Kahemõõtmelised materjalid, nagu grafeen, on atraktiivsed nii tavapäraste pooljuhtrakenduste kui ka tekkivate rakenduste jaoks paindlikus elektroonikas. Grafeeni kõrge tõmbetugevus põhjustab aga väikese pinge korral purunemist, mistõttu on venitatavas elektroonikas selle erakordsete elektrooniliste omaduste ärakasutamine keeruline. Et võimaldada läbipaistvate grafeenijuhtide suurepärast pingest sõltuvat jõudlust, lõime virnastatud grafeenikihtide vahele grafeeni nanorullid, mida nimetatakse mitmekihilisteks grafeeni/grafeenirullideks (MGG). Pingutuse all ühendasid mõned rullid grafeeni killustatud domeenid, et säilitada perkolatsioonivõrk, mis võimaldas suurepärast juhtivust suurte pingete korral. Elastomeeridele toetatud kolmekihilised MGG-d säilitasid 65% oma algsest juhtivusest 100% deformatsiooni korral, mis on risti voolu voolu suunaga, samas kui kolmekihilised grafeenikiled ilma nanorullideta säilitasid ainult 25% oma algjuhtivusest. MGG-de elektroodidena valmistatud venitatava süsiniku transistori läbilaskvus oli> 90% ja säilitas 60% oma algsest vooluväljundist 120% pinge juures (paralleelselt laengu transpordi suunaga). Need väga venivad ja läbipaistvad süsinikust koosnevad transistorid võivad võimaldada keerukat venitatavat optoelektroonikat.
Venitav läbipaistev elektroonika on kasvav valdkond, millel on olulised rakendused täiustatud biointegreeritud süsteemides (1, 2), samuti potentsiaal integreerida venitatava optoelektroonikaga (3, 4), et toota keerukat pehmet robootikat ja kuvareid. Grafeenil on väga soovitavad omadused: 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 venitatavates läbipaistvates seadmetes uusi funktsioone.
Grafeeni ainulaadsed omadused muudavad selle tugevaks kandidaadiks järgmise põlvkonna läbipaistvate juhtivate elektroodide jaoks (5, 6). Võrreldes kõige sagedamini kasutatava läbipaistva juhiga, indiumtinaoksiidiga [ITO; 100 oomi/ruut (sq) 90% läbipaistvuse juures ], keemilise aurustamise-sadestamise (CVD) abil kasvatatud ühekihilisel grafeenil on sarnane lehe takistuse (125 oomi/sq) ja läbipaistvuse (97,4%) kombinatsioon (5). Lisaks on grafeenkiledel ITO-ga võrreldes erakordne paindlikkus (7). Näiteks plastist aluspinnal saab selle juhtivuse säilitada isegi 0,8 mm painderaadiuse korral (8). Selle elektrilise jõudluse edasiseks parandamiseks läbipaistva painduva juhina on varasemates töödes välja töötatud grafeeni hübriidmaterjalid, millel on ühemõõtmelised (1D) hõbedased nanojuhtmed või süsinik-nanotorud (CNT) (9–11). Lisaks on grafeeni kasutatud elektroodidena segamõõtmelistes heterostruktuursetes pooljuhtides (nagu 2D mass Si, 1D nanojuhtmed/nanotorud ja 0D kvantpunktid) (12), painduvate transistoride, päikesepatareide ja valgusdioodide (LED) jaoks (13). –23).
Kuigi grafeen on andnud paindliku elektroonika osas paljulubavaid tulemusi, on selle rakendamist venitatavas elektroonikas piiranud selle mehaanilised omadused (17, 24, 25); grafeeni tasapinnaline jäikus on 340 N/m ja Youngi moodul 0,5 TPa ( 26). Tugev süsinik-süsinik võrgustik ei paku energia hajutamise mehhanisme rakendatud pinge jaoks ja seetõttu puruneb kergesti vähem kui 5% pinge korral. Näiteks polüdimetüülsiloksaani (PDMS) elastsele substraadile kantud CVD-grafeen suudab säilitada oma juhtivuse ainult alla 6% pinge juures (8). Teoreetilised arvutused näitavad, et kortsumine ja erinevate kihtide koosmõju peaksid jäikust tugevalt vähendama (26). Grafeeni mitmeks kihiks virnastamisel on teatatud, et see kahe- või kolmekihiline grafeen on venitatav kuni 30% venivuseni, mille vastupidavuse muutus on 13 korda väiksem kui ühekihilisel grafeenil (27). Kuid see venitatavus on endiselt oluliselt madalam kui nüüdisaegsetel venitatavatel juhtjuhtmetel (28, 29).
