Dvodimenzionalni materijali, poput grafena, atraktivni su i za konvencionalne poluprovodničke primjene i za nove primjene u fleksibilnoj elektronici. Međutim, visoka zatezna čvrstoća grafena rezultira lomljenjem pri niskom naprezanju, što otežava iskorištavanje njegovih izvanrednih elektronskih svojstava u rastezljivoj elektronici. Kako bismo omogućili izvrsne performanse prozirnih grafenskih provodnika zavisne od naprezanja, kreirali smo grafenske nanosvitke između naslaganih grafenskih slojeva, nazvane višeslojni grafen/grafenski svitci (MGG). Pod naprezanjem, neki svitci su premostili fragmentirane domene grafena kako bi održali perkolacijsku mrežu koja je omogućila izvrsnu provodljivost pri visokim naprezanjima. Troslojni MGG-ovi na elastomerima zadržali su 65% svoje prvobitne provodljivosti pri 100% naprezanja, što je okomito na smjer protoka struje, dok su troslojni filmovi grafena bez nanosvitka zadržali samo 25% svoje početne provodljivosti. Rastezljivi tranzistor od ugljika izrađen korištenjem MGG-ova kao elektroda pokazao je propusnost od >90% i zadržao je 60% svog prvobitnog izlaza struje pri 120% naprezanja (paralelno sa smjerom transporta naboja). Ovi visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od ugljika mogli bi omogućiti sofisticiranu rastezljivu optoelektroniku.
Rastezljiva transparentna elektronika je rastuće polje koje ima važne primjene u naprednim biointegriranim sistemima (1, 2), kao i potencijal za integraciju sa rastezljivom optoelektronikom (3, 4) za proizvodnju sofisticirane meke robotike i displeja. Grafen pokazuje vrlo poželjna svojstva atomske debljine, visoke transparentnosti i visoke provodljivosti, ali njegovu primjenu u rastezljivim primjenama ometa sklonost pucanju pri malim naprezanjima. Prevazilaženje mehaničkih ograničenja grafena moglo bi omogućiti nove funkcionalnosti u rastezljivim transparentnim uređajima.
Jedinstvena svojstva grafena čine ga jakim kandidatom za sljedeću generaciju prozirnih provodljivih elektroda (5, 6). U poređenju sa najčešće korištenim prozirnim provodnikom, indijum-kalaj oksidom [ITO; 100 oma/kvadrat (kv.m²) pri 90% prozirnosti], monoslojni grafen uzgojen hemijskim taloženjem iz pare (CVD) ima sličnu kombinaciju otpora sloja (125 oma/kv.m²) i prozirnosti (97,4%) (5). Osim toga, grafenski filmovi imaju izvanrednu fleksibilnost u poređenju sa ITO (7). Na primjer, na plastičnoj podlozi, njegova provodljivost se može zadržati čak i za radijus savijanja zakrivljenosti od samo 0,8 mm (8). Kako bi se dodatno poboljšale njegove električne performanse kao prozirnog fleksibilnog provodnika, prethodni radovi su razvili hibridne grafenske materijale sa jednodimenzionalnim (1D) srebrnim nanožicama ili ugljičnim nanocjevčicama (CNT) (9–11). Štaviše, grafen se koristi kao elektrode za miješane dimenzionalne heterostrukturne poluprovodnike (kao što su 2D rasuti Si, 1D nanožice/nanocijevi i 0D kvantne tačke) (12), fleksibilne tranzistore, solarne ćelije i svjetleće diode (LED) (13–23).
Iako je grafen pokazao obećavajuće rezultate za fleksibilnu elektroniku, njegova primjena u rastezljivoj elektronici bila je ograničena njegovim mehaničkim svojstvima (17, 24, 25); grafen ima krutost u ravnini od 340 N/m i Youngov modul od 0,5 TPa (26). Jaka ugljik-ugljik mreža ne pruža nikakve mehanizme disipacije energije za primijenjeno naprezanje i stoga lako puca pri naprezanju manjem od 5%. Na primjer, CVD grafen prenesen na elastičnu podlogu od polidimetilsiloksana (PDMS) može održati svoju provodljivost samo pri naprezanju manjem od 6% (8). Teorijski proračuni pokazuju da bi gužvanje i međudjelovanje između različitih slojeva trebalo snažno smanjiti krutost (26). Slaganjem grafena u više slojeva, izvještava se da se ovaj dvo- ili troslojni grafen rasteže do 30% naprezanja, pokazujući promjenu otpora 13 puta manju od one kod jednoslojnog grafena (27). Međutim, ova rastezljivost je i dalje znatno inferiorna u odnosu na najsavremenije rastezljive provodnike (28, 29).
