Kahemõõtmelised materjalid, näiteks grafeen, sobivad nii tavapäraste pooljuhtide rakenduste kui ka paindliku elektroonika uute rakenduste jaoks. Grafeeni kõrge tõmbetugevus põhjustab aga madala pinge korral purunemist, mistõttu on keeruline selle erakordseid elektroonilisi omadusi venivas elektroonikas ära kasutada. Läbipaistvate grafeenjuhtide suurepärase pingest sõltuva jõudluse tagamiseks lõime virnastatud grafeenikihtide vahele grafeenist nanorullid, mida nimetatakse mitmekihilisteks grafeeni/grafeenirullideks (MGG-d). Pinge all sillutasid mõned rullid grafeeni fragmenteeritud domeene, säilitades perkolatsioonivõrgustiku, mis võimaldas suurepärast juhtivust suurte pingete korral. Elastomeeridele toetatud kolmekihilised MGG-d säilitasid 100% pinge korral, mis on risti voolu suunaga, 65% oma algsest juhtivusest, samas kui nanorullideta grafeeni kolmekihilised kiled säilitasid vaid 25% oma algsest juhtivusest. MGG-sid elektroodidena kasutades valmistatud venitav täissüsinikust transistor näitas läbilaskvust >90% ja säilitas 120% pinge korral (paralleelselt laengu transpordi suunaga) 60% oma algsest voolutugevusest. Need väga venivad ja läbipaistvad süsiniktransistorid võiksid võimaldada keerukat venitavat optoelektroonikat.
Venitatav läbipaistev elektroonika on kasvav valdkond, millel on olulised rakendused täiustatud biointegratsioonisüsteemides (1, 2) ning potentsiaal integreerida see venitatava optoelektroonikaga (3, 4), et toota keerukaid pehmeid robootikaseadmeid ja ekraane. Grafeenil on väga soovitavad omadused nagu aatomi paksus, suur läbipaistvus ja kõrge juhtivus, kuid selle rakendamist venitatavates rakendustes on takistanud selle kalduvus väikeste pingete korral praguneda. Grafeeni mehaaniliste piirangute ületamine võib võimaldada uut funktsionaalsust venitatavates läbipaistvates seadmetes.
Grafeeni ainulaadsed omadused teevad sellest tugeva kandidaadi järgmise põlvkonna läbipaistvate juhtivate elektroodide jaoks (5, 6). Võrreldes kõige sagedamini kasutatava läbipaistva juhiga, indiumtinaoksiidiga [ITO; 100 oomi/ruut (ruutkilo) 90% läbipaistvuse juures], on keemilise aurustamise (CVD) teel kasvatatud monokihilisel grafeenil sarnane lehttakistuse (125 oomi/ruutkilo) ja läbipaistvuse (97,4%) kombinatsioon (5). Lisaks on grafeenkiledel ITO-ga võrreldes erakordne paindlikkus (7). Näiteks plastaluspinnal säilib selle juhtivus isegi 0,8 mm painutusraadiuse korral (8). Läbipaistva ja painduva juhi elektrilise jõudluse edasiseks parandamiseks on varasemates töödes välja töötatud grafeeni hübriidmaterjale ühemõõtmeliste (1D) hõbenanotraatide või süsiniknanotorudega (CNT-dega) (9–11). Lisaks on grafeeni kasutatud elektroodidena segamõõtmeliste heterostruktuuriliste pooljuhtide (näiteks 2D räni, 1D nanotraadid/nanotorud ja 0D kvantpunktid) (12), painduvate transistoride, päikesepatareide ja valgusdioodide (LED-ide) (13–23) jaoks.
Kuigi grafeen on näidanud paljulubavaid tulemusi paindliku elektroonika valdkonnas, on selle rakendamist venivas elektroonikas piiranud selle mehaanilised omadused (17, 24, 25); grafeeni tasapinnaline jäikus on 340 N/m ja Youngi moodul 0,5 TPa (26). Tugev süsinik-süsinikvõrgustik ei paku rakendatud deformatsiooni jaoks mingeid energia hajumise mehhanisme ja seetõttu praguneb see kergesti alla 5% deformatsiooni korral. Näiteks polüdimetüülsiloksaani (PDMS) elastsele aluspinnale kantud CVD-grafeen suudab säilitada oma juhtivuse ainult alla 6% deformatsiooni korral (8). Teoreetilised arvutused näitavad, et kortsumine ja erinevate kihtide vastastikmõju peaksid jäikust oluliselt vähendama (26). Grafeeni mitmeks kihiks virnastamisel on teatatud, et see kahe- või kolmekihiline grafeen on venitatav kuni 30% deformatsioonini, näidates 13 korda väiksemat takistuse muutust kui ühekihilisel grafeenil (27). See venivus on aga siiski oluliselt halvem kui tipptasemel venitatavatel juhtidel (28, 29).