Transistorid on venitatavates rakendustes olulised, kuna need võimaldavad keerukat anduri lugemist ja signaali analüüsi (30, 31). PDMS-i transistorid, mille lähte-/äravooluelektroodideks on mitmekihiline grafeen ja kanalimaterjal, suudavad säilitada elektrilist funktsiooni kuni 5% pingeni (32), mis on märkimisväärselt madalam kantavate tervisekontrolli andurite ja elektroonilise naha minimaalsest nõutavast väärtusest (~50%) ( 33, 34). Hiljuti on uuritud grafeeni kirigami meetodit ja vedela elektrolüüdiga suletud transistori saab venitada kuni 240% (35). See meetod nõuab aga suspendeeritud grafeeni, mis muudab valmistamisprotsessi keerulisemaks.
Siin saavutame väga venitatavad grafeeniseadmed, interkaleerides grafeenirullid (~ 1 kuni 20 μm pikad, ~ 0, 1 kuni 1 μm laiused ja ~ 10 kuni 100 nm kõrged) grafeenikihtide vahele. Me oletame, et need grafeenirullid võivad pakkuda juhtivaid teid grafeenilehtede pragude sildamiseks, säilitades seega kõrge juhtivuse pinge all. Grafeenrullid ei vaja täiendavat sünteesi ega töötlemist; need tekivad looduslikult märgülekande protseduuri käigus. Kasutades mitmekihilisi G/G (grafeen/grafeen) kerimisrulle (MGG), grafeenist venitatavaid elektroode (allikas/äravool ja värav) ja pooljuhtivaid CNT-sid, suutsime demonstreerida väga läbipaistvaid ja väga venitatavaid täissüsiniktransistore, mida saab venitada 120-ni. % pinge (paralleelselt laengu transpordi suunaga) ja säilitab 60% esialgsest vooluväljundist. See on seni kõige venivam läbipaistev süsinikul põhinev transistor ja see annab piisava voolu anorgaanilise LED-i juhtimiseks.
Suure pindalaga läbipaistvate venitatavate grafeenelektroodide võimaldamiseks valisime Cu-fooliumil CVD-ga kasvatatud grafeeni. Cu-foolium riputati CVD kvartstoru keskele, et võimaldada grafeeni kasvu mõlemal küljel, moodustades G / Cu / G struktuure. Grafeeni ülekandmiseks katsime esmalt tsentrifuugimisega õhukese polü(metüülmetakrülaadi) (PMMA) kihi, et kaitsta grafeeni ühte külge, mille nimetasime pealmise külje grafeeniks (grafeeni teise külje puhul vastupidi), ja seejärel kogu kile (PMMA / pealmine grafeen / Cu / alumine grafeen) leotati (NH4) 2S2O8 lahuses, et söövitada Cu foolium. Alumisel küljel ilma PMMA-katteta grafeenil on paratamatult pragusid ja defekte, mis võimaldavad söövitusainel läbi tungida (36, 37). Nagu on näidatud joonisel fig 1A, rullusid vabanenud grafeeni domeenid pindpinevuse mõjul rullideks ja kinnitati seejärel ülejäänud top-G/PMMA kile külge. Top-G / G rullid saab üle kanda mis tahes substraadile, näiteks SiO2 / Si, klaasile või pehmele polümeerile. Selle ülekandeprotsessi kordamine mitu korda samale substraadile annab MGG struktuurid.
(A) MGG-de kui venitatava elektroodi valmistamisprotseduuri skemaatiline illustratsioon. Grafeeni ülekandmise ajal purunes Cu-fooliumi tagumine grafeen piiride ja defektide juurest, rullis suvalistesse kujunditesse ja kinnitati tihedalt ülemiste kilede külge, moodustades nanokeri. Neljas koomiks kujutab virnastatud MGG struktuuri. (B ja C) Ühekihilise MGG kõrge eraldusvõimega TEM-i iseloomustused, keskendudes vastavalt ühekihilisele grafeenile (B) ja kerimispiirkonnale (C). (B) sisestus on väikese suurendusega pilt, mis näitab TEM-võrgu ühekihiliste MGG-de üldist morfoloogiat. (C) sisetükid on intensiivsuse profiilid, 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, millele on märgitud iseloomulikud grafiidi π* ja σ* piigid. (E) Ühekihiliste G/G kerimiste läbilõikeline AFM-kujutis kõrgusprofiiliga piki kollast punktiirjoont. (F kuni I) Kolmekihi G optiline mikroskoopia ja AFM-kujutised ilma (F ja H) ja kerimistega (G ja I) vastavalt 300 nm paksustel SiO2/Si substraatidel. Tüüpilised rullid ja kortsud märgistati nende erinevuste esiletõstmiseks.
