英國曼徹斯特大學(University of Manchester)的研究人員利用石墨烯、二硫化鉬(MoS2)、二硫化鎢(WS2)或六方晶系氮化硼(h-BN)等二維(2D)材料的特性,成功開發出噴墨印刷用的水性油墨,不僅具有生物相容性,且可用於印刷各種不同的電子電路。

研究人員先將導電或半導電油墨中經常用於分散活性材料的昂貴且有毒溶劑去除後,調製出水性的油墨,可用於製造薄膜異質結構。每次在紙上印刷時僅產生2D材料的薄層(每次的厚度約5nm),即可堆疊成精密的電子電路,而無需任何後處理或高溫退火作業。

20170209 ink NT01P1 水性的2D晶體油墨樣本

這項研究發表於《自然奈米技術》(Nature Nanotechnology)期刊的「生物相容的水性2D晶體油墨可實現全噴墨印刷異質結構」(Water-based and biocompatible 2D crystal inks for all-inkjet-printed heterostructures)。該論文第一作者Daryl McManus指出,他們使用的是可擴展的製造過程,而無需任何溶劑交換、化學處理或嚴苛的條件,同時,油墨成份也經最佳化,為多堆疊形成實現理想的薄膜沉積,而無需在介面處再次分配材料,而影響元件的性能。

為了證明其2D晶體油墨的可行性,研究人員經過多次印刷,印製出由幾種材料層相互堆疊組成的各種不同電子路。

20170209 ink NT01P2 在Si/SiO2基板上印刷出由GrB/WS2/GrT堆疊成的光探測器

他們在矽/二氧化矽(Si/SiO2)基板上製作16個光探測器的陣列,並先為每個光探測器印刷約50um厚的石墨烯線作為底部電極(GrB)、厚度約100nm的WS2作為光敏元件,然後再次以石墨烯列印頂部電極,垂直於底線(GrT)。研究人員並以不同的雷射功率測試光探測器後發現,16個異質結構的光探測器均具有相同的I-V性,實際上可在Si/SiO上實現100%的製造良率,並證實這種層疊/印刷過程的可重覆性。

20170209 ink NT01P3 在PET上印刷出Gr/WS2/Gr光探測器陣列

研究人員並在30×40mm的PET聚脂薄膜上印刷20個GrB/WS2/GrT光探測器陣列,這些元件在毫無任何退火的情況下操作,而且在薄膜彎曲時仍能保持作業(在彎曲試驗期間,光電流的穩定度高達2%的應變)。

這項研究由該校教授Cinzia Casiraghi領導,研究人員們還印製出一種由2D晶體製成的唯讀記憶體。在製造期間,藉由將石墨烯的水平(字元線)和垂直(位元線)條帶接觸(儲存邏輯'1')或藉由WS2層(形成邏輯'0')絕緣,而將字元編碼至記憶體元件中。

20170209 ink NT01P4 由噴墨石墨烯製成的水平線(字元線)和垂直(位元線)線共同組成的可印式唯讀記憶體。邏輯'1'儲存於字元線與位元線的交叉處,而邏輯'0'則由二者之間印刷WS2進行編程。圖中顯示4位元的記憶體儲存‘1010’這個字

在字元線上施加0.5V電壓,即可讀取儲存的字,並在位元線上的電阻器讀出偏置電壓。

20170209 ink NT01P5 製造元件的微圖形影像,附加偏置電壓(Vp)源與負載電阻(RL)

研究人員並以一連串的細胞毒性研究來推論其實結果,以評估這些水性油墨的生物相容性。研究人員根據實驗結果指出,這種油墨將是無害的,足以大規模地用於智慧包裝和辨識標籤等應用。