Venitatavate rakenduste puhul on transistorid olulised, kuna need võimaldavad keerukat andurite lugemist ja signaalianalüüsi (30, 31). Mitmekihilise grafeeniga lähte-/äravooluelektroodide ja kanalimaterjaliga PDMS-il olevad transistorid suudavad säilitada elektrilise funktsiooni kuni 5% deformatsioonini (32), mis on oluliselt alla kantavate tervise jälgimise andurite ja elektroonilise naha minimaalselt nõutava väärtuse (~50%) (33, 34). Hiljuti on uuritud grafeen-kirigami lähenemisviisi ning vedela elektrolüüdiga juhitavat transistorit saab venitada kuni 240% (35). See meetod nõuab aga suspendeeritud grafeeni, mis raskendab valmistamisprotsessi.
Siin saavutame ülimalt venivaid grafeeniseadmeid, paigutades grafeenikihtide vahele grafeenirullid (~1 kuni 20 μm pikkused, ~0,1 kuni 1 μm laiad ja ~10 kuni 100 nm kõrged). Meie hüpotees on, et need grafeenirullid võivad pakkuda juhtivaid teid grafeenilehtede pragude ületamiseks, säilitades seeläbi kõrge juhtivuse pinge all. Grafeenirullid ei vaja täiendavat sünteesi ega protsessi; need moodustuvad loomulikult märgülekande protseduuri käigus. Kasutades mitmekihilisi G/G (grafeen/grafeen) rulle (MGG), grafeenist venitatavaid elektroode (lähte/neelu ja värav) ja pooljuhtivaid CNT-sid, suutsime demonstreerida üliläbipaistvaid ja väga venivaid täissüsinikust transistore, mida saab venitada 120% pingeni (paralleelselt laengu transpordi suunaga) ja säilitada 60% oma algsest voolutugevusest. See on seni kõige venitavam läbipaistev süsinikul põhinev transistor ja see annab piisavalt voolu anorgaanilise LED-i juhtimiseks.
Suure pindalaga läbipaistvate venivate grafeenielektroodide võimaldamiseks valisime Cu-fooliumile CVD-kasvatusega grafeeni. Cu-foolium riputati CVD-kvartstoru keskele, et võimaldada grafeeni kasvu mõlemal küljel, moodustades G/Cu/G struktuure. Grafeeni ülekandmiseks katsime esmalt õhukese polü(metüülmetakrülaadi) (PMMA) kihi, et kaitsta grafeeni ühte külge, millele panime nimeks ülemine grafeen (vastupidi grafeeni teisele küljele) ja seejärel leotati kogu kile (PMMA/ülemine grafeen/Cu/alumine grafeen) (NH4)2S2O8 lahuses, et Cu-foolium söövitada. PMMA-katteta alumisel grafeenil tekivad paratamatult praod ja defektid, mis võimaldavad söövitaval ainel läbi tungida (36, 37). Nagu on näidatud joonisel 1A, pindpinevuse mõjul rullusid vabanenud grafeenidomeenid keradeks ja kinnitusid seejärel ülejäänud ülemisele G/PMMA-kilele. Ülemisi G/G-keerukesi saab üle kanda mis tahes aluspinnale, näiteks SiO2/Si, klaasile või pehmele polümeerile. Selle ülekandeprotsessi mitu korda samale aluspinnale kordamine annab MGG struktuurid.
(A) Veniva elektroodina MGG-de valmistamisprotseduuri skemaatiline illustratsioon. Grafeeni ülekande ajal murti Cu-fooliumil olev grafeeni tagakülg piiridelt ja defektidelt, rulliti suvalisteks kujunditeks ja kinnitati tihedalt ülemiste kilede külge, moodustades nanoskrollid. Neljas joonisfilm kujutab virnastatud MGG struktuuri. (B ja C) Monokihilise MGG kõrge eraldusvõimega TEM-i iseloomustused, keskendudes vastavalt monokihilisele grafeenile (B) ja spiraali (C) piirkonnale. Joonisel (B) olev sisestus on madala suurendusega pilt, mis näitab monokihiliste MGG-de üldist morfoloogiat TEM-võrgus. Joonisel (C) olevad sisestused on intensiivsusprofiilid, mis on võetud piki pildil näidatud ristkülikukujulisi kaste, kus aatomitasandite vahelised kaugused on 0,34 ja 0,41 nm. (D) Süsiniku K-serva EEL-spekter, millel on märgistatud iseloomulikud grafiitsed π* ja σ* piigid. (E) Monokihiliste G/G spiraalide ristlõikeline AFM-pilt, mille kõrgusprofiil on piki kollast punktiirjoont. (F kuni I) Kolmekihilise G optilise mikroskoopia ja AFM-pildid vastavalt ilma (F ja H) ja spiraalidega (G ja I) 300 nm paksusel SiO2/Si aluspinnal. Tüüpilised spiraalid ja kortsud märgistati, et rõhutada nende erinevusi.