Kontrollimaks, kas rullid on oma olemuselt rullgrafeen, viisime ühekihiliste top-G / G kerimisstruktuuride puhul läbi kõrge eraldusvõimega ülekandeelektronmikroskoopia (TEM) ja elektronenergia kadude (EEL) spektroskoopia uuringud. Joonisel fig 1B on näidatud ühekihilise grafeeni kuusnurkne struktuur ja sisestus on TEM-võrgu ühe süsinikuavaga kaetud kile üldine morfoloogia. Ühekihiline grafeen katab suurema osa ruudustikust ja mitmete kuusnurksete rõngaste virnade juuresolekul tekivad mõned grafeenihelbed (joonis 1B). Suumides üksikule kerimisele (joonis 1C), täheldasime suurt hulka grafeenivõre narmasid, võre vahekaugusega 0,34–0,41 nm. Need mõõtmised viitavad sellele, et helbed on juhuslikult kokku rullitud ja ei ole täiuslik grafiit, mille võre vahe on 0, 34 nm "ABAB" kihi virnastamisel. Joonisel 1D on kujutatud süsiniku K-serva EEL-spekter, kus 285 eV piik pärineb π * orbitaalilt ja teine umbes 290 eV on tingitud σ * orbitaali üleminekust. On näha, et selles struktuuris domineerib sp2 sidumine, mis kinnitab, et rullid on väga graafilised.
Optiline mikroskoopia ja aatomjõumikroskoopia (AFM) kujutised annavad ülevaate grafeeni nanoscrollide jaotumisest MGG-des (joonis 1, E kuni G ja joonised S1 ja S2). Rullid jaotuvad pinnale juhuslikult ja nende tasapinnaline tihedus suureneb võrdeliselt virnastatud kihtide arvuga. Paljud rullid on takerdunud sõlmedesse ja nende kõrgused jäävad vahemikku 10–100 nm. Need on 1–20 μm pikad ja 0,1–1 μm laiad, olenevalt nende esialgsete grafeenihelveste suurusest. Nagu on näidatud joonisel 1 (H ja I), on rullid oluliselt suuremad kui kortsud, mis põhjustab palju karmima liidese grafeenikihtide vahel.
Elektriliste omaduste mõõtmiseks mustrisime grafeenkiled kerimisstruktuuridega või ilma ja kihtide virnastamise 300 μm laiusteks ja 2000 μm pikkusteks ribadeks, kasutades fotolitograafiat. Kahe sondi takistust tüve funktsioonina mõõdeti ümbritseva keskkonna tingimustes. Kerimise olemasolu vähendas ühekihilise grafeeni eritakistust 80% võrra, läbilaskvus vähenes vaid 2,2% (joonis S4). See kinnitab, et nanorullid, mille voolutihedus on kuni 5 × 107 A/cm2 (38, 39), annavad MGG-dele väga positiivse elektrilise panuse. Kõigi ühe-, kahe- ja kolmekihiliste tavalise grafeeni ja MGG-de hulgas on kolmekihilisel MGG-l parim juhtivus, mille läbipaistvus on peaaegu 90%. Et võrrelda teiste kirjanduses kirjeldatud grafeeniallikatega, mõõdeti ka nelja sondi lehe takistust (joonis S5) ja loetlesime need läbilaskvuse funktsioonina 550 nm juures (joonis S6) joonisel 2A. MGG-l on võrreldav või suurem juhtivus ja läbipaistvus kui kunstlikult virnastatud mitmekihiline tavaline grafeen ja redutseeritud grafeenoksiid (RGO) (6, 8, 18). Pange tähele, et kunstlikult virnastatud mitmekihilise tavalise grafeeni lehtede takistused kirjandusest on pisut kõrgemad kui meie MGG-l, tõenäoliselt nende optimeerimata kasvutingimuste ja ülekandemeetodi tõttu.
(A) nelja sondi lehe takistused versus läbilaskvus 550 nm juures mitut tüüpi grafeeni puhul, kus mustad ruudud tähistavad ühe-, kahe- ja kolmekihilisi MGG-sid; punased ringid ja sinised kolmnurgad vastavad mitmekihilisele tavalisele grafeenile, mida on kasvatatud Cu ja Ni peal Li jt uuringute põhjal. (6) ja Kim et al. (8) ja seejärel kantakse üle SiO2/Si-le või kvartsile; ja rohelised kolmnurgad on Bonaccorso jt uuringust erineva redutseerimisastmega RGO väärtused. (18). (B ja C) Ühe-, kahe- ja kolmekihiliste MGG-de ja G-de normaliseeritud takistuse muutus voolu liikumise suunaga risti (B) ja paralleelse (C) deformatsiooni funktsioonina. (D) Kahekihi G (punane) ja MGG (must) normaliseeritud resistentsuse muutus tsüklilise pingekoormuse korral kuni 50% risti deformatsiooniga. (E) Kolmekihi G (punane) ja MGG (must) normaliseeritud resistentsuse muutus tsüklilise pingekoormuse korral kuni 90% paralleelpingest. (F) Ühe-, kahe- ja kolmekihiliste G ning kahe- ja kolmekihiliste MGG-de normaliseeritud mahtuvuse muutus tüve funktsioonina. Sisend on kondensaatori struktuur, kus polümeeri substraadiks on SEBS ja polümeeri dielektriliseks kihiks on 2 μm paksune SEBS.
