近日，英國諾丁漢大學(xué)成功得利用了噴墨打印技術(shù)制作了將光轉(zhuǎn)化為電的儲能器件。研究表明，利用噴墨打印技術(shù)可以噴射包含微小的2D顆粒（例如石墨烯）的油墨，制作復(fù)雜的功能性結(jié)構(gòu)。

通過量子力學(xué)建模分析，研究人員還研究了電子如何在2D材料層中運(yùn)動，從而了解如何改善打印工藝，提升器件性能。諾丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)學(xué)院院長Mark Fromhold教授說: “通過將量子物理學(xué)中的基本概念與最新技術(shù)結(jié)合在一起，我們已經(jīng)證明了如何通過印刷厚度僅為幾個原子但是寬為幾厘米的，用于控制光和電的復(fù)雜薄膜器件。

石墨烯最早是在2004年被發(fā)現(xiàn)，通常被稱為“超級材料”， 具有很多獨(dú)特的物理化學(xué)特性，例如比鋼材更堅(jiān)固，具有更好的柔韌性以及非常優(yōu)秀的導(dǎo)電性能。石墨烯這樣的二維材料通常是通過剝落單層碳原子（排列在平板中）制成的，然后將其排列成特殊的結(jié)構(gòu)。然而，制作原子層并將其排列來合成復(fù)雜的，類似三明治的材料一直是具有極高的挑戰(zhàn)性。 自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)至今，涉及石墨烯的專利數(shù)量呈指數(shù)增長。

根據(jù)量子力學(xué)原理， 電子在材料中表現(xiàn)波的行為。我們發(fā)現(xiàn)二維材料中的電子沿著復(fù)雜的軌跡在不同納米顆粒中跳躍，就像青蛙在池塘表面的荷葉間跳躍”。電子的穿隧（Tunneling）效應(yīng)和躍遷(Hopping)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料中常見的導(dǎo)電行為，下圖為某OLED器件結(jié)構(gòu)中兩種電子移動行為。

為了實(shí)現(xiàn)石墨烯的量產(chǎn)應(yīng)用，充分利用其優(yōu)秀的技術(shù)特性，產(chǎn)業(yè)界亟需可量產(chǎn)的生產(chǎn)工藝。諾丁漢大學(xué)的研究表明，使用油墨進(jìn)行增材制造（或3D打印）是一種有非常有效的解決方案，油墨中懸浮著微小的石墨烯薄片（數(shù)十億分之一米）。通過先進(jìn)的3D增材制造技術(shù)來制造器件，同時表征器件性能，建立相關(guān)的量子力學(xué)模型，該團(tuán)隊(duì)證明了噴墨打印的石墨烯在導(dǎo)電性能上優(yōu)于單層石墨烯，更適合做半導(dǎo)體器件中的導(dǎo)電材料。

“盡管有人已經(jīng)證明過二位石墨烯的打印，但這是第一次有人嘗試去解析電子的在石墨烯中的移動行為。我們的研究成果可以用于很多石墨烯或者很多其他的二維材料的印刷工藝的開發(fā)，制作下一代功能性的光電器件，例如大尺寸的高效太陽能電池，可穿戴器件等，” 來自增材制造中心（Center for Additive Manufacturing）的Lyudmila Turyanska博士這樣說道。