Tranzistori su važni u rastezljivim primjenama jer omogućavaju sofisticirano očitavanje senzora i analizu signala (30, 31). Tranzistori na PDMS-u s višeslojnim grafenom kao elektrodama izvora/odvoda i materijalom kanala mogu održavati električnu funkciju do 5% naprezanja (32), što je znatno ispod minimalne potrebne vrijednosti (~50%) za nosive senzore za praćenje zdravlja i elektroničku kožu (33, 34). Nedavno je istražen pristup grafen kirigami, a tranzistor zatvoren tekućim elektrolitom može se rastegnuti do čak 240% (35). Međutim, ova metoda zahtijeva suspendirani grafen, što komplicira proces izrade.
Ovdje postižemo visoko rastezljive grafenske uređaje interkalacijom grafenskih spirala (dužine ~1 do 20 μm, širine ~0,1 do 1 μm i visine ~10 do 100 nm) između slojeva grafena. Pretpostavljamo da bi ove grafenske spirala mogle osigurati provodne puteve za premošćivanje pukotina u grafenskim listovima, održavajući tako visoku provodljivost pod naponom. Grafenske spirala ne zahtijevaju dodatnu sintezu ili proces; one se prirodno formiraju tokom postupka mokrog prijenosa. Korištenjem višeslojnih G/G (grafen/grafen) spirala (MGG), rastezljivih grafenskih elektroda (izvor/odvod i gejt) i poluprovodničkih ugljičnih nanočestica (CNT), uspjeli smo demonstrirati visoko transparentne i visoko rastezljive tranzistore od ugljika, koji se mogu rastegnuti do 120% napona (paralelno sa smjerom transporta naboja) i zadržati 60% svog prvobitnog izlaza struje. Ovo je do sada najrastezljiviji transparentni tranzistor na bazi ugljika i osigurava dovoljnu struju za pokretanje neorganske LED diode.
Kako bismo omogućili prozirne rastezljive grafenske elektrode velike površine, odabrali smo grafen uzgojen CVD-om na Cu foliji. Cu folija je bila obješena u središte CVD kvarcne cijevi kako bi se omogućio rast grafena s obje strane, formirajući G/Cu/G strukture. Za prijenos grafena, prvo smo centrifugiranjem nanijeli tanki sloj poli(metil metakrilata) (PMMA) kako bismo zaštitili jednu stranu grafena, koju smo nazvali gornji grafen (obrnuto za drugu stranu grafena), a potom je cijeli film (PMMA/gornji grafen/Cu/donji grafen) natopljen otopinom (NH4)2S2O8 kako bi se nagrizla Cu folija. Donji grafen bez PMMA premaza neizbježno će imati pukotine i defekte koji omogućavaju prodiranje sredstva za nagrizanje (36, 37). Kao što je prikazano na slici 1A, pod utjecajem površinske napetosti, oslobođeni grafenski domeni su se smotali u spirale i potom pričvrstili na preostali gornji G/PMMA film. Gornji G/G svitci mogu se prenijeti na bilo koju podlogu, kao što je SiO2/Si, staklo ili meki polimer. Ponavljanje ovog procesa prijenosa nekoliko puta na istu podlogu daje MGG strukture.
(A) Shematski prikaz postupka izrade MGG-a kao rastezljive elektrode. Tokom transfera grafena, grafen sa zadnje strane Cu folije je lomljen na granicama i defektima, smotan u proizvoljne oblike i čvrsto pričvršćen na gornje filmove, formirajući nanosvitke. Četvrti crtež prikazuje naslaganu MGG strukturu. (B i C) TEM karakterizacije monoslojnog MGG-a visoke rezolucije, fokusirajući se na monoslojni grafen (B) i područje svitka (C), respektivno. Umetak (B) je slika malog uvećanja koja prikazuje ukupnu morfologiju monoslojnih MGG-a na TEM mreži. Umeci (C) su profili intenziteta snimljeni duž pravokutnih okvira naznačenih na slici, gdje su udaljenosti između atomskih ravni 0,34 i 0,41 nm. (D) EEL spektar ugljika na K-ivici sa označenim karakterističnim grafitnim π* i σ* vrhovima. (E) Presječna AFM slika monoslojnih G/G svitkova sa profilom visine duž žute isprekidane linije. (F do I) Optička mikroskopija i AFM slike trosloja G bez (F i H) i sa spiralama (G i I) na SiO2/Si podlogama debljine 300 nm. Reprezentativne spirala i nabori su označeni kako bi se istakle njihove razlike.