MGG deformatsioonist sõltuva jõudluse hindamiseks kanti grafeeni termoplastsetele elastomeer-stüreen-etüleen-butadieen-stüreeni (SEBS) substraatidele (~ 2 cm lai ja ~ 5 cm pikk) ning juhtivust mõõdeti substraadi venitamisel. (vt Materjalid ja meetodid) nii risti kui ka paralleelselt voolu liikumise suunaga (joonis 2, B ja C). Tüvest sõltuv elektriline käitumine paranes nanoscrollide lisamisega ja grafeenikihtide arvu suurenemisega. Näiteks kui pinge on voolu vooluga risti, suurendas ühekihilise grafeeni puhul kerimise lisamine pinget elektrilise purunemise korral 5-lt 70% -ni. Kolmekihilise grafeeni pingetaluvus on samuti oluliselt paranenud võrreldes ühekihilise grafeeniga. Nanokerimise korral suurenes 100% risti deformatsiooni korral kolmekihilise MGG struktuuri vastupidavus vaid 50%, võrrelduna kolmekihilise grafeeniga ilma rullideta 300%. Uuriti resistentsuse muutust tsüklilise deformatsioonikoormuse korral. Võrdluseks (joonis 2D), tavalise kahekihilise grafeenkile resistentsus suurenes umbes 7,5 korda pärast ~ 700 tsüklit 50% risti asetseva pingega ja suurenes igas tsüklis koos pingega. Teisest küljest suurenes kahekihilise MGG vastupidavus pärast ~ 700 tsüklit ainult umbes 2, 5 korda. Rakendades paralleelses suunas kuni 90% pinget, suurenes kolmekihilise grafeeni vastupidavus pärast 1000 tsüklit ~ 100 korda, samas kui kolmekihilise MGG puhul on see vaid ~ 8 korda (joonis 2E). Jalgrattasõidu tulemused on näidatud joonisel fig. S7. Takistuse suhteliselt kiirem suurenemine paralleelses deformatsioonisuunas tuleneb sellest, et pragude orientatsioon on voolu liikumise suunaga risti. Vastupidavuse kõrvalekalle laadimise ja mahalaadimise ajal on tingitud SEBS-i elastomeeri substraadi viskoelastsest taastumisest. MGG-ribade stabiilsem takistus jalgrattasõidu ajal on tingitud suurte rullide olemasolust, mis võivad sillastada grafeeni pragunenud osi (nagu on täheldanud AFM), aidates säilitada imbumisrada. Seda juhtivuse säilitamise nähtust perkolatsiooniraja kaudu on varem kirjeldatud elastomeersest aluspinnal olevate pragunenud metallide või pooljuhtkilede puhul (40, 41).
Nende grafeenipõhiste kilede hindamiseks venitatavates seadmetes väravaelektroodidena katsime grafeenikihi SEBS-i dielektrilise kihiga (paksus 2 μm) ja jälgisime dielektrilise mahtuvuse muutust tüve funktsioonina (vt joonis 2F ja lisamaterjalid üksikasjad). Täheldasime, et tavaliste ühekihiliste ja kahekihiliste grafeenelektroodide mahtuvus vähenes kiiresti grafeeni tasapinnalise juhtivuse kadumise tõttu. Seevastu MGG-de ja tavalise kolmekihilise grafeeniga suletud mahtuvused näitasid deformatsiooniga mahtuvuse suurenemist, mida on oodata dielektrilise paksuse vähenemise tõttu deformatsiooniga. Oodatav mahtuvuse suurenemine sobis väga hästi MGG struktuuriga (joonis S8). See näitab, et MGG sobib venitatavate transistoride paiselektroodiks.
1D grafeenirulli rolli edasiseks uurimiseks elektrijuhtivuse deformatsioonitaluvuses ja grafeenikihtide vahelise eraldatuse paremaks kontrollimiseks kasutasime grafeenirullide asendamiseks pihustuskattega CNT-sid (vt lisamaterjalid). MGG struktuuride jäljendamiseks ladestasime kolme tihedusega CNT-sid (st CNT1
(A kuni C) AFM-pildid kolme erineva tihedusega CNT-st (CNT1
Nende võimekuse paremaks mõistmiseks venitatava elektroonika elektroodidena uurisime süstemaatiliselt MGG ja G-CNT-G morfoloogiaid pinge all. Optiline mikroskoopia ja skaneeriv elektronmikroskoopia (SEM) ei ole tõhusad iseloomustamismeetodid, kuna mõlemal puudub värvikontrastsus ja SEM-il on elektronide skaneerimise ajal kujutise artefaktid, kui grafeen on polümeersubstraatidel (joonised S9 ja S10). Pinna all oleva grafeeni pinna in situ jälgimiseks kogusime AFM-i mõõtmised kolmekihiliste MGG-de ja tavalise grafeeni kohta pärast ülekandmist väga õhukestele (~ 0, 1 mm paksustele) ja elastsetele SEBS-i substraatidele. CVD-grafeeni sisemiste defektide ja ülekandeprotsessi käigus tekkivate väliste kahjustuste tõttu tekivad pingestatud grafeenile paratamatult praod ja pinge suurenedes muutusid praod tihedamaks (joonis 4, A kuni D). Sõltuvalt süsinikupõhiste elektroodide virnastamisstruktuurist on praod erineva morfoloogiaga (joonis S11) (27). Mitmekihilise grafeeni pragude pindala tihedus (määratletud kui pragude pindala / analüüsitud ala) on pärast deformatsiooni väiksem kui ühekihilisel grafeenil, mis on kooskõlas MGG-de elektrijuhtivuse suurenemisega. Teisest küljest on sageli täheldatud, et pragusid sildavad rullid, mis pakuvad pingestatud kilesse täiendavaid juhtivaid teid. Näiteks, nagu on märgitud joonisel 4B, ristus lai rull üle prao kolmekihilises MGG-s, kuid tavalises grafeenis kerimist ei täheldatud (joonis 4, E kuni H). Samamoodi sillasid CNT-d ka grafeeni pragusid (joonis S11). Kilede pragude pindala tihedus, kerimisala tihedus ja karedus on kokku võetud joonisel 4K.