Selleks, et kontrollida, kas spiraalid on looduses rullitud grafeen, viisime läbi kõrglahutusega transmissioon-elektronmikroskoopia (TEM) ja elektronenergiakadu (EEL) spektroskoopia uuringud monokihi top-G/G spiraali struktuuridel. Joonis 1B näitab monokihilise grafeeni kuusnurkset struktuuri ja sisestus kujutab TEM-võre ühele süsinikuaugule kaetud kile üldist morfoloogiat. Monokihiline grafeen katab suurema osa võrest ja mõned grafeenihelbed ilmuvad mitme kuusnurksete rõngaste virna juuresolekul (joonis 1B). Üksiku spiraali suumimisel (joonis 1C) täheldasime suurt hulka grafeenivõre ribasid, mille võre vahe on vahemikus 0,34–0,41 nm. Need mõõtmised viitavad sellele, et helbed on juhuslikult rullitud ja ei ole täiuslik grafiit, mille võre vahe on „ABAB” kihtide virnastamisel 0,34 nm. Joonis 1D näitab süsiniku K-serva EEL-spektrit, kus piik 285 eV juures pärineb π* orbitaalilt ja teine piik umbes 290 eV juures on tingitud σ* orbitaali üleminekust. On näha, et selles struktuuris domineerib sp2 side, mis kinnitab spiraalide tugevat grafiitilist iseloomu.
Optilise mikroskoopia ja aatomjõumikroskoopia (AFM) pildid annavad ülevaate grafeeni nanorullide jaotusest multifunktsionaalsetes grafeenikihtides (joonis 1, E kuni G ja joonised S1 ja S2). Rullid on pinnale juhuslikult jaotunud ja nende tasapinnaline tihedus suureneb proportsionaalselt virnastatud kihtide arvuga. Paljud rullid on sõlmedesse takerdunud ja neil on ebaühtlane kõrgus vahemikus 10 kuni 100 nm. Nende pikkus on 1 kuni 20 μm ja laius 0,1 kuni 1 μm, olenevalt nende esialgsete grafeenihelveste suurusest. Nagu on näidatud joonisel 1 (H ja I), on rullidel oluliselt suurem suurus kui kortsudel, mis viib palju karedama grafeenikihtide vahelise liideseni.
Elektriliste omaduste mõõtmiseks mustrisime fotolitograafia abil grafeenkilesid keristruktuuridega või ilma ning virnastasime kihid 300 μm laiusteks ja 2000 μm pikkusteks ribadeks. Kahe sondi takistust deformatsiooni funktsioonina mõõdeti toatemperatuuril. Kerade olemasolu vähendas monokihilise grafeeni takistust 80%, läbilaskvuse vähenedes vaid 2,2% (joonis S4). See kinnitab, et nanokerad, millel on kõrge voolutihedus kuni 5 × 107 A/cm2 (38, 39), annavad MGG-dele väga positiivse elektrilise panuse. Kõigist mono-, kahe- ja kolmekihilistest tavalistest grafeenidest ja MGG-dest on kolmekihilisel MGG-l parim juhtivus, mille läbipaistvus on peaaegu 90%. Võrdluseks kirjanduses käsitletud teiste grafeeniallikatega mõõtsime ka nelja sondiga lehttakistusi (joonis S5) ja loetlesime need läbilaskvuse funktsioonina lainepikkusel 550 nm (joonis S6) joonisel 2A. MGG näitab võrreldavat või suuremat juhtivust ja läbipaistvust kui kunstlikult virnastatud mitmekihiline tavaline grafeen ja redutseeritud grafeenoksiid (RGO) (6, 8, 18). Pange tähele, et kirjanduses käsitletud kunstlikult virnastatud mitmekihilise tavalise grafeeni lehttakistused on meie MGG-st veidi kõrgemad, tõenäoliselt nende optimeerimata kasvutingimuste ja ülekandemeetodi tõttu.
(A) Nelja sondiga lehe takistused läbilaskvuse suhtes lainepikkusel 550 nm mitut tüüpi grafeeni puhul, kus mustad ruudud tähistavad mono-, kahe- ja kolmekihilisi MGG-sid; punased ringid ja sinised kolmnurgad vastavad mitmekihilisele tavalisele grafeenile, mis on kasvatatud vastavalt Cu ja Ni peal Li jt (6) ja Kim jt (8) uuringutest ning seejärel üle kantud SiO2/Si või kvartsile; ja rohelised kolmnurgad on RGO väärtused erinevatel redutseerimisastmetel Bonaccorso jt (18) uuringust. (B ja C) Mono-, kahe- ja kolmekihiliste MGG-de ja G normaliseeritud takistuse muutus voolu suunaga risti asetseva (B) ja paralleelse (C) pinge funktsioonina. (D) Kaksikihilise G (punane) ja MGG (must) normaliseeritud takistuse muutus tsüklilise pinge all kuni 50% risti asetseva pinge korral. (E) Kolmekihilise G (punane) ja MGG (must) normaliseeritud takistuse muutus tsüklilise pinge all kuni 90% paralleelse pinge korral. (F) Mono-, kahe- ja kolmekihiliste G-de ning kahe- ja kolmekihiliste MGG-de normaliseeritud mahtuvuse muutus deformatsiooni funktsioonina. Sissejoon on kondensaatori struktuur, kus polümeeraluspind on SEBS ja polümeeri dielektriline kiht on 2 μm paksune SEBS.