Kako bismo provjerili da li su svitci po prirodi smotani grafen, proveli smo studije transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) visoke rezolucije i spektroskopije gubitka energije elektrona (EEL) na strukturama svitkova monosloja gornjeg G/G sloja. Slika 1B prikazuje heksagonalnu strukturu monoslojnog grafena, a umetak prikazuje ukupnu morfologiju filma prekrivenog jednom ugljičnom rupom TEM mreže. Monoslojni grafen prostire se preko većeg dijela mreže, a pojavljuju se i neke pahuljice grafena u prisustvu više slojeva heksagonalnih prstenova (slika 1B). Zumiranjem pojedinačnog svitka (slika 1C), uočili smo veliku količinu resa rešetke grafena, s razmakom rešetke u rasponu od 0,34 do 0,41 nm. Ova mjerenja sugeriraju da su pahuljice nasumično smotane i da nisu savršeni grafit, koji ima razmak rešetke od 0,34 nm u slaganju slojeva "ABAB". Slika 1D prikazuje EEL spektar ugljika na K-brdici, gdje vrh na 285 eV potiče iz π* orbitale, a drugi oko 290 eV je posljedica prelaza σ* orbitale. Može se vidjeti da sp2 veza dominira u ovoj strukturi, što potvrđuje da su spirale visoko grafitne.
Slike dobijene optičkom mikroskopijom i mikroskopijom atomskih sila (AFM) pružaju uvid u distribuciju grafenskih nanosvitaka u MGG-ovima (slika 1, E do G, i slike S1 i S2). Spilaci su nasumično raspoređeni po površini, a njihova gustoća u ravnini raste proporcionalno broju naslaganih slojeva. Mnogi spirali su zapetljani u čvorove i pokazuju neujednačene visine u rasponu od 10 do 100 nm. Dugi su od 1 do 20 μm i široki od 0,1 do 1 μm, ovisno o veličini njihovih početnih grafenskih pahuljica. Kao što je prikazano na slici 1 (H i I), spirali imaju znatno veće veličine od bora, što dovodi do mnogo grubljeg međupovršinskog sloja između slojeva grafena.
Za mjerenje električnih svojstava, oblikovali smo grafenske filmove sa ili bez spiralnih struktura i slaganjem slojeva u trake širine 300 μm i dužine 2000 μm koristeći fotolitografiju. Otpori s dvije sonde kao funkcija naprezanja mjereni su pod ambijentalnim uvjetima. Prisustvo spirala smanjilo je otpornost monoslojnog grafena za 80%, uz smanjenje propusnosti od samo 2,2% (slika S4). Ovo potvrđuje da nanospirali, koji imaju visoku gustoću struje do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), daju vrlo pozitivan električni doprinos MGG-ima. Među svim mono-, dvo- i troslojnim običnim grafenom i MGG-ima, troslojni MGG ima najbolju provodljivost s prozirnošću od gotovo 90%. Radi usporedbe s drugim izvorima grafena navedenima u literaturi, također smo izmjerili otpore slojeva s četiri sonde (slika S5) i naveli ih kao funkciju propusnosti na 550 nm (slika S6) na slici 2A. MGG pokazuje uporedivu ili veću provodljivost i transparentnost od vještački složenog višeslojnog običnog grafena i reduciranog grafen oksida (RGO) (6, 8, 18). Treba napomenuti da su otpornosti slojeva vještački složenog višeslojnog običnog grafena iz literature nešto veće od otpornosti našeg MGG-a, vjerovatno zbog njihovih neoptimiziranih uslova rasta i metode prenosa.
(A) Otpori slojeva s četiri sonde u odnosu na transmitanciju na 550 nm za nekoliko vrsta grafena, gdje crni kvadrati označavaju mono-, dvo- i troslojne MGG-ove; crveni krugovi i plavi trokuti odgovaraju višeslojnom običnom grafenu uzgojenom na Cu i Ni iz studija Li et al. (6) i Kim et al. (8), respektivno, a potom prenesenom na SiO2/Si ili kvarc; a zeleni trokuti su vrijednosti za RGO pri različitim stupnjevima redukcije iz studije Bonaccorso et al. (18). (B i C) Normalizirana promjena otpora mono-, dvo- i troslojnih MGG-ova i G kao funkcija okomitog (B) i paralelnog (C) naprezanja u odnosu na smjer toka struje. (D) Normalizirana promjena otpora dvosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem naprezanja do 50% okomitog naprezanja. (E) Normalizirana promjena otpora trosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem naprezanja do 90% paralelnog naprezanja. (F) Normalizirana promjena kapacitivnosti mono-, dvo- i troslojnog G i dvo- i troslojnog MGG-a kao funkcija naprezanja. Umetak prikazuje strukturu kondenzatora, gdje je polimerna podloga SEBS, a polimerni dielektrični sloj SEBS debljine 2 μm.
