電子トンネルを利用したデバイスのための3Dプリントグラフェン/ポリマー構造

3D-printed graphene/polymer structures for electron-tunneling based devices.

• Deisy C Carvalho Fernandes
• Dylan Lynch
• Vikas Berry

抄録

このような構造内での電子輸送がよく理解されている電子材料を用いて3Dプリントされたマイクロアーキテクチャを設計することは、「オンデマンド」アプリケーションのためのアクセス可能なデバイス製造につながる可能性がある。ここでは、市販されているグラフェン/ポリ乳酸のナノ複合体の制御されたノズル押出しベースの3Dプリントを紹介し、導電性グラフェン中心間の電子トンネル障壁幅の再調整を介して機能する引張ゲージの作製を可能にした。グラフェン/ポリマー3Dプリント構造体の電子輸送は、トンネル幅が0.79〜0.95nm、グラフェン中心のキャリア濃度が2.66×10/cmのファウラー・ノルトハイム機構を示した。さらに、グラフェンナノ構造(~38nm)間の電子トンネル幅を0.19"Lu_1FA"だけ増加させる機械的ひずみは、3Dプリントされたヘテロ構造のポリ乳酸接合を通る電子束を1e/s/nm(18.51から19.51e/s/nm)減少させる。これは2.59Ω/Ω%の感度に相当し、他の引張測定器と比較して良好な結果を得た。提案した熱膨張と外部ひずみを伴う導電性3Dプリント構造のための電子トンネルモデルは、次世代の「オンデマンド」プリントされた電子・電気機械デバイスの設計の進化につながるものと期待しています。

Designing 3D printed micro-architectures using electronic materials with well-understood electronic transport within such structures will potentially lead to accessible device fabrication for 'on-demand' applications. Here we show controlled nozzle-extrusion based 3D printing of a commercially available nano-composite of graphene/polylactic acid, enabling the fabrication of a tensile gauge functioning via the readjustment of the electron-tunneling barrier width between conductive graphene-centers. The electronic transport in the graphene/polymer 3D printed structure exhibited the Fowler Nordheim mechanism with a tunneling width of 0.79-0.95 nm and graphene centers having a carrier concentration of 2.66 × 10/cm. Furthermore, a mechanical strain that increases the electron-tunneling width between graphene nanostructures (~ 38 nm) by only 0.19 Ǻ reduces the electron flux by 1e/s/nm (from 18.51 to 19.51 e/s/nm) through the polylactic acid junctions in the 3D-printed heterostructure. This corresponds to a sensitivity of 2.59 Ω/Ω%, which compares well with other tensile gauges. We envision that the proposed electron-tunneling model for conductive 3D-printed structures with thermal expansion and external strain will lead to an evolution in the design of next-generation of 'on-demand' printed electronic and electromechanical devices.