MGG deformatsioonist sõltuva jõudluse hindamiseks kandsime grafeeni termoplastilisele elastomeersele stüreen-etüleen-butadieen-stüreenist (SEBS) aluspindadele (~2 cm laiad ja ~5 cm pikad) ning juhtivust mõõdeti aluspinna venitamisel (vt Materjalid ja meetodid) nii voolu suunaga risti kui ka paralleelselt (joonis 2, B ja C). Deformatsioonist sõltuv elektriline käitumine paranes nanorullide lisamise ja grafeenikihtide arvu suurendamisega. Näiteks kui pinge on voolu suunaga risti, suurendas ühekihilise grafeeni puhul rullide lisamine pinget elektrilise purunemise korral 5%-lt 70%-le. Kolmekihilise grafeeni deformatsioonitaluvus on samuti oluliselt paranenud võrreldes ühekihilise grafeeniga. Nanosrullide puhul suurenes 100% perpendikulaarse deformatsiooni korral kolmekihilise MGG struktuuri takistus ainult 50%, võrreldes 300%-ga kolmekihilise grafeeni puhul ilma rullideta. Uuriti takistuse muutust tsüklilise deformatsioonikoormuse korral. Võrdluseks (joonis 2D) suurenesid tavalise kahekihilise grafeenkile takistused umbes 7,5 korda pärast ~700 tsüklit 50% risti asetseva deformatsiooni korral ning suurenesid iga tsükli jooksul koos deformatsiooniga. Seevastu kahekihilise MGG takistus suurenes vaid umbes 2,5 korda pärast ~700 tsüklit. Rakendades kuni 90% deformatsiooni paralleelses suunas, suurenes kolmekihilise grafeeni takistus 1000 tsükli järel ~100 korda, samas kui kolmekihilise MGG puhul on see vaid ~8 korda (joonis 2E). Tsüklite tulemused on näidatud joonisel S7. Suhteliselt kiirem takistuse suurenemine paralleelses deformatsiooni suunas tuleneb pragude orientatsioonist, mis on voolu suunaga risti. Takistuse hälve laadimise ja mahalaadimise ajal on tingitud SEBS-elastomeerist aluspinna viskoelastsest taastumisest. MGG ribade stabiilsem takistus tsüklite ajal on tingitud suurte spiraalide olemasolust, mis suudavad ületada grafeeni pragunenud osi (nagu on täheldatud AFM-i abil), aidates säilitada perkolatsioonirada. Seda perkolatsiooniraja kaudu juhtivuse säilitamise nähtust on varem kirjeldatud krakitud metalli või pooljuhtkilede puhul elastomeeraluspindadel (40, 41).
Nende grafeenipõhiste kilede hindamiseks venitatavate seadmete väravaelektroodidena katsime grafeenikihi SEBS-dielektrilise kihiga (paksus 2 μm) ja jälgisime dielektrilise mahtuvuse muutust deformatsiooni funktsioonina (üksikasjad vt joonis 2F ja lisamaterjalid). Täheldasime, et nii ühe- kui ka kahekihilise grafeenielektroodide puhul vähenesid mahtuvused kiiresti grafeeni tasapinnalise juhtivuse kadumise tõttu. Seevastu nii MGG-de kui ka kolmekihilise grafeeni poolt väravdatud mahtuvused näitasid mahtuvuse suurenemist deformatsiooniga, mida on oodata dielektrilise paksuse vähenemise tõttu deformatsiooniga. Oodatud mahtuvuse suurenemine vastas väga hästi MGG struktuurile (joonis S8). See näitab, et MGG sobib venitatavate transistoride väravaelektroodiks.
1D grafeenirulli rolli elektrijuhtivuse pingetaluvusele edasiseks uurimiseks ja grafeenikihtide vahelise eralduse paremaks kontrollimiseks kasutasime grafeenirullide asemel pihustatud pinnaga süsiniknanotorusid (vt lisamaterjalid). MGG struktuuride jäljendamiseks sadestasime kolme tihedusega süsiniknanotorusid (st CNT1
(A kuni C) Kolme erineva tihedusega CNT-de AFM-pildid (CNT1
Veniva elektroonika elektroodidena nende võimekuse paremaks mõistmiseks uurisime süstemaatiliselt MGG ja G-CNT-G morfoloogiat pinge all. Optiline mikroskoopia ja skaneeriv elektronmikroskoopia (SEM) ei ole efektiivsed iseloomustamismeetodid, kuna mõlemal puudub värvikontrast ja SEM-il tekivad elektronskaneerimise ajal kujutise artefaktid, kui grafeen on polümeeraluspindadel (joonis S9 ja S10). Grafeeni pinna kohapealseks jälgimiseks pinge all kogusime AFM-mõõtmisi kolmekihilistel MGG-del ja tavalisel grafeenil pärast ülekandmist väga õhukestele (~0,1 mm paksustele) ja elastsetele SEBS-aluspindadele. CVD-grafeeni sisemiste defektide ja ülekandeprotsessi käigus tekkivate väliste kahjustuste tõttu tekivad pingutatud grafeenil paratamatult praod ning pinge suurenedes praod tihenesid (joonis 4, A kuni D). Sõltuvalt süsinikupõhiste elektroodide virnastusstruktuurist on pragudel erinev morfoloogia (joonis S11) (27). Mitmekihilise grafeeni pragude pindala tihedus (defineeritud kui pragude pindala / analüüsitud pindala) on pärast pingutamist väiksem kui ühekihilisel grafeenil, mis on kooskõlas MGG-de elektrijuhtivuse suurenemisega. Teisest küljest on sageli täheldatud, et spiraalid sillutavad pragusid, pakkudes pingutatud kiles täiendavaid juhtivusradasid. Näiteks, nagu on näidatud joonisel 4B, ületas lai spiraal kolmekihilises MGG-s prao, kuid tavalises grafeenis spiraali ei täheldatud (joonis 4, E kuni H). Sarnaselt sillutasid süsiniknanotorud ka grafeeni pragusid (joonis S11). Kilede pragude pindala tihedus, spiraali pindala tihedus ja karedus on kokku võetud joonisel 4K.