(A kuni H) In situ AFM-kujutised kolmekihilistest G/G keridest (A kuni D) ja kolmekihilistest G struktuuridest (E kuni H) väga õhukesel SEBS-i (paksus ~ 0,1 mm) elastomeeril temperatuuril 0, 20, 60 ja 100 % tüvi. Tüüpilised praod ja rullid on näidatud nooltega. Kõik AFM-pildid on 15 μm × 15 μm suurusel alal, kasutades sama värviskaala riba nagu märgistatud. (I) SEBS-i substraadi mustriga ühekihiliste grafeenelektroodide simulatsioonigeomeetria. (J) Ühekihilise grafeeni ja SEBS-i substraadi maksimaalse peamise logaritmilise tüve simulatsioonikontuurikaart 20% välise tüve korral. (K) Erinevate grafeenistruktuuride pragude pindala tiheduse (punane veerg), kerimisala tiheduse (kollane veerg) ja pinna kareduse (sinine veerg) võrdlus.
MGG-kilede venitamisel on oluline lisamehhanism, mille abil rullid suudavad sildada grafeeni pragunenud piirkondi, säilitades perkolatsioonivõrgu. Grafeenrullid on paljutõotavad, kuna need võivad olla kümneid mikromeetreid pikad ja seega suudavad siluda pragusid, mis on tavaliselt kuni mikromeetri skaala. Lisaks, kuna rullid koosnevad mitmest grafeenikihist, on neil eeldatavasti madal takistus. Võrdluseks, võrreldava juhtiva sillavõime tagamiseks on vaja suhteliselt tihedaid (madalama läbilaskvusega) CNT-võrke, kuna CNT-d on väiksemad (tavaliselt mõne mikromeetri pikkused) ja vähem juhtivad kui rullid. Teisest küljest, nagu on näidatud joonisel fig. S12, kuigi grafeen praguneb venitamise ajal, et kohandada pinget, siis rullid ei pragune, mis näitab, et viimane võib libiseda alloleval grafeenil. Põhjus, miks need ei pragune, tuleneb tõenäoliselt ülesrullitud struktuurist, mis koosneb paljudest grafeenikihtidest (pikkusega ~1–20 μm, laiusega ~0,1–1 μm ja kõrgusega ~10–100 nm). kõrgem efektiivne moodul kui ühekihiline grafeen. Nagu Green ja Hersam (42) teatasid, võivad metallist CNT-võrgud (toru läbimõõt 1,0 nm) saavutada madala lehe takistuse <100 oomi / ruutmeetri kohta, hoolimata CNT-de vahelisest suurest ristmiku takistusest. Arvestades, et meie grafeenirullide laiused on 0, 1–1 μm ja G / G rullide kontaktpinnad on palju suuremad kui CNT-del, ei tohiks grafeeni ja grafeenirullide vaheline kontakttakistus ja kontaktpind olla kõrge juhtivuse säilitamiseks piiravad tegurid.
Grafeenil on palju suurem moodul kui SEBS-i substraadil. Kuigi grafeenielektroodi efektiivne paksus on palju väiksem kui substraadi oma, on grafeeni jäikus korrutatud selle paksusega võrreldav substraadi omaga (43, 44), mille tulemuseks on mõõdukas jäik-saare efekt. Simuleerisime 1 nm paksuse grafeeni deformatsiooni SEBS-i substraadil (üksikasju vt lisamaterjalidest). Simulatsioonitulemuste kohaselt, kui SEBS-i substraadile rakendatakse väliselt 20% pinget, on grafeeni keskmine pinge ~6,6% (joonis 4J ja joonis S13D), mis on kooskõlas eksperimentaalsete vaatlustega (vt joonis S13). . Võrdlesime optilise mikroskoopia abil mustrilise grafeeni ja substraadi piirkondade tüve ja leidsime, et substraadipiirkonna tüvi on vähemalt kaks korda suurem kui grafeenipiirkonna tüvi. See näitab, et grafeenelektroodide mustritele rakendatav pinge võib olla märkimisväärselt piiratud, moodustades SEBS-i peal grafeenist jäigad saared (26, 43, 44).
