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生物兼容的水性2D油墨可印刷电路

更新日期:2017-02-16

英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的研究人员利用石墨烯、二硫化钼(MoS2)、二硫化钨(WS2)或六方晶系氮化硼(h-BN)等二维(2D)材料的特性,成功开发出喷墨印刷用的水性油墨,不仅具有生物兼容性,且可用于印刷各种不同的电子电路。

研究人员先将导电或半导电油墨中经常用于分散活性材料的昂贵且有毒溶剂去除后,调制出水性的油墨,可用于制造薄膜异质结构。每次在纸上印刷时仅产生2D材料的薄层(每次的厚度约5nm),即可堆栈成精密的电子电路,而无需任何后处理或高温退火作业。

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水性的2D晶体油墨样本

这项研究发表于《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)期刊的“生物兼容的水性2D晶体油墨可实现全喷墨印刷异质结构”(Water-based and biocompatible 2D crystal inks for all-inkjet-printed heterostructures)。该论文第一作者Daryl McManus指出,他们使用的是可扩展的制造过程,而无需任何溶剂交换、化学处理或严苛的条件,同时,油墨成份也经优化,为多堆栈形成实现理想的薄膜沉积,而无需在接口处再次分配材料,而影响组件的性能。

为了证明其2D晶体油墨的可行性,研究人员经过多次印刷,印制出由几种材料层相互堆栈组成的各种不同电子路。

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在Si/SiO2基板上印刷出由GrB/WS2/GrT堆栈成的光探测器

他们在硅/二氧化硅(Si/SiO2)基板上制作16个光探测器的数组,并先为每个光探测器印刷约50um厚的石墨烯线作为底部电极(GrB)、厚度约100nm的WS2作为光敏组件,然后再次以石墨烯打印顶部电极,垂直于底线(GrT)。研究人员并以不同的雷射功率测试光探测器后发现,16个异质结构的光探测器均具有相同的I-V性,实际上可在Si/SiO上实现100%的制造良率,并证实这种层迭/印刷过程的可重复性。

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在PET上印刷出Gr/WS2/Gr光探测器数组

研究人员并在30×40mm的PET聚脂薄膜上印刷20个GrB/WS2/GrT光探测器数组,这些组件在毫无任何退火的情况下操作,而且在薄膜弯曲时仍能保持作业(在弯曲试验期间,光电流的稳定度高达2%的应变)。

这项研究由该校教授Cinzia Casiraghi领导,研究人员们还印制出一种由2D晶体制成的只读存储器。在制造期间,藉由将石墨烯的水平(字符线)和垂直(位线)条带接触(储存逻辑’1′)或藉由WS2层(形成逻辑’0′)绝缘,而将字符编码至内存组件中。

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由喷墨石墨烯制成的水平线(字符线)和垂直(位线)线共同组成的可印式只读存储器。逻辑’1’储存于字符线与位线的交叉处,而逻辑’0’则由二者之间印刷WS2进行编程。图中显示4位的内存储存‘1010’这个字

在字符在线施加0.5V电压,即可读取储存的字,并在位在线的电阻器读出偏置电压。

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制造组件的微图形影像,附加偏置电压(Vp)源与负载电阻(RL)

研究人员并以一连串的细胞毒性研究来推论其实结果,以评估这些水性油墨的生物兼容性。研究人员根据实验结果指出,这种油墨将是无害的,足以大规模地用于智能包装和辨识标签等应用。

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