美用石墨烯油墨打印出高導(dǎo)電柔性電極

美國(guó)西北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院研究人員使用含有微小石墨烯薄片油墨，以噴墨打印模式，打印出導(dǎo)電性能提高250倍、折疊時(shí)電導(dǎo)率僅有輕微下降的柔性電極，未來(lái)有可能低廉、大幅、可折疊且精美細(xì)致的電子設(shè)備。該研究成果發(fā)表在一期《物理化學(xué)快報(bào)》上。

    研究人員伊桑·B·西科爾解釋說(shuō)，噴墨打印可低成本、大面積地打印出柔性基底，是電子元件的一個(gè)有吸引力的方法。先前的研究已經(jīng)噴墨打印出晶體管、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管、傳感器等各種元器件，但打印高導(dǎo)電電極仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槠湟蠓浅＞?xì)的分辨率。而新研究轉(zhuǎn)向具有高導(dǎo)電性、化學(xué)性穩(wěn)定的石墨烯，希望石墨烯可作為油墨打印出電極。

    石墨烯打印zui重要步驟之一是獲得大量的石墨烯。目前通過(guò)剝離純凈石墨烯的方法中，通常使用的溶劑和表面活性劑會(huì)留下殘余物，從而降低其導(dǎo)電率。另一個(gè)問(wèn)題是，小的石墨片對(duì)印刷穩(wěn)定性的要求很高，且其大量片狀交界處也降低了導(dǎo)電性。

    為克服這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)發(fā)出一種新方法，可在室溫中使用乙醇作為溶劑和乙基纖維素作為穩(wěn)定的表面活性劑，乙醇和乙基纖維素都不會(huì)產(chǎn)生殘留物。新方法產(chǎn)生出的石墨烯黑色粉末中，石墨烯薄片的尺寸約為50×50平方納米，厚度約為2納米。雖然這種小片狀尺寸的石墨烯間會(huì)有無(wú)數(shù)雪花狀的連接，但與其他表面活性劑相比，乙基纖維素聚合物的高穩(wěn)定大大減少了薄片之間的電阻。

    研究人員把石墨烯黑色粉末分散到溶劑中創(chuàng)建液體墨汁。在演示中發(fā)現(xiàn)，石墨烯油墨在印刷中表現(xiàn)出優(yōu)良的形態(tài)和導(dǎo)電性，打印的模式很適合印刷電極。他們還以聚酰亞胺為基板，評(píng)估了石墨烯油墨的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)油墨的導(dǎo)電性能很高，即使基板發(fā)生很大彎曲，甚至開(kāi)始出現(xiàn)裂痕，導(dǎo)電性仍維持不變。當(dāng)他們將基板折疊，該油墨的導(dǎo)電性?xún)H減少了5%。機(jī)械性能試驗(yàn)表明，石墨烯油墨在未來(lái)可被用于折疊式電子設(shè)備。

    該大學(xué)馬克教授說(shuō)：“從本質(zhì)上講，所有的電子設(shè)備和電路需要高導(dǎo)電性和高解析度的電子接點(diǎn)和互連。因此，石墨烯油墨有可能影響到很寬廣的應(yīng)用范圍，特別是柔性電子產(chǎn)品、折疊式電子設(shè)備。這些類(lèi)型的電子設(shè)備的應(yīng)用包括智能、平板電腦、平板顯示器和太陽(yáng)能電池。