Dvodimenzionalni materijali, kao što je grafen, privlačni su i za konvencionalne primjene poluvodiča i za nove aplikacije u fleksibilnoj elektronici.Međutim, visoka vlačna čvrstoća grafena rezultira lomljenjem pri niskom naprezanju, što čini izazovom iskoristiti prednosti njegovih izvanrednih elektronskih svojstava u rastezljivoj elektronici.Da bismo omogućili odlične performanse zavisne od naprezanja prozirnih provodnika grafena, kreirali smo grafenske nanosvitke između naslaganih slojeva grafena, koji se nazivaju višeslojni grafen/grafenski svitci (MGG).Pod naprezanjem, neki svitci su premostili fragmentirane domene grafena kako bi održali perkolirajuću mrežu koja je omogućila odličnu provodljivost pri visokim naprezanjima.Troslojni MGG-ovi oslonjeni na elastomere zadržali su 65% svoje originalne provodljivosti pri 100% deformaciji, što je okomito na smjer strujnog toka, dok su troslojni filmovi od grafena bez nanoskrolova zadržali samo 25% svoje početne provodljivosti.Rastezljivi tranzistor sa punim ugljenikom proizveden korišćenjem MGG-a kao elektroda pokazao je transmitantnost od >90% i zadržao 60% svoje originalne izlazne struje pri 120% deformacije (paralelno sa smerom transporta naelektrisanja).Ovi visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od potpunog ugljenika mogli bi omogućiti sofisticiranu rastezljivu optoelektroniku.
Rastezljiva prozirna elektronika je rastuće polje koje ima važne primjene u naprednim biointegrisanim 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 je njegova primjena u rastezljivim aplikacijama inhibirana zbog njegove tendencije pucanja pri malim deformacijama.Prevazilaženje mehaničkih ograničenja grafena moglo bi omogućiti novu funkcionalnost u rastezljivim transparentnim uređajima.
Jedinstvena svojstva grafena čine ga jakim kandidatom za sljedeću generaciju prozirnih provodljivih elektroda (5, 6).U poređenju sa najčešće korišćenim prozirnim vodičem, indijum kalaj oksid [ITO;100 ohma/kvadrat (sq) pri 90% prozirnosti], monoslojni grafen uzgojen hemijskim taloženjem pare (CVD) ima sličnu kombinaciju otpornosti ploče (125 ohma/sq) i transparentnosti (97,4%) (5).Osim toga, grafenski filmovi imaju izuzetnu fleksibilnost u poređenju sa ITO (7).Na primjer, na plastičnoj podlozi, njegova provodljivost može se zadržati čak i za radijus savijanja zakrivljenosti od samo 0,8 mm (8).Da bi dodatno poboljšali svoje električne performanse kao prozirnog fleksibilnog provodnika, prethodni radovi su razvili hibridne materijale grafena sa jednodimenzionalnim (1D) srebrnim nanožicama ili ugljeničnim nanocevima (CNT) (9–11).Štaviše, grafen se koristio kao elektrode za heterostrukturne poluprovodnike mješovite dimenzije (kao što su 2D masiv Si, 1D nanožice/nanocijevi i 0D kvantne tačke) (12), fleksibilne tranzistori, solarne ćelije i diode koje emituju svjetlost (LED) (13 –23).
Iako je grafen pokazao obećavajuće rezultate za fleksibilnu elektroniku, njegova primjena u rastezljivoj elektronici je ograničena njegovim mehaničkim svojstvima (17, 24, 25);grafen ima krutost u ravni od 340 N/m i Youngov modul od 0,5 TPa (26).Jaka mreža ugljik-ugljik ne pruža nikakve mehanizme disipacije energije za primijenjenu deformaciju i stoga lako puca pri naprezanju manje od 5%.Na primjer, CVD grafen prebačen na elastičnu podlogu od polidimetilsiloksana (PDMS) može održati svoju provodljivost samo na 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, navodi se da je ovaj dvoslojni ili troslojni grafen rastezljiv do 30% deformacije, pokazujući promjenu otpora 13 puta manju od one kod jednoslojnog grafena (27).Međutim, ova rastezljivost je još uvijek značajno inferiorna u odnosu na najmodernije rastezljive c-provodnike (28, 29).