(A kuni H) Kolmekihiliste G/G spiraalide (A kuni D) ja kolmekihiliste G-struktuuride (E kuni H) in situ AFM-kujutised väga õhukesel SEBS-elastomeeril (~0,1 mm paksune) 0, 20, 60 ja 100% deformatsiooni korral. Tüüpilised praod ja spiraalid on tähistatud nooltega. Kõik AFM-kujutised on 15 μm × 15 μm suurusel alal, kasutades sama värviskaala riba nagu märgitud. (I) Mustriga monokihiliste grafeenielektroodide simulatsioonigeomeetria SEBS-substraadil. (J) Monokihilise grafeeni ja SEBS-substraadi maksimaalse peamise logaritmilise deformatsiooni simulatsiooni kontuurkaart 20% välise deformatsiooni korral. (K) Pragude pindala tiheduse (punane tulp), spiraali pindala tiheduse (kollane tulp) ja pinna kareduse (sinine tulp) võrdlus erinevate grafeenistruktuuride puhul.
Kui MGG-kilesid venitatakse, on olemas oluline lisamehhanism, mille kohaselt spiraalid suudavad ületada grafeeni pragunenud piirkondi, säilitades perkolatsioonivõrgustiku. Grafeeni spiraalid on paljulubavad, kuna need võivad olla kümnete mikromeetrite pikkused ja seetõttu suudavad nad ületada pragusid, mis on tavaliselt kuni mikromeetri suurused. Lisaks, kuna spiraalid koosnevad grafeeni mitmekihilistest materjalidest, eeldatakse, et neil on madal takistus. Võrdluseks, suhteliselt tihedad (madalama läbilaskvusega) CNT-võrgustikud on võrreldava juhtiva sildamisvõime tagamiseks vajalikud, kuna CNT-d on väiksemad (tavaliselt mõne mikromeetri pikkused) ja vähem juhtivad kui spiraalid. Teisest küljest, nagu on näidatud joonisel S12, kui grafeen venitamise ajal deformatsiooni tõttu praguneb, siis spiraalid ise ei pragune, mis viitab sellele, et viimane võib libiseda alusgrafeenil. Põhjus, miks need ei pragune, on tõenäoliselt tingitud rullitud struktuurist, mis koosneb paljudest grafeenikihtidest (~1 kuni 20 μm pikkused, ~0,1 kuni 1 μm laiad ja ~10 kuni 100 nm kõrged) ning millel on suurem efektiivne moodul kui ühekihilisel grafeenil. Nagu Green ja Hersam (42) on teatanud, võivad metallilised CNT-võrgud (toru läbimõõt 1,0 nm) saavutada madala lehttakistuse <100 oomi/ruutmeetri kohta, hoolimata CNT-de vahelisest suurest ühendustakistusest. Arvestades, et meie grafeenirullide laius on 0,1 kuni 1 μm ja et G/G-rullidel on palju suuremad kontaktpinnad kui CNT-del, ei tohiks grafeeni ja grafeenirullide vaheline kontakttakistus ja kontaktpind olla kõrge juhtivuse säilitamist piiravad tegurid.
Grafeenil on palju suurem moodul kui SEBS-substraadil. Kuigi grafeenielektroodi efektiivne paksus on palju väiksem kui substraadil, on grafeeni jäikuse korrutis substraadi omaga võrreldav (43, 44), mille tulemuseks on mõõdukas jäiga saare efekt. Simuleerisime 1 nm paksuse grafeeni deformatsiooni SEBS-substraadil (üksikasjad vt lisamaterjalidest). Simulatsiooni tulemuste kohaselt on SEBS-substraadile väliselt 20% deformatsiooni rakendamisel grafeeni keskmine deformatsioon ~6,6% (joonis 4J ja joonis S13D), mis on kooskõlas eksperimentaalsete vaatlustega (vt joonis S13). Võrdlesime mustrilise grafeeni ja substraadi piirkondade deformatsiooni optilise mikroskoopia abil ning leidsime, et substraadi piirkonna deformatsioon on vähemalt kaks korda suurem kui grafeeni piirkonna deformatsioon. See näitab, et grafeenielektroodide mustritele rakendatud deformatsioon võib olla oluliselt piiratud, moodustades SEBS-i peale grafeeni jäiku saari (26, 43, 44).