Seetõttu võimaldavad MGG elektroodide võimet säilitada kõrget juhtivust suure pinge korral tõenäoliselt kaks peamist mehhanismi: (i) rullid võivad ühendada lahti ühendatud piirkondi, et säilitada juhtivat perkolatsioonirada, ja (ii) mitmekihilised grafeenilehed / elastomeer võivad libiseda. üksteise kohal, mille tulemuseks on grafeenelektroodide pinge vähenemine. Kui elastomeeril on mitu ülekantud grafeenikihti, ei ole kihid üksteisega tugevalt kinnitatud, mis võib vastusena pingele libiseda (27). Kerimised suurendasid ka grafeenikihtide karedust, mis võib aidata suurendada grafeenikihtide eraldumist ja seega võimaldada grafeenikihtide libisemist.
Täissüsinikuga seadmeid otsitakse entusiastlikult madalate kulude ja suure läbilaskevõime tõttu. Meie puhul valmistati süsinikust koosnevad transistorid, kasutades alumist grafeeniväravat, ülemist grafeeniallika / äravoolukontakti, sorteeritud CNT pooljuhti ja dielektrikuna SEBS-i (joonis 5A). Nagu on näidatud joonisel 5B, on süsinikust koosnev seade, mille allikaks/äravooluks ja väravaks on CNT-d (alumine seade), läbipaistmatum kui grafeenelektroodidega seade (ülemine seade). Selle põhjuseks on asjaolu, et CNT-võrgud nõuavad suuremat paksust ja sellest tulenevalt madalamat optilist läbilaskvust, et saavutada grafeeniga sarnased lehtede takistused (joonis S4). Joonisel 5 (C ja D) on kujutatud kahekihiliste MGG elektroodidega valmistatud transistori tüüpilised ülekande- ja väljundkõverad enne deformatsiooni. Pingutamata transistori kanali laius ja pikkus olid vastavalt 800 ja 100 μm. Mõõdetud sisse- ja väljalülitussuhe on suurem kui 103, kui sisse- ja väljalülitusvoolud on vastavalt 10-5 ja 10-8 A tasemel. Väljundkõveral on ideaalsed lineaarsed ja küllastusrežiimid, millel on selge paisupinge sõltuvus, mis näitab ideaalset kontakti CNT-de ja grafeenelektroodide vahel (45). Täheldati, et grafeenelektroodide kontakttakistus oli madalam kui aurustunud Au-kile (vt joonis S14). Venitatava transistori küllastusliikuvus on umbes 5, 6 cm2 / Vs, mis on sarnane samade polümeeridega sorteeritud CNT-transistoride omaga jäikadel Si-substraatidel, mille dielektriline kiht on 300 nm SiO2. Optimeeritud torutiheduse ja muud tüüpi torudega on võimalik liikuvust veelgi parandada ( 46).
(A) Grafeenil põhineva venitatava transistori skeem. SWNT-d, ühe seinaga süsinik-nanotorud. (B) Foto grafeenelektroodidest (ülemine) ja CNT-elektroodidest (alumine) valmistatud venitatavatest transistoridest. Läbipaistvuse erinevus on selgelt märgatav. (C ja D) Grafeenil põhineva transistori ülekande- ja väljundkõverad SEBS-is enne pinget. (E ja F) Ülekandekõverad, sisse- ja väljalülitusvool, sisse- ja väljalülitussuhe ning grafeenipõhise transistori liikuvus erinevatel tüvedel.
Kui läbipaistvat süsinikust sisaldavat seadet venitati laengu transpordi suunaga paralleelses suunas, täheldati minimaalset lagunemist kuni 120% pingeni. Venitamise ajal vähenes liikuvus pidevalt 5,6 cm2/Vs 0% pinge juures väärtuseni 2,5 cm2/Vs 120% pinge juures (joonis 5F). Võrdlesime ka transistori jõudlust erinevate kanali pikkuste korral (vt tabelit S1). Märkimisväärne on see, et nii suure kui 105% pinge korral oli kõigil neil transistoridel endiselt kõrge sisse- ja väljalülitussuhe (> 103) ja liikuvus (> 3 cm2/Vs). Lisaks võtsime kokku kõik hiljutised tööd süsinikutransistoride kohta (vt tabel S2) (47–52). Optimeerides seadmete valmistamist elastomeeridel ja kasutades kontaktidena MGG-sid, näitavad meie süsinikusisaldusega transistorid head jõudlust nii liikuvuse ja hüstereesi osas kui ka väga venivad.