Tranzistori su važni u rastezljivim aplikacijama jer omogućavaju sofisticirano očitavanje senzora i analizu signala (30, 31).Tranzistori na PDMS-u sa višeslojnim grafenom kao elektrodama izvora/odvoda i materijalom kanala mogu održavati električnu funkciju do 5% deformacije (32), što je značajno ispod minimalne potrebne vrijednosti (~50%) za nosive senzore za praćenje zdravlja i elektronsku kožu ( 33, 34).Nedavno je istražen pristup grafenskom kirigamiju, a tranzistor zatvoren tekućim elektrolitom može se rastegnuti do čak 240% (35).Međutim, ova metoda zahtijeva suspendovani grafen, što komplikuje proces proizvodnje.
Ovdje postižemo visoko rastezljive grafenske uređaje interkalacijom grafenskih svitaka (~1 do 20 μm dugih, ~0,1 do 1 μm širokih i ~10 do 100 nm visokih) između slojeva grafena.Pretpostavljamo da bi ovi grafenski svitci mogli osigurati provodne puteve za premošćavanje pukotina u grafenskim listovima, održavajući tako visoku provodljivost pod naprezanjem.Svitci grafena ne zahtijevaju dodatnu sintezu ili proces;oni se prirodno formiraju tokom postupka mokrog transfera.Korištenjem višeslojnih G/G (grafenskih/grafenskih) svitaka (MGG), grafenskih rastezljivih elektroda (izvor/odvod i kapija) i poluvodičkih CNT-a, uspjeli smo demonstrirati visoko prozirne i vrlo rastezljive tranzistore od punog ugljenika, koji se mogu rastegnuti do 120 % naprezanja (paralelno sa smjerom transporta naboja) i zadržavaju 60 % svoje izvorne izlazne struje.Ovo je najrastegljiviji prozirni tranzistor baziran na ugljiku do sada, i pruža 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 suspendirana u centru CVD kvarcne cijevi kako bi se omogućio rast grafena s obje strane, formirajući G/Cu/G strukture.Da bismo prenijeli grafen, prvo smo premazali tankim slojem poli(metil metakrilata) (PMMA) kako bismo zaštitili jednu stranu grafena, koji smo nazvali gornja strana grafena (obrnuto za drugu stranu grafena), a zatim i cijeli film (PMMA/gornji grafen/Cu/donji grafen) natopljen je otopinom (NH4)2S2O8 da bi se uklonila Cu folija.Grafen sa donje strane bez PMMA premaza će neizbježno imati pukotine i defekte koji omogućavaju prodiranju nagrizajućeg materijala (36, 37).Kao što je ilustrovano na slici 1A, pod dejstvom površinske napetosti, oslobođeni domeni grafena su se smotali u svitke i potom pričvrstili na preostali gornji G/PMMA film.Top-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) Šematski prikaz postupka proizvodnje za MGG kao rastezljive elektrode.Tokom prijenosa grafena, stražnji grafen na Cu foliji je razbijen na granicama i defektima, smotao se u proizvoljne oblike i čvrsto pričvršćen za gornje filmove, formirajući nanosvitke.Četvrti crtani film prikazuje složenu MGG strukturu.(B i C) TEM karakterizacije u visokoj rezoluciji jednoslojnog MGG-a, fokusirajući se na jednoslojni grafen (B) i scroll (C) region, respektivno.Umetak (B) je slika sa malim uvećanjem koja prikazuje ukupnu morfologiju jednoslojnih MGG na TEM mreži.Umetci (C) su profili intenziteta uzeti duž pravougaonih okvira naznačenih na slici, gdje su udaljenosti između atomskih ravnina 0,34 i 0,41 nm.(D ) Ugljični EEL spektar K-ivice s označenim karakterističnim grafitnim π* i σ* vrhovima.(E) Presjek AFM slika jednoslojnih G/G svitaka s profilom visine duž žute isprekidane linije.(F do I) Optička mikroskopija i AFM slike trosloja G bez (F i H) i sa svitcima (G i I) na SiO2/Si podlogama debljine 300 nm, respektivno.Reprezentativni svitci i bore su označeni kako bi se naglasile njihove razlike.