Seega on MGG-elektroodide võime säilitada kõrge juhtivus suure pinge all tõenäoliselt võimalik tänu kahele peamisele mehhanismile: (i) rullid saavad ühendada lahtiühendatud piirkondi, et säilitada juhtiv perkolatsioonirada, ja (ii) mitmekihilised grafeenilehed/elastomeer võivad üksteise peal libiseda, mille tulemuseks on grafeenielektroodide pinge vähenemine. Mitme grafeenikihi puhul elastomeeril ei ole kihid üksteisega tugevalt kinnitatud, mis võib pinge mõjul libiseda (27). Rullid suurendasid ka grafeenikihtide karedust, mis võib aidata suurendada grafeenikihtide vahelist kaugust ja võimaldada seega grafeenikihtide libisemist.
Täissüsinikust seadmeid otsitakse entusiastlikult madala hinna ja suure läbilaskevõime tõttu. Meie puhul valmistati täissüsinikust transistorid, kasutades alumist grafeenväravat, ülemist grafeeniläve/äravoolu kontakti, sorteeritud CNT pooljuhti ja SEBS-i dielektrikuna (joonis 5A). Nagu on näidatud joonisel 5B, on täissüsinikust seade, mille CNT-d on läve/äravoolu ja väravana (alumine seade), läbipaistmatum kui grafeenelektroodidega seade (ülemine seade). Selle põhjuseks on asjaolu, et CNT-võrgud vajavad grafeeniga sarnase lehttakistuse saavutamiseks suuremat paksust ja sellest tulenevalt madalamat optilist läbilaskvust (joonis S4). Joonis 5 (C ja D) näitab kahekihiliste MGG elektroodidega valmistatud transistori tüüpilisi ülekande- ja väljundkõveraid enne pinget. Pingestamata transistori kanali laius ja pikkus olid vastavalt 800 ja 100 μm. Mõõdetud sisse/välja suhe on suurem kui 103 sisse- ja väljalülitusvooludega vastavalt 10−5 ja 10−8 A. Väljundkõver näitab ideaalseid lineaarseid ja küllastusrežiime selge värava-pinge sõltuvusega, mis viitab ideaalsele kontaktile CNT-de ja grafeenelektroodide vahel (45). Grafeenelektroodide kontakttakistus osutus madalamaks kui aurustatud Au-kilega (vt joonis S14). Venitatava transistori küllastusliikuvus on umbes 5,6 cm2/Vs, mis on sarnane samade polümeersorteeritud CNT-transistoride omaga jäikadel Si-aluspindadel, mille dielektriline kiht on 300 nm SiO2. Liikuvuse edasine parandamine on võimalik optimeeritud torutiheduse ja muud tüüpi torude abil (46).
(A) Grafeenipõhise venitatava transistori skeem. SWNT-d, üheseinalised süsiniknanotorud. (B) Foto venitatavatest transistoridest, mis on valmistatud grafeenielektroodidest (üleval) ja CNT-elektroodidest (all). Läbipaistvuse erinevus on selgelt märgatav. (C ja D) Grafeenipõhise transistori ülekande- ja väljundkõverad SEBS-il enne pinget. (E ja F) Grafeenipõhise transistori ülekandekõverad, sisse- ja väljalülitusvool, sisse/väljalülitussuhe ja liikuvus erinevate pingete korral.
Kui läbipaistvat, täielikult süsinikust seadet venitati laengu transpordi suunaga paralleelselt, täheldati kuni 120% deformatsioonini minimaalset lagunemist. Venitamise ajal vähenes liikuvus pidevalt 5,6 cm2/Vs-lt 0% deformatsiooni korral 2,5 cm2/Vs-ni 120% deformatsiooni korral (joonis 5F). Samuti võrdlesime transistori jõudlust erinevate kanali pikkuste korral (vt tabel S1). Märkimisväärne on see, et kuni 105% deformatsiooni korral näitasid kõik need transistorid endiselt kõrget sisse/välja suhet (>103) ja liikuvust (>3 cm2/Vs). Lisaks võtsime kokku kõik hiljutised tööd täielikult süsinikust transistoride kohta (vt tabel S2) (47–52). Optimeerides seadmete valmistamist elastomeeridel ja kasutades MGG-sid kontaktidena, näitavad meie täielikult süsinikust transistorid head jõudlust liikuvuse ja hüstereesi osas ning on samuti väga venitavad.