Kako bismo procijenili performanse MGG-a zavisne od naprezanja, prenijeli smo grafen na termoplastične elastomerne stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) podloge (širine ~2 cm i dužine ~5 cm), a provodljivost je mjerena dok je podloga rastezana (vidi Materijali i metode) i okomito i paralelno sa smjerom protoka struje (Sl. 2, B i C). Električno ponašanje zavisno od naprezanja poboljšalo se ugradnjom nanospirala i povećanjem broja slojeva grafena. Na primjer, kada je naprezanje okomito na tok struje, za monoslojni grafen, dodavanje spirala povećalo je naprezanje pri električnom prekidu sa 5 na 70%. Tolerancija na naprezanje troslojnog grafena također je značajno poboljšana u poređenju sa monoslojnim grafenom. Sa nanospiralama, pri 100% okomitom naprezanju, otpor troslojne MGG strukture povećao se samo za 50%, u poređenju sa 300% za troslojni grafen bez spirala. Istražena je promjena otpora pod cikličkim opterećenjem naprezanja. Poređenja radi (Sl. 2D), otpori običnog dvoslojnog grafenskog filma povećali su se oko 7,5 puta nakon ~700 ciklusa pri 50% okomitog naprezanja i nastavili su se povećavati s naprezanjem u svakom ciklusu. S druge strane, otpor dvoslojnog MGG-a povećao se samo oko 2,5 puta nakon ~700 ciklusa. Primjenom naprezanja do 90% duž paralelnog smjera, otpor troslojnog grafena povećao se ~100 puta nakon 1000 ciklusa, dok je kod troslojnog MGG-a taj porast samo ~8 puta (Sl. 2E). Rezultati ciklusa prikazani su na sl. S7. Relativno brže povećanje otpora duž paralelnog smjera naprezanja posljedica je toga što je orijentacija pukotina okomita na smjer protoka struje. Odstupanje otpora tokom opterećenja i rasterećenja naprezanja posljedica je viskoelastičnog oporavka SEBS elastomerne podloge. Stabilniji otpor MGG traka tokom ciklusa posljedica je prisustva velikih spirala koje mogu premostiti napukle dijelove grafena (što je uočeno AFM-om), pomažući u održavanju puta perkolacije. Ovaj fenomen održavanja provodljivosti perkolirajućim putem je ranije zabilježen kod napuknutih metalnih ili poluprovodničkih filmova na elastomernim podlogama (40, 41).
Kako bismo procijenili ove filmove na bazi grafena kao gejt elektrode u rastezljivim uređajima, prekrili smo sloj grafena SEBS dielektričnim slojem (debljine 2 μm) i pratili promjenu dielektričnog kapaciteta kao funkciju naprezanja (vidi sliku 2F i dodatne materijale za detalje). Primijetili smo da su se kapaciteti s običnim monoslojnim i dvoslojnim grafen elektrodama brzo smanjili zbog gubitka provodljivosti grafena u ravnini. Nasuprot tome, kapaciteti s gejt elektrodama MGG-a, kao i običan troslojni grafen, pokazali su povećanje kapaciteta s naprezanjem, što se i očekuje zbog smanjenja dielektrične debljine s naprezanjem. Očekivano povećanje kapaciteta vrlo se dobro poklapalo sa strukturom MGG-a (slika S8). To ukazuje da je MGG pogodan kao gejt elektroda za rastezljive tranzistore.
Kako bismo dalje istražili ulogu 1D grafenskog svitka na toleranciju naprezanja električne provodljivosti i bolje kontrolirali razdvajanje između slojeva grafena, koristili smo CNT-ove nanesene raspršivanjem kako bismo zamijenili grafenske spirale (vidi Dodatne materijale). Kako bismo imitirali MGG strukture, nanijeli smo CNT-ove u tri gustoće (tj. CNT1
(A do C) AFM slike tri različite gustoće ugljičnih nanostruktura (CNT1
Kako bismo bolje razumjeli njihovu sposobnost kao elektroda za rastezljivu elektroniku, sistematski smo istražili morfologije MGG i G-CNT-G pod naprezanjem. Optička mikroskopija i skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) nisu efikasne metode karakterizacije jer obje nemaju kontrast boja, a SEM je podložan artefaktima slike tokom elektronskog skeniranja kada se grafen nalazi na polimernim podlogama (slike S9 i S10). Kako bismo in situ posmatrali površinu grafena pod naprezanjem, prikupili smo AFM mjerenja na troslojnim MGG-ima i običnom grafenu nakon prenosa na vrlo tanke (debljine ~0,1 mm) i elastične SEBS podloge. Zbog intrinzičnih defekata u CVD grafenu i vanjskih oštećenja tokom procesa prenosa, neizbježno se stvaraju pukotine na napregnutom grafenu, a s povećanjem naprezanja, pukotine postaju gušće (slika 4, A do D). U zavisnosti od strukture slaganja elektroda na bazi ugljika, pukotine pokazuju različite morfologije (slika S11) (27). Gustoća površine pukotina (definirana kao površina pukotine/analizirana površina) višeslojnog grafena je manja od one kod monoslojnog grafena nakon naprezanja, što je u skladu s povećanjem električne provodljivosti za MGG. S druge strane, često se opaža da spirale premošćuju pukotine, pružajući dodatne provodne puteve u napregnutom filmu. Na primjer, kao što je označeno na slici na slici 4B, široka spirala je prelazila preko pukotine u troslojnom MGG, ali nije uočena spirala u običnom grafenu (slika 4, od E do H). Slično tome, ugljične nanotrubice (CNT) su također premostile pukotine u grafenu (slika S11). Gustoća površine pukotina, gustoća površine spirala i hrapavost filmova sumirane su na slici 4K.