Da bismo potvrdili da su svitci po prirodi valjani grafen, sproveli smo studije transmisione elektronske mikroskopije visoke rezolucije (TEM) i spektroskopije gubitka energije elektrona (EEL) na jednoslojnim strukturama vrha G/G spirale.Slika 1B prikazuje heksagonalnu strukturu jednoslojnog grafena, a umetak je ukupna morfologija filma prekrivenog jednom ugljeničnom rupom na TEM mreži.Jednoslojni grafen pokriva veći dio mreže, a pojavljuju se neke ljuspice grafena u prisustvu više naslaga heksagonalnih prstenova (slika 1B).Zumiranjem pojedinačnog svitka (slika 1C), uočili smo veliku količinu rubova grafenske rešetke, sa razmakom između rešetki u rasponu od 0,34 do 0,41 nm.Ova mjerenja sugeriraju da su pahuljice nasumično smotane i nisu savršeni grafit, koji ima razmak rešetke od 0,34 nm u slaganju slojeva “ABAB”.Slika 1D prikazuje EEL spektar ugljenika na K-ivici, gde pik na 285 eV potiče od π* orbitale, a drugi oko 290 eV je posledica tranzicije σ* orbitale.Može se vidjeti da sp2 veza dominira u ovoj strukturi, potvrđujući da su svitci visoko grafitni.
Slike optičke mikroskopije i mikroskopije atomske sile (AFM) pružaju uvid u distribuciju grafenskih nanosvitaka u MGGs (sl. 1, E do G i slike S1 i S2).Svitci su nasumično raspoređeni po površini, a njihova gustina u ravnini raste proporcionalno broju naslaganih slojeva.Mnogi svici su zapleteni u čvorove i pokazuju neujednačene visine u rasponu od 10 do 100 nm.Duge su od 1 do 20 μm i široke od 0,1 do 1 μm, ovisno o veličini njihovih početnih grafenskih pahuljica.Kao što je prikazano na slici 1 (H i I), svici imaju znatno veće veličine od bora, što dovodi do mnogo grubljeg interfejsa između slojeva grafena.
Da bismo izmjerili električna svojstva, uzorkovali smo grafenske filmove sa ili bez spiralnih struktura i slaganje slojeva u trake širine 300 μm i 2000 μm duge pomoću fotolitografije.Otpori dvije sonde kao funkcija deformacije mjereni su u ambijentalnim uvjetima.Prisustvo spirala je smanjilo otpornost jednoslojnog grafena za 80% uz samo 2,2% smanjenje propustljivosti (sl. S4).Ovo potvrđuje da nanoskrolovi, koji imaju veliku gustinu struje do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), daju veoma pozitivan električni doprinos MGG-ovima.Među svim mono-, dvo- i troslojnim običnim grafenom i MGG, troslojni MGG ima najbolju provodljivost sa transparentnošću od skoro 90%.Da bismo uporedili sa drugim izvorima grafena koji su prijavljeni u literaturi, takođe smo izmerili otpore ploča sa četiri sonde (slika S5) i naveli ih kao funkciju transmitancije na 550 nm (slika S6) na slici 2A.MGG pokazuje uporedivu ili veću provodljivost i transparentnost od umjetno naslaganog višeslojnog običnog grafena i reduciranog grafen oksida (RGO) (6, 8, 18).Imajte na umu da su otpori listova umjetno naslaganog višeslojnog običnog grafena iz literature nešto veći od otpora našeg MGG-a, vjerovatno zbog njihovih neoptimiziranih uvjeta rasta i metode prijenosa.
(A) Otpori ploča sa četiri sonde u odnosu na propusnost na 550 nm za nekoliko tipova grafena, gdje crni kvadrati označavaju jedno-, dvo- i troslojne MGG;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 zatim preneti na SiO2/Si ili kvarc;i zeleni trokuti su vrijednosti za RGO na različitim stupnjevima redukcije iz studije Bonaccorso et al.( 18).(B i C) Normalizovana promena otpora jedno-, dvo- i troslojnih MGG i G kao funkcija okomite (B) i paralelne (C) deformacije na smer strujanja.(D) Normalizirana promjena otpora dvosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličnim opterećenjem deformacijom do 50% okomitog naprezanja.(E) Normalizovana promena otpora trosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličnim opterećenjem do 90% paralelnog deformisanja.(F) Normalizirana promjena kapacitivnosti mono-, dvo- i troslojnih G i dvo- i troslojnih MGG kao funkcija deformacije.Umetak je kondenzatorska struktura, gdje je polimerni supstrat SEBS, a polimerni dielektrični sloj je SEBS debljine 2 μm.