Täielikult läbipaistva ja venitava transistori rakendusena kasutasime seda LED-ide lülitamise juhtimiseks (joonis 6A). Nagu joonisel 6B näidatud, on rohelist LED-i selgelt näha läbi otse selle kohal asuva venitava täissüsinikust seadme. Venitades kuni ~100% -ni (joonis 6, C ja D), LED-i valguse intensiivsus ei muutu, mis on kooskõlas eespool kirjeldatud transistori jõudlusega (vt videot S1). See on esimene aruanne grafeenelektroodide abil valmistatud venitavate juhtseadmete kohta, mis demonstreerib grafeenil venitava elektroonika uut võimalust.
(A) LED-i juhtiva transistori vooluring. GND, maandus. (B) Foto venivast ja läbipaistvast täissüsinikust transistorist 0% pingega, mis on paigaldatud rohelise LED-i kohale. (C) LED-i lülitamiseks kasutatav täissüsinikust läbipaistev ja venitav transistor on paigaldatud LED-i kohale 0% (vasakul) ja ~100% pingega (paremal). Valged nooled osutavad seadme kollaste markeritena, et näidata venitatud kauguse muutust. (D) Venitatud transistori külgvaade, kus LED on elastomeerisse surutud.
Kokkuvõtteks oleme välja töötanud läbipaistva juhtiva grafeenistruktuuri, mis säilitab venitatavate elektroodidena kõrge juhtivuse suurte pingete korral, mida võimaldavad virnastatud grafeeni nanosrullid grafeenikihtide vahel. Need elastomeeril olevad kahe- ja kolmekihilised MGG elektroodistruktuurid suudavad säilitada vastavalt 21 ja 65% oma 0% pingejuhtivusest kuni 100% pinge korral, võrreldes tüüpiliste ühekihiliste grafeenielektroodide täieliku juhtivuse kaotusega 5% pinge korral. Grafeenirullide täiendavad juhtivusrajad ja nõrk interaktsioon ülekantud kihtide vahel aitavad kaasa suurepärasele juhtivuse stabiilsusele pinge all. Rakendasime seda grafeenistruktuuri ka täissüsinikust venivate transistoride valmistamiseks. Seni on see kõige venivam grafeenipõhine transistor, millel on parim läbipaistvus ilma kõverdumiseta. Kuigi käesolev uuring viidi läbi grafeeni võimaldamiseks venitava elektroonika jaoks, usume, et seda lähenemisviisi saab laiendada ka teistele 2D-materjalidele, et võimaldada venitavat 2D-elektroonikat.
Suure pindalaga CVD-grafeeni kasvatati suspendeeritud Cu-fooliumidel (99,999%; Alfa Aesar) konstantse rõhu 0,5 mtorri all, kasutades lähteainetena 50–SCCM (standardne kuupsentimeeter minutis) CH4 ja 20–SCCM H2 temperatuuril 1000 °C. Cu-fooliumi mõlemad küljed kaeti monokihilise grafeeniga. Cu-fooliumi ühele küljele kanti õhuke PMMA kiht (2000 p/min; A4, Microchem), moodustades PMMA/G/Cu-foolium/G struktuuri. Seejärel leotati kogu kile umbes 2 tundi 0,1 M ammooniumperoksülsulfaadi [(NH4)2S2O8] lahuses, et Cu-foolium söövitada. Selle protsessi käigus rebenes kaitsmata grafeeni tagumine külg esmalt mööda terade piire ja seejärel pindpinevuse tõttu rulliti see kokku spiraalideks. Spinnid kinnitati PMMA-toega ülemisele grafeenikilele, moodustades PMMA/G/G-spiraale. Seejärel pesti kilesid mitu korda deioniseeritud vees ja asetati sihtaluspinnale, näiteks jäigale SiO2/Si või plastaluspinnale. Niipea kui kinnitatud kile aluspinnal kuivas, leotati proovi järjestikku atsetoonis, 1:1 atsetoon/IPA-s (isopropüülalkohol) ja IPA-s 30 sekundit, et eemaldada PMMA. Kilesid kuumutati 15 minutit temperatuuril 100 °C või hoiti üleöö vaakumis, et täielikult eemaldada püütud vesi, enne kui neile kanti järgmine G/G-spiraali kiht. Selle sammu eesmärk oli vältida grafeenkile eraldumist aluspinnalt ja tagada MGG-de täielik katmine PMMA kandekihi vabastamise ajal.