(A do H) In situ AFM slike troslojnih G/G spirala (A do D) i troslojnih G struktura (E do H) na vrlo tankom SEBS (debljine ~0,1 mm) elastomeru pri 0, 20, 60 i 100% naprezanja. Reprezentativne pukotine i spirali su označeni strelicama. Sve AFM slike su u području od 15 μm × 15 μm, koristeći istu skalu boja kao što je označeno. (I) Simulacijska geometrija uzorkovanih monoslojnih grafenskih elektroda na SEBS podlozi. (J) Simulacijska konturna mapa maksimalnog glavnog logaritamskog naprezanja u monoslojnom grafenu i SEBS podlozi pri 20% vanjskog naprezanja. (K) Poređenje gustine površine pukotina (crvena kolona), gustine površine spirala (žuta kolona) i hrapavosti površine (plava kolona) za različite strukture grafena.
Kada se MGG filmovi rastegnu, postoji važan dodatni mehanizam kojim spirale mogu premostiti napuknuta područja grafena, održavajući perkolacijsku mrežu. Grafenske spirale su obećavajuće jer mogu biti duge desetine mikrometara i stoga su sposobne premostiti pukotine koje su obično do mikrometarske skale. Nadalje, budući da se spirale sastoje od više slojeva grafena, očekuje se da imaju nizak otpor. Poređenja radi, relativno guste (niže propusnosti) CNT mreže su potrebne da bi se obezbijedila uporediva sposobnost provodljivog premošćivanja, budući da su CNT manji (obično nekoliko mikrometara dužine) i manje provodljivi od spirala. S druge strane, kao što je prikazano na slici S12, dok grafen puca tokom istezanja kako bi se prilagodio naprezanju, spirale ne pucaju, što ukazuje na to da bi potonje mogle kliziti po podložnom grafenu. Razlog zašto ne pucaju vjerovatno je zbog smotane strukture, sastavljene od mnogo slojeva grafena (dužine ~1 do 20 μm, širine ~0,1 do 1 μm i visine ~10 do 100 nm), koji ima veći efektivni modul od jednoslojnog grafena. Kao što su izvijestili Green i Hersam (42), metalne CNT mreže (prečnik cijevi od 1,0 nm) mogu postići niske otpore slojeva <100 oma/kvadrat uprkos velikom otporu spoja između CNT-ova. S obzirom na to da naši grafenski spirale imaju širinu od 0,1 do 1 μm i da G/G spirale imaju mnogo veće kontaktne površine od CNT-ova, kontaktni otpor i kontaktna površina između grafena i grafenskih spirala ne bi trebali biti ograničavajući faktori za održavanje visoke provodljivosti.
Grafen ima mnogo veći modul elastičnosti od SEBS supstrata. Iako je efektivna debljina grafenske elektrode mnogo niža od debljine supstrata, krutost grafena pomnožena s debljinom supstrata je usporediva s krutošću supstrata (43, 44), što rezultira umjerenim efektom krutog otoka. Simulirali smo deformaciju grafena debljine 1 nm na SEBS supstratu (vidi Dodatne materijale za detalje). Prema rezultatima simulacije, kada se na SEBS supstrat izvana primijeni napon od 20%, prosječni napon u grafenu je ~6,6% (slika 4J i slika S13D), što je u skladu s eksperimentalnim zapažanjima (vidi sliku S13). Uporedili smo napon u uzorkovanim područjima grafena i supstrata koristeći optičku mikroskopiju i otkrili da je napon u području supstrata najmanje dvostruko veći od napona u području grafena. To ukazuje na to da bi napon primijenjen na uzorke grafenskih elektroda mogao biti značajno ograničen, formirajući krute otoke grafena na vrhu SEBS-a (26, 43, 44).