Da bismo procijenili performanse MGG-a zavisne od deformacije, prenijeli smo grafen na termoplastične elastomerne podloge stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) (~2 cm široke i ~5 cm dugačke), a provodljivost je izmjerena kako se supstrat rastezao. (vidi materijale i metode) i okomito i paralelno sa smjerom strujanja (sl. 2, B i C).Električno ponašanje ovisno o naprezanju poboljšano je ugradnjom nanoskrolova i povećanjem broja slojeva grafena.Na primjer, kada je deformacija okomita na strujni tok, za jednoslojni grafen, dodavanje svitaka povećalo je deformaciju pri električnom lomu sa 5 na 70%.Tolerancija deformacije troslojnog grafena je takođe značajno poboljšana u poređenju sa jednoslojnim grafenom.Sa nanoskrolovima, pri 100% okomitoj deformaciji, otpor troslojne MGG strukture se povećao samo za 50%, u poređenju sa 300% za troslojni grafen bez svitaka.Istražena je promjena otpora pri cikličkom opterećenju deformacijom.Poređenja radi (slika 2D), otpori običnog dvoslojnog grafenskog filma povećali su se oko 7,5 puta nakon ~700 ciklusa pri 50% okomitom naprezanju i stalno se povećavali sa naprezanjem u svakom ciklusu.S druge strane, otpor dvoslojnog MGG-a se povećao samo oko 2,5 puta nakon ~700 ciklusa.Primjenjujući do 90% naprezanja u paralelnom smjeru, otpor troslojnog grafena se povećao ~100 puta nakon 1000 ciklusa, dok je samo ~8 puta u troslojnom MGG (slika 2E).Rezultati vožnje biciklom su prikazani na sl.S7.Relativno brže povećanje otpora duž paralelnog smjera deformacije je zbog toga što je orijentacija pukotina okomita na smjer strujanja.Devijacija otpora tijekom opterećenja i rasterećenja nastaje zbog viskoelastičnog oporavka SEBS elastomerne podloge.Stabilniji otpor MGG traka tokom ciklusa je zbog prisustva velikih svitaka koji mogu premostiti napukle dijelove grafena (kao što je primijetio AFM), pomažući da se održi perkolacijski put.Ovaj fenomen održavanja provodljivosti putem perkolacijskog puta je ranije zabilježen za napuknute metalne ili poluvodičke filmove na elastomernim podlogama (40, 41).
Da bismo procijenili ove filmove zasnovane na grafenu kao elektrode kapije u rastezljivim uređajima, pokrili smo sloj grafena sa SEBS dielektričnim slojem (debljine 2 μm) i pratili promjenu dielektrične kapacitivnosti kao funkciju naprezanja (vidi sliku 2F i dodatne materijale za detalji).Primijetili smo da se kapaciteti s običnim jednoslojnim i dvoslojnim grafenskim elektrodama brzo smanjuju zbog gubitka provodljivosti grafena u ravnini.Nasuprot tome, kapacitivnosti koje su gazirali MGG kao i obični troslojni grafen pokazali su povećanje kapacitivnosti s deformacijom, što je očekivano zbog smanjenja debljine dielektrika s naprezanjem.Očekivani porast kapacitivnosti se veoma dobro poklapao sa MGG strukturom (sl. S8).Ovo ukazuje da je MGG prikladan kao elektroda gejta za rastezljive tranzistore.