MGG struktuuri morfoloogiat uuriti optilise mikroskoobi (Leica) ja skaneeriva elektronmikroskoobi (1 kV; FEI) abil. G-spiraalide detailide jälgimiseks kasutati aatomjõumikroskoopi (Nanoscope III, Digital Instrument) koputusrežiimis. Kile läbipaistvust testiti ultraviolett-nähtava spektromeetriga (Agilent Cary 6000i). Katseteks, kus deformatsioon oli voolu suunaga risti, kasutati fotolitograafiat ja O2 plasmat grafeenistruktuuride mustri loomiseks ribadeks (~300 μm laiad ja ~2000 μm pikad) ning Au (50 nm) elektroodid sadestati termiliselt, kasutades pikema külje mõlemasse otsa varjumaske. Seejärel viidi grafeeniribad kokkupuutesse SEBS-elastomeeriga (~2 cm laiad ja ~5 cm pikad), kusjuures ribade pikiteljed olid paralleelsed SEBS-i lühikese küljega, millele järgnes BOE (puhverdatud oksiidi söövitus) (HF:H2O 1:6) söövitus ja eutektiline galliumindium (EGaIn) elektriliste kontaktidena. Paralleelpingekatsete jaoks kanti mustrita grafeenistruktuurid (~5 × 10 mm) SEBS-substraatidele, kusjuures pikad teljed olid paralleelsed SEBS-substraadi pikema küljega. Mõlemal juhul venitati kogu G (ilma G-spiraalideta)/SEBS-i käsitsiaparaadis mööda elastomeeri pikka külge ja kohapeal mõõtsime nende takistuse muutusi pinge all pooljuhtanalüsaatoriga (Keithley 4200-SCS) sondjaamas.
Elastse substraadi peal olevad ülivenivad ja läbipaistvad täissüsinikust transistorid valmistati järgmiste protseduuride abil, et vältida polümeerdielektriku ja substraadi kahjustusi orgaaniliste lahustite poolt. MGG struktuurid kanti SEBS-ile väravaelektroodidena. Ühtlase õhukese kilega polümeerdielektrilise kihi (2 μm paksune) saamiseks kanti SEBS-tlueeni (80 mg/ml) lahus tsentrifuugkatmise teel oktadetsüültriklorosilaaniga (OTS) modifitseeritud SiO2/Si substraadile kiirusel 1000 p/min 1 minuti jooksul. Õhukest dielektrilist kile saab hüdrofoobselt OTS-pinnalt hõlpsalt üle kanda SEBS-substraadile, mis on kaetud ettevalmistatud grafeeniga. Kondensaatori saab valmistada vedela metalli (EGaIn; Sigma-Aldrich) pealiselektroodi sadestamise teel, et määrata mahtuvus deformatsiooni funktsioonina, kasutades LCR-meetrit (induktiivsus, mahtuvus, takistus) (Agilent). Transistori teine osa koosnes polümeersorteeritud pooljuhtivatest CNT-dest, järgides eelnevalt kirjeldatud protseduure (53). Mustriga lähte/äravoolu elektroodid valmistati jäikadele SiO2/Si substraatidele. Seejärel lamineeriti kaks osa, dielektriline/G/SEBS ja CNT/mustriga G/SiO2/Si, üksteise külge ja leotati BOE-s, et eemaldada jäik SiO2/Si substraat. Nii valmistati täielikult läbipaistvad ja venitavad transistorid. Elektriline testimine pinge all viidi läbi käsitsi venitusseadmel, nagu eespool mainitud meetodil.
Selle artikli lisamaterjalid on saadaval aadressil http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
joonis S1. SiO2/Si aluspindadel oleva monokihilise MGG optilise mikroskoopia kujutised erinevatel suurendustel.
joonis S4. Kahe sondiga lehttakistuse ja läbilaskvuse võrdlus lainepikkusel 550 nm ühe-, kahe- ja kolmekihilise tavalise grafeeni (mustad ruudud), MGG (punased ringid) ja CNT-de (sinine kolmnurk) puhul.
joonis S7. Mono- ja kaksikihiliste MGG-de (must) ja G-de (punane) normaliseeritud takistuse muutus ~1000 tsüklilise deformatsiooni korral vastavalt kuni 40% ja 90% paralleeldeformatsioonini.
joonis S10. Kolmekihilise MGG SEM-pilt SEBS-elastomeeril pärast deformatsiooni, mis näitab pikka spiraalristi mitme prao kohal.
joonis S12. Kolmekihilise MGG AFM-pilt väga õhukesel SEBS-elastomeeril 20% deformatsiooni juures, mis näitab, et spiraal liikus üle prao.
Tabel S1. Kahekihiliste MGG-üheseinaliste süsiniknanotoruga transistoride liikuvused erinevatel kanali pikkustel enne ja pärast deformatsiooni.
See on avatud juurdepääsuga artikkel, mis on levitatud Creative Commonsi litsentsi "Autorile viitamine + Mitteäriline eesmärk" tingimuste kohaselt, mis lubab kasutamist, levitamist ja reprodutseerimist mis tahes meediumis, kui sellest tulenev kasutus ei ole ärilisel eesmärgil ja eeldusel, et algsele teosele on nõuetekohaselt viidatud.
MÄRKUS. Küsime teie e-posti aadressi ainult selleks, et inimene, kellele lehte soovitate, teaks, et soovisite talle seda näidata ja et see pole rämpspost. Me ei salvesta ühtegi e-posti aadressi.
See küsimus on selleks, et kontrollida, kas olete inimene või mitte, ja vältida automaatset rämpsposti saatmist.
Autorid: Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Autorid: Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science. Kõik õigused kaitstud. AAAS on HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ja COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partner.
Postituse aeg: 28. jaanuar 2021