Stoga, sposobnost MGG elektroda da održe visoku provodljivost pod visokim naprezanjem vjerovatno je omogućena dvama glavnim mehanizmima: (i) Spirule mogu premostiti nepovezana područja kako bi održale provodni perkolacijski put, i (ii) višeslojni grafenski listovi/elastomer mogu kliziti jedan preko drugog, što rezultira smanjenim naprezanjem grafenskih elektroda. Kod više slojeva prenesenog grafena na elastomer, slojevi nisu snažno povezani jedan s drugim, što može kliziti kao odgovor na naprezanje (27). Spirule su također povećale hrapavost grafenskih slojeva, što može pomoći u povećanju razmaka između grafenskih slojeva i stoga omogućiti klizanje grafenskih slojeva.
Uređaji od ugljika se s entuzijazmom traže zbog niske cijene i visokog protoka. U našem slučaju, tranzistori od ugljika izrađeni su korištenjem donjeg grafenskog gejta, gornjeg grafenskog kontakta izvor/odvod, sortiranog CNT poluprovodnika i SEBS-a kao dielektrika (slika 5A). Kao što je prikazano na slici 5B, uređaj od ugljika s CNT-ima kao izvorom/odvodom i gejtom (donji uređaj) je neprozirniji od uređaja s grafenskim elektrodama (gornji uređaj). To je zato što CNT mreže zahtijevaju veće debljine i, posljedično, niže optičke transmitancije kako bi se postigli otpori slojeva slični onima kod grafena (slika S4). Slika 5 (C i D) prikazuje reprezentativne krivulje prijenosa i izlaza prije naprezanja za tranzistor napravljen s dvoslojnim MGG elektrodama. Širina i dužina kanala nenapregnutog tranzistora bile su 800 i 100 μm, respektivno. Izmjereni omjer uključeno/isključeno je veći od 103 sa strujama uključeno i isključeno na nivoima od 10−5 i 10−8 A, respektivno. Izlazna krivulja pokazuje idealne linearne i zasićene režime s jasnom ovisnošću o naponu gejta, što ukazuje na idealan kontakt između ugljičnih nanotraka (CNT) i grafenskih elektroda (45). Uočeno je da je kontaktni otpor s grafenskim elektrodama niži nego s isparanim Au filmom (vidi sliku S14). Mobilnost zasićenja rastezljivog tranzistora je oko 5,6 cm2/Vs, slično mobilnosti istih polimerno sortiranih CNT tranzistora na krutim Si podlogama s 300 nm SiO2 kao dielektričnim slojem. Daljnje poboljšanje mobilnosti moguće je optimiziranom gustoćom cijevi i drugim vrstama cijevi (46).
(A) Shema rastezljivog tranzistora na bazi grafena. SWNT-ovi, jednozidne ugljične nanocijevi. (B) Fotografija rastezljivih tranzistora napravljenih od grafenskih elektroda (gore) i CNT elektroda (dolje). Razlika u transparentnosti je jasno uočljiva. (C i D) Krivulje prijenosa i izlaza tranzistora na bazi grafena na SEBS-u prije naprezanja. (E i F) Krivulje prijenosa, struja uključenja i isključenja, omjer uključenja/isključenja i pokretljivost tranzistora na bazi grafena pri različitim naprezanjima.
Kada je prozirni, potpuno ugljični uređaj rastegnut u smjeru paralelnom smjeru transporta naboja, uočena je minimalna degradacija do 120% naprezanja. Tokom istezanja, pokretljivost se kontinuirano smanjivala od 5,6 cm2/Vs pri 0% naprezanja do 2,5 cm2/Vs pri 120% naprezanja (slika 5F). Također smo uporedili performanse tranzistora za različite dužine kanala (vidi tabelu S1). Posebno je važno napomenuti da su pri naprezanju od čak 105%, svi ovi tranzistori i dalje pokazivali visok omjer uključeno/isključeno (>103) i pokretljivost (>3 cm2/Vs). Osim toga, sumirali smo sve nedavne radove na potpuno ugljičnim tranzistorima (vidi tabelu S2) (47–52). Optimizacijom izrade uređaja na elastomerima i korištenjem MGG-a kao kontakata, naši potpuno ugljični tranzistori pokazuju dobre performanse u smislu pokretljivosti i histereze, kao i visoku rastezljivost.