Da bismo dalje istražili ulogu 1D grafenskog svitka na toleranciju naprezanja električne provodljivosti i bolju kontrolu razdvajanja između slojeva grafena, koristili smo CNT-ove obložene sprejom za zamjenu grafenskih svitaka (pogledajte Dodatni materijali).Da bismo oponašali MGG strukture, deponovali smo tri gustine CNT-a (tj. CNT1
(A do C) AFM slike tri različite gustine CNT-a (CNT1
Da bismo dalje razumjeli njihovu sposobnost kao elektrode za rastezljivu elektroniku, sistematski smo istraživali morfologije MGG i G-CNT-G pod naprezanjem.Optička mikroskopija i skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) nisu efikasne metode karakterizacije jer obema nedostaje kontrast boja i SEM je podložan artefaktima slike tokom elektronskog skeniranja kada je grafen na polimernim podlogama (slike S9 i S10).Da bismo posmatrali in situ površinu grafena pod opterećenjem, prikupili smo AFM mjerenja na troslojnim MGG-ovima i običnom grafenu nakon prenošenja na vrlo tanke (~0,1 mm debljine) i elastične SEBS podloge.Zbog intrinzičnih defekata u CVD grafenu i vanjskih oštećenja tokom procesa prijenosa, na napregnutom grafenu neizbježno nastaju pukotine, a sa povećanjem naprezanja, pukotine su postajale sve gušće (slika 4, A do D).U zavisnosti od strukture slaganja elektroda na bazi ugljenika, pukotine pokazuju različite morfologije (sl. S11) (27).Gustina područja pukotine (definirana kao površina pukotine/analizirano područje) višeslojnog grafena je manja od one kod jednoslojnog grafena nakon naprezanja, što je u skladu s povećanjem električne provodljivosti za MGG.S druge strane, često se zapažaju svitke da premoste pukotine, obezbeđujući dodatne provodne puteve u napetom filmu.Na primjer, kao što je označeno na slici na slici 4B, široki svitak je prešao preko pukotine u troslojnom MGG-u, ali u običnom grafenu nije uočen svitak (slika 4, E do H).Slično, CNT-ovi su također premostili pukotine u grafenu (slika S11).Gustoća područja pukotina, gustina područja pomicanja i hrapavost filmova sumirani su na slici 4K.
(A do H) In situ AFM slike troslojnih G/G svitaka (A do D) i troslojnih G struktura (E do H) na vrlo tankom SEBS (~0,1 mm debljine) elastomeru na 0, 20, 60 i 100 % naprezanja.Reprezentativne pukotine i svici su upereni strelicama.Sve AFM slike su u području od 15 μm × 15 μm, koristeći istu traku skale boja kao što je označeno.(I) Simulacija geometrije uzorkovanih jednoslojnih grafenskih elektroda na SEBS supstratu.(J) Simulacija konturne karte najveće glavne logaritamske deformacije u jednoslojnom grafenu i SEBS supstratu pri 20% vanjskog naprezanja.(K) Poređenje gustine područja pukotina (crveni stupac), gustoće područja pomicanja (žuti stupac) i hrapavosti površine (plavi stupac) za različite strukture grafena.
Kada se MGG filmovi rastegnu, postoji važan dodatni mehanizam da svitci mogu premostiti napuknute regije grafena, održavajući perkolirajuću mrežu.Grafenski svitci obećavaju jer mogu biti desetine mikrometara u dužini i stoga sposobni premostiti pukotine koje su tipično do mikrometarske skale.Nadalje, budući da se svici sastoje od više slojeva grafena, očekuje se da imaju nisku otpornost.Za usporedbu, relativno guste (niže propusnosti) CNT mreže su potrebne da bi se obezbijedila uporediva provodljiva sposobnost premošćavanja, budući da su CNT manji (obično nekoliko mikrometara u dužini) i manje provodljivi od svitaka.S druge strane, kao što je prikazano na sl.S12, dok grafen puca tokom istezanja kako bi se prilagodio naprezanju, svitci ne pucaju, što ukazuje da bi potonji mogao kliziti po grafenu ispod.Razlog zašto ne pucaju je vjerovatno zbog smotane strukture, sastavljene od mnogo slojeva grafena (~1 do 20 μm dužine, ~0,1 do 1 μm široke i ~10 do 100 nm visine), koja ima viši efektivni modul od jednoslojnog grafena.Kako su izvijestili Green i Hersam (42), metalne CNT mreže (prečnik cijevi od 1,0 nm) mogu postići niske otpore ploča <100 ohma/sq uprkos velikom otporu spoja između CNT-a.Uzimajući u obzir da naši grafenski svitci imaju širine od 0,1 do 1 μm i da G/G svitci imaju mnogo veće kontaktne površine od CNT-a, kontaktni otpor i kontaktna površina između grafena i grafenskih svitaka ne bi trebali biti ograničavajući faktori za održavanje visoke provodljivosti.
