printed
Peneliti di University of Nottingham telah mengpecahkan teka-teki bagaimana menggunakan tintah untuk mencetak 3D perangkat elektronik baru dengan properti berguna, seperti kemampuan untuk mengubah cahaya menjadi listrik. Studi mereka menunjukkan bahwa mungkin untuk mencetak tintah yang mengandung flake kecil materi 2D seperti grafene, untuk membangun dan memajang bersama lapisan-lapisan dari struktur kompleks yang disesuaikan ini.
Dengan pemodelan mekanika kuantum, para peneliti juga menentukan bagaimana elektron Bergerak melalui lapisan materi 2D, untuk sepenuhnya memahami bagaimana perangkat dapat dimodifikasi di masa depan.
Sering digambarkan sebagai ‘materi super’, grafene pertama kali dibuat pada 2004. Ia menunjukkan banyak properti unik termasuk lebih kuat dari baja, sangat fleksibel, dan pengantar listrik terbaik yang pernah dibuat. Materi dua dimensi seperti grafene biasanya dibuat dengan melepas secara berurutan satu lapisan atom karbon — yang tersusun dalam lembar datar — yang kemudian digunakan untuk menghasilkan struktur khusus. Namun, menghasilkan lapisan dan menggabungkannya untuk membuat materi kompleks seperti sandwich telah sulit dan biasanya telah memerlukan penempatkan lapisan satu per satu secara manual yang menyakitkan.
“Dengan menghubungkan konsep dasar dalam fisika kuantum dengan teknik modern, kami telah menunjukkan bagaimana perangkat kompleks untuk mengontrol listrik dan cahaya dapat dibuat dengan mencetak lapisan materi yang hanya beberapa atom tebal tetapi beberapa sentimeter lebar. Menurut hukum mekanika kuantum, di mana elektron bertindak sebagai gelombang bukan partikel, kami menemukan bahwa elektron dalam materi 2D bergerak sepanjang trajetori kompleks antara beberapa flake. Tampaknya seolah-olah elektron melompat dari satu flake ke flake lain seperti katak yang melompat di antara daun teratai yang tumpang tindih di permukaan kolam,” ujar Professor Mark Fromhold, Kepala Sekolah Fisika dan Astronomi.
Sejak penemuannya, telah terjadi pertumbuhan eksponensial dalam jumlah paten yang melibatkan grafene. Namun, untuk mengeksploitasi potensinya sepenuhnya, teknik manufaktur yang dapat diskalakan perlu dikembangkan. Penelitian baru ini menunjukkan bahwa manufaktur tambahan — pencetakan 3D — menggunakan tintah, di mana flake kecil grafene (beberapa miliar meter) tersuspensi, memberikan solusi yang menjanjikan. Dengan menggabungkan teknik manufaktur canggih untuk membuat perangkat, bersama dengan cara canggih untuk mengukur properti mereka, dan pemodelan gelombang kuantum, tim telah menentukan tepat bagaimana grafene cetak inkjet dapat dengan sukses menggantikan grafene satu lapisan sebagai material kontak untuk semi logam 2D.
“Meskipun lapisan dan perangkat 2D telah dicetak 3D sebelumnya, ini adalah pertama kalinya seseorang mengidentifikasi bagaimana elektron Bergerak melalui mereka dan mendemonstrasikan potensi penggunaan lapisan cetak yang digabungkan. Hasil kami dapat menyebabkan aplikasi beragam untuk komposit grafene-polimer cetak inkjet dan berbagai materi 2D lainnya. Temuan dapat digunakan untuk membuat generasi baru perangkat optoelektronik fungsional; misalnya, sel surya besar dan efisien; elektronik wearable, fleksibel yang di dayakan oleh cahaya matahari atau gerakan pemakain; mungkin bahkan komputer yang dicetak,” ujar Dr. Lyudmila Turyanska.
Para peneliti menggunakan berbagai teknik karakterisasi termasuk spektroskopi mikro-Raman (pemindai laser), analisis gravitasi termal, instrumen 3D orbiSIMS baru, dan pengukuran listrik, untuk memberikan pemahaman struktural dan fungsional rinci tentang polimer grafene cetak inkjet dan efek pemanasan (annealing) pada kinerja.
Langkah selanjutnya untuk penelitian adalah untuk mengontrol penempatan flake dengan lebih baik dengan menggunakan polimer untuk mempengaruhi cara mereka menyusun dan meratakan dan mencoba berbagai tintah dengan rentang ukuran flake. Para peneliti juga berharap untuk mengembangkan simulasi komputer yang lebih canggih dari materi dan cara mereka bekerja sama, mengembangkan cara untuk manufaktur massal perangkat yang mereka prototipe.