Kao primjenu potpuno prozirnog i rastezljivog tranzistora, koristili smo ga za kontrolu prebacivanja LED diode (slika 6A). Kao što je prikazano na slici 6B, zelena LED dioda se jasno vidi kroz rastezljivi uređaj od ugljika postavljen direktno iznad. Prilikom istezanja do ~100% (slika 6, C i D), intenzitet svjetlosti LED diode se ne mijenja, što je u skladu s gore opisanim performansama tranzistora (pogledajte film S1). Ovo je prvi izvještaj o rastezljivim kontrolnim jedinicama napravljenim korištenjem grafenskih elektroda, što demonstrira novu mogućnost za rastezljivu grafensku elektroniku.
(A) Kolo tranzistora za pokretanje LED diode. GND, uzemljenje. (B) Fotografija rastezljivog i prozirnog tranzistora od ugljika pri 0% naprezanja, montiranog iznad zelene LED diode. (C) Prozirni i rastezljivi tranzistor od ugljika koji se koristi za uključivanje LED diode montira se iznad LED diode pri 0% (lijevo) i ~100% naprezanja (desno). Bijele strelice pokazuju kao žute markere na uređaju kako bi se prikazala promjena udaljenosti pri istezanju. (D) Bočni pogled na rastegnuti tranzistor, s LED diodom utisnutom u elastomer.
Zaključno, razvili smo prozirnu provodljivu strukturu grafena koja održava visoku provodljivost pod velikim naprezanjima kao rastezljive elektrode, što omogućavaju grafenski nanosvitci između naslaganih slojeva grafena. Ove dvo- i troslojne MGG elektrodne strukture na elastomeru mogu održati 21% odnosno 65% svoje provodljivosti od 0% naprezanja pri naprezanju i do 100%, u poređenju s potpunim gubitkom provodljivosti pri naprezanju od 5% za tipične monoslojne grafenske elektrode. Dodatne provodljive staze grafenskih svitaka, kao i slaba interakcija između prenesenih slojeva, doprinose superiornoj stabilnosti provodljivosti pod naprezanjem. Nadalje, primijenili smo ovu strukturu grafena za izradu rastezljivih tranzistora od ugljika. Do sada je ovo najrastezljiviji tranzistor na bazi grafena s najboljom transparentnošću bez korištenja izvijanja. Iako je ova studija provedena kako bi se omogućio grafen za rastezljivu elektroniku, vjerujemo da se ovaj pristup može proširiti na druge 2D materijale kako bi se omogućila rastezljiva 2D elektronika.
CVD grafen velike površine uzgajan je na suspendovanim Cu folijama (99,999%; Alfa Aesar) pod konstantnim pritiskom od 0,5 mtorr sa 50–SCCM (standardni kubni centimetar po minuti) CH4 i 20–SCCM H2 kao prekursorima na 1000°C. Obje strane Cu folije bile su prekrivene monoslojnim grafenom. Tanki sloj PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) je centrifugiran na jednoj strani Cu folije, formirajući strukturu PMMA/G/Cu folija/G. Nakon toga, cijeli film je natopljen u 0,1 M rastvoru amonijum persulfata [(NH4)2S2O8] oko 2 sata kako bi se nagrizla Cu folija. Tokom ovog procesa, nezaštićeni grafen sa zadnje strane se prvo pocijepao duž granica zrna, a zatim se smotao u spirale zbog površinske napetosti. Spirale su pričvršćene na gornji grafenski film podržan PMMA-om, formirajući PMMA/G/G spirale. Filmovi su potom nekoliko puta isprani u deioniziranoj vodi i položeni na ciljnu podlogu, kao što je kruta SiO2/Si ili plastična podloga. Čim se pričvršćeni film osuši na podlozi, uzorak je sekvencijalno natopljen acetonom, 1:1 acetonom/IPA (izopropil alkoholom) i IPA-om po 30 sekundi kako bi se uklonio PMMA. Filmovi su zagrijavani na 100°C tokom 15 minuta ili držani u vakuumu preko noći kako bi se potpuno uklonila zarobljena voda prije nego što je na njega prenesen još jedan sloj G/G svitka. Ovaj korak je bio kako bi se izbjeglo odvajanje grafenskog filma od podloge i osiguralo potpuno pokrivanje MGG-a tokom oslobađanja PMMA nosećeg sloja.