Täielikult läbipaistva ja venitatava transistori rakendusena kasutasime seda LED-i lülituste juhtimiseks (joonis 6A). Nagu on näidatud joonisel 6B, on roheline LED selgelt nähtav läbi venitatava süsinikust seadme, mis on asetatud otse kohale. Venitades kuni ~100% (joonis 6, C ja D), LED-valguse intensiivsus ei muutu, mis on kooskõlas ülalkirjeldatud transistori jõudlusega (vt filmi S1). See on esimene aruanne grafeenelektroodide abil valmistatud venitatavatest juhtplokkidest, mis demonstreerib uut võimalust grafeenist venitatava elektroonika jaoks.
(A) Transistori vooluahel LED-i juhtimiseks. GND, maandus. (B) Foto 0% pingega venitavast ja läbipaistvast süsiniktransistorist, mis on paigaldatud rohelise LED-i kohale. (C) LED-i lülitamiseks kasutatav süsinikust läbipaistev ja veniv transistor paigaldatakse LED-i kohale 0% (vasakul) ja ~100% pingega (paremal). Valged nooled osutavad seadme kollastele markeritele, mis näitavad venitatud kauguse muutust. (D) Venitatud transistori külgvaade, LED on lükatud elastomeeri.
Kokkuvõtteks oleme välja töötanud läbipaistva juhtiva grafeenistruktuuri, mis säilitab venitatavate elektroodidena kõrge juhtivuse suurte pingete korral, mida võimaldavad virnastatud grafeenikihtide vahel paiknevad grafeeni nanoscrollid. Need kahe- ja kolmekihilised MGG elektroodstruktuurid elastomeeril suudavad säilitada vastavalt 21 ja 65% oma 0% deformatsioonijuhtivusest kuni 100% deformatsiooni korral, võrreldes tüüpiliste ühekihiliste grafeenelektroodide täieliku juhtivuse kadumisega 5% pinge korral. . Grafeenrullide täiendavad juhtivad teed ja nõrk interaktsioon ülekantud kihtide vahel aitavad kaasa suuremale juhtivuse stabiilsusele pinge all. Lisaks kasutasime seda grafeenistruktuuri süsinikust venitatavate transistoride valmistamiseks. Siiani on see kõige venivam grafeenipõhine transistor, millel on parim läbipaistvus ilma paindumist kasutamata. Kuigi käesolev uuring viidi läbi selleks, et võimaldada grafeeni kasutamist venitatava elektroonika jaoks, usume, et seda lähenemist saab laiendada ka teistele 2D materjalidele, et võimaldada venitatavat 2D elektroonikat.
Suure pindalaga CVD-grafeeni kasvatati riputatud Cu-fooliumidel (99,999%; Alfa Aesar) konstantsel rõhul 0,5 mtorr, 50-SCCM (standardne kuupsentimeetrit minutis) CH4 ja 20-SCCM H2 kui eelkäijad temperatuuril 1000 °C. Cu-fooliumi mõlemad pooled olid kaetud ühekihilise grafeeniga. Cu-fooliumi ühel küljel kaeti õhuke PMMA kiht (2000 pööret minutis; A4, Microchem), mis moodustas PMMA / G / Cu foolium / G struktuuri. seejärel leotati kogu kilet 0,1 M ammooniumpersulfaadi [(NH4)2S2O8] lahuses umbes 2 tundi, et söövitada Cu-foolium. Selle protsessi käigus rebenes kaitsmata tagumine grafeen kõigepealt piki terade piire ja rullus seejärel pindpinevuse tõttu rullideks. Rullid kinnitati PMMA-ga toetatud ülemisele grafeenkilele, moodustades PMMA / G / G rullid. Seejärel pesti kilesid mitu korda deioniseeritud vees ja asetati sihtsubstraadile, näiteks jäigale SiO2/Si või plastsubstraadile. Niipea, kui kinnitatud kile kuivas substraadil, leotati proovi järjestikku atsetoonis, 1:1 atsetoonis/IPA-s (isopropüülalkoholis) ja IPA-s 30 sekundit, et eemaldada PMMA. Kilesid kuumutati temperatuuril 100 °C 15 minutit või hoiti öö läbi vaakumis, et täielikult eemaldada kinnijäänud vesi, enne kui sellele kanti veel üks G/G kerimiskiht. Selle sammu eesmärk oli vältida grafeenkile eraldumist substraadist ja tagada MGG-de täielik katmine PMMA kandekihi vabanemise ajal.