Morfologija MGG strukture posmatrana je pomoću optičkog mikroskopa (Leica) i skenirajućeg elektronskog mikroskopa (1 kV; FEI). Mikroskop atomskih sila (Nanoscope III, Digital Instrument) korišten je u režimu tapkanja kako bi se posmatrali detalji G svitaka. Prozirnost filma testirana je ultraljubičasto-vidljivim spektrometrom (Agilent Cary 6000i). Za testove kada je naprezanje bilo duž okomitog smjera toka struje, korišteni su fotolitografija i O2 plazma za oblikovanje grafenskih struktura u trake (širine ~300 μm i dužine ~2000 μm), a Au (50 nm) elektrode su termički deponovane korištenjem maski za sjenu na oba kraja duge strane. Grafenske trake su zatim stavljene u kontakt sa SEBS elastomerom (širine ~2 cm i dužine ~5 cm), s dugom osom traka paralelnom s kratkom stranom SEBS-a, nakon čega slijedi BOE (puferirano oksidno jetkanje) (HF:H2O 1:6) jetkanje i eutektički galijum indij (EGaIn) kao električni kontakti. Za paralelne testove naprezanja, neuzorkovane strukture grafena (~5 × 10 mm) prenesene su na SEBS podloge, s dugim osama paralelnim s dugom stranom SEBS podloge. U oba slučaja, cijeli G (bez G spuca)/SEBS je rastegnut duž duge strane elastomera u ručnom aparatu, a in situ smo izmjerili njihove promjene otpora pod naprezanjem na sondi s analizatorom poluvodiča (Keithley 4200-SCS).
Visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od ugljika na elastičnoj podlozi izrađeni su sljedećim postupcima kako bi se izbjeglo oštećenje polimernog dielektrika i podloge organskim rastvaračima. MGG strukture su prenesene na SEBS kao elektrode gejta. Da bi se dobio ujednačen tankoslojni polimerni dielektrični sloj (debljine 2 μm), rastvor SEBS toluena (80 mg/ml) je centrifugiran na oktadeciltrihlorosilanu (OTS)-modificiranom SiO2/Si podlozi pri 1000 rpm tokom 1 minute. Tanki dielektrični film se može lako prenijeti sa hidrofobne OTS površine na SEBS podlogu prekrivenu pripremljenim grafenom. Kondenzator se može napraviti nanošenjem gornje elektrode od tekućeg metala (EGaIn; Sigma-Aldrich) kako bi se odredio kapacitet kao funkcija naprezanja pomoću LCR (induktivitet, kapacitet, otpor) mjerača (Agilent). Drugi dio tranzistora sastojao se od polimerno sortiranih poluprovodničkih CNT-a, slijedeći postupke opisane ranije (53). Uzorkovane elektrode izvora/odvoda izrađene su na krutim SiO2/Si podlogama. Nakon toga, dva dijela, dielektrik/G/SEBS i ugljični nanocijevi/uzorkovani G/SiO2/Si, laminirani su jedan na drugi i natopljeni u BOE kako bi se uklonila kruta SiO2/Si podloga. Tako su izrađeni potpuno prozirni i rastezljivi tranzistori. Električno ispitivanje pod naponom provedeno je na postavci za ručno istezanje kao i prethodno spomenuta metoda.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
sl. S1. Slike optičke mikroskopije monoslojnog MGG na SiO2/Si supstratima pri različitim uvećanjima.
sl. S4. Poređenje otpora i transmitancija dvoslojnih slojeva na 550 nm mono-, dvo- i troslojnog običnog grafena (crni kvadrati), MGG-a (crveni krugovi) i CNT-a (plavi trougao).
sl. S7. Normalizirana promjena otpora jednoslojnih i dvoslojnih MGG-ova (crno) i G (crveno) pod cikličkim opterećenjem od ~1000 do 40% i 90% paralelnog naprezanja, respektivno.
sl. S10. SEM slika troslojnog MGG-a na SEBS elastomeru nakon naprezanja, koja prikazuje dugi poprečni presjek preko nekoliko pukotina.
sl. S12. AFM slika troslojnog MGG-a na vrlo tankom SEBS elastomeru pri naprezanju od 20%, koja pokazuje da je spirala prešla preko pukotine.
Tabela S1. Mobilnosti dvoslojnih MGG-jednozidnih tranzistora od ugljičnih nanocjevčica na različitim dužinama kanala prije i nakon naprezanja.
Ovo je članak otvorenog pristupa distribuiran pod uslovima licence Creative Commons Attribution-NonCommercial, koja dozvoljava upotrebu, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, sve dok rezultirajuća upotreba nije u komercijalne svrhe i pod uslovom da je originalni rad pravilno citiran.
NAPOMENA: Vašu email adresu tražimo samo kako bi osoba kojoj preporučujete stranicu znala da ste željeli da je vidi i da se ne radi o neželjenoj pošti. Ne prikupljamo nikakve email adrese.
Ovo pitanje služi za provjeru da li ste ljudski posjetilac i kako bi se spriječilo automatsko slanje neželjene pošte.
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
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 Američko udruženje za unapređenje nauke. Sva prava pridržana. AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Vrijeme objave: 28. januar 2021.