MGG struktuuri morfoloogiat jälgiti optilise mikroskoobi (Leica) ja skaneeriva elektronmikroskoobi (1 kV; FEI) abil. G-rullide üksikasjade jälgimiseks kasutati koputusrežiimis aatomjõu mikroskoopi (Nanoscope III, Digital Instrument). Kile läbipaistvust testiti ultraviolettkiirgusele nähtava spektromeetriga (Agilent Cary 6000i). Katsete jaoks, kui tüvi oli piki voolu voolu risti, kasutati fotolitograafiat ja O2 plasmat grafeenistruktuuride ribadeks (~ 300 μm lai ja ~ 2000 μm pikk) mustrimiseks ning Au (50 nm) elektroodid kanti termiliselt, kasutades varjumaskid pika külje mõlemas otsas. Seejärel viidi grafeeniribad kokku SEBS-i elastomeeriga (~2 cm lai ja ~5 cm pikk), kusjuures ribade pikitelg oli paralleelne SEBS-i lühikese küljega, millele järgnes BOE (puhverdatud oksiidsöövitus) (HF:H2O). 1:6) söövitus ja eutektiline galliumindium (EGaIn) elektrikontaktidena. Paralleelsete tüvetestide jaoks kanti mustrita grafeenistruktuurid (~ 5 × 10 mm) SEBS-i substraatidele, kusjuures pikad teljed olid paralleelsed SEBS-i substraadi pika küljega. Mõlemal juhul venitati kogu G (ilma G-rullideta) / SEBS piki elastomeeri pikka külge käsitsi aparaadis ja kohapeal mõõtsime nende takistuse muutusi pinge all sondijaamas pooljuhtanalüsaatoriga (Keithley 4200). -SCS).
Elastsel substraadil olevad väga venivad ja läbipaistvad süsinikust koosnevad transistorid valmistati järgmiste protseduuride abil, et vältida polümeeri dielektriku ja substraadi orgaanilise lahusti kahjustamist. MGG struktuurid kanti paiselektroodidena SEBS-ile. Ühtse õhukese kilega polümeeri dielektrilise kihi (paksus 2 μm) saamiseks kaeti SEBS-i tolueeni (80 mg/ml) lahus oktadetsüültriklorosilaani (OTS) modifitseeritud SiO2/Si substraadil tsentrifuugimisega kiirusel 1000 p/min 1 minuti jooksul. Õhukese dielektrilise kile saab hüdrofoobselt OTS-i pinnalt hõlpsasti üle kanda SEBS-i substraadile, mis on kaetud ettevalmistatud grafeeniga. Kondensaatorit saab valmistada vedelmetalli (EGaIn; Sigma-Aldrich) ülemise elektroodi paigutamisega, et määrata mahtuvus tüve funktsioonina, kasutades LCR (induktiivsus, mahtuvus, takistus) mõõturit (Agilent). Transistori teine osa koosnes polümeerist sorteeritud pooljuht-CNT-dest, järgides eelnevalt kirjeldatud protseduure (53). Mustrilised allika / äravoolu elektroodid valmistati jäikadele SiO2 / Si substraatidele. Seejärel lamineeriti kaks osa, dielektriline/G/SEBS ja CNT/mustriline G/SiO2/Si, üksteise külge ja leotati BOE-s, et eemaldada jäik SiO2/Si substraat. Nii valmistati täielikult läbipaistvad ja venivad transistorid. Elektriline testimine pinge all viidi läbi käsitsi venitusseadistusel ülalmainitud meetodil.
Selle artikli lisamaterjal on saadaval aadressil http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
joon. S1. Ühekihilise MGG optilised mikroskoopiapildid SiO2 / Si substraatidel erinevatel suurendustel.
joon. S4. Ühe-, kahe- ja kolmekihilise tavalise grafeeni (mustad ruudud), MGG (punased ringid) ja CNT-de (sinine kolmnurk) kahe sondi lehe takistuste ja läbilaskvuste võrdlus 550 nm juures.
joon. S7. Ühe- ja kahekihiliste MGG-de (must) ja G (punane) normaliseeritud resistentsuse muutus ~1000 tsüklilise tüve koormuse korral vastavalt kuni 40 ja 90% paralleeltüveni.
joon. S10. SEM-kujutis kolmekihilisest MGG-st SEBS-i elastomeeril pärast deformatsiooni, mis näitab pikka kerimisristi mitme prao kohal.
joon. S12. AFM-kujutis kolmekihilisest MGG-st väga õhukesel SEBS elastomeeril 20% pingega, mis näitab, et rull ristus üle prao.
tabel S1. Kahekihiliste MGG-üheseinaliste süsinik-nanotoru transistoride liikuvus erinevatel kanalipikkustel enne ja pärast pinget.
See on avatud juurdepääsuga artikkel, mida levitatakse Creative Commons Attribution-Noncommercial litsentsi tingimuste alusel, mis lubab kasutada, levitada ja reprodutseerida mis tahes kandjal, tingimusel et sellest tulenev kasutamine ei ole ärilise kasu saamiseks ja kui originaalteos on korralikult viidatud.
MÄRKUS. Küsime teie e-posti aadressi ainult selleks, et inimene, kellele lehte soovitate, teaks, et soovite, et nad seda näeksid, ja et see pole rämpspost. Me ei jäädvusta ühtegi e-posti aadressi.
See küsimus on mõeldud selleks, et testida, kas olete inimesest külastaja või mitte, ja selleks, et vältida rämpsposti automaatset 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.
Postitusaeg: 28.01.2021