Grafen ima mnogo veći modul od SEBS supstrata.Iako je efektivna debljina grafenske elektrode mnogo niža od debljine supstrata, krutost grafena pomnožena njegova debljina je uporediva sa onom podloge (43, 44), što rezultira umjerenim efektom krutog ostrva.Simulirali smo deformaciju grafena debljine 1 nm na SEBS supstratu (pogledajte dodatne materijale za detalje).Prema rezultatima simulacije, kada se 20% deformacije nanese na SEBS supstrat spolja, prosječna deformacija u grafenu je ~6,6% (slika 4J i slika S13D), što je u skladu s eksperimentalnim zapažanjima (vidi sliku S13) .Uporedili smo soj u uzorkovanim regijama grafena i supstrata koristeći optičku mikroskopiju i otkrili da je soj u području supstrata najmanje dvostruko veći od naprezanja u području grafena.Ovo ukazuje da bi naprezanje primijenjeno na uzorcima grafenskih elektroda moglo biti značajno ograničeno, formirajući grafenska kruta ostrva na vrhu SEBS-a (26, 43, 44).
Stoga je sposobnost MGG elektroda da održe visoku provodljivost pod velikim naprezanjem vjerovatno omogućena pomoću dva glavna mehanizma: (i) svitci mogu premostiti nepovezane regije kako bi održali provodljivi put perkolacije i (ii) višeslojni listovi grafena/elastomer mogu kliziti jedan preko drugog, što rezultira smanjenim naprezanjem na grafenskim elektrodama.Za više slojeva prenesenog grafena na elastomeru, slojevi nisu jako povezani jedan s drugim, što može kliziti kao odgovor na naprezanje (27).Svitci su također povećali hrapavost slojeva grafena, što može pomoći da se poveća razmak između slojeva grafena i stoga omogući klizanje slojeva grafena.
Potpuno ugljični uređaji se s entuzijazmom traže zbog niske cijene i velike propusnosti.U našem slučaju, potpuno ugljični tranzistori su proizvedeni korištenjem donjeg grafenskog gejta, gornjeg kontakta izvora/drejna grafena, sortiranog CNT poluvodiča i SEBS-a kao dielektrika (slika 5A).Kao što je prikazano na slici 5B, potpuno ugljenični uređaj sa CNT-om kao izvorom/drenom i gejtom (donji uređaj) je neprozirniji od uređaja sa grafenskim elektrodama (gornji uređaj).To je zato što CNT mreže zahtijevaju veće debljine i, posljedično, niže optičke transmitanse da bi se postigle otpornosti ploča slične onima kod grafena (slika S4).Slika 5 (C i D) prikazuje reprezentativne krive prijenosa i izlaza prije naprezanja za tranzistor napravljen sa dvoslojnim MGG elektrodama.Širina kanala i dužina nenapregnutog tranzistora bile su 800 i 100 μm, respektivno.Izmjereni odnos uključivanja i isključivanja je veći od 103 sa strujama uključivanja i isključivanja na nivoima od 10−5 i 10−8 A, respektivno.Izlazna kriva pokazuje idealne linearne režime i režime zasićenja sa jasnom zavisnošću gejt-napona, što ukazuje na idealan kontakt između CNT-a i grafenskih elektroda (45).Uočeno je da je kontaktni otpor sa grafenskim elektrodama manji nego kod isparenog Au filma (vidi sl. S14).Mobilnost zasićenja rastezljivog tranzistora je oko 5,6 cm2/Vs, slično kao kod istih polimerno sortiranih CNT tranzistora na krutim Si supstratima sa 300-nm SiO2 kao dielektričnim slojem.Dalje poboljšanje mobilnosti moguće je uz optimizovanu gustinu cijevi i drugih tipova cijevi (46).
(A) Šema rastezljivog tranzistora na bazi grafena.SWNT, jednoslojne ugljenične nanocevi.(B) Fotografija rastezljivih tranzistora napravljenih od grafenskih elektroda (gore) i CNT elektroda (dole).Razlika u transparentnosti je jasno uočljiva.( C i D) Krive prijenosa i izlaza tranzistora baziranog na grafenu na SEBS prije naprezanja.(E i F) Krivulje prijenosa, uključena i isključena struja, omjer uključivanja i isključivanja i mobilnost tranzistora baziranog na grafenu pri različitim deformacijama.
Kada je prozirni, potpuno ugljenični uređaj rastegnut u smjeru paralelnom smjeru prijenosa naboja, primijećena je minimalna degradacija do 120% deformacije.Tokom istezanja, pokretljivost se kontinuirano smanjivala sa 5,6 cm2/Vs pri 0% deformacije na 2,5 cm2/Vs pri 120% deformacije (slika 5F).Takođe smo uporedili performanse tranzistora za različite dužine kanala (vidi tabelu S1).Primjetno, pri naprezanju od čak 105%, svi ovi tranzistori su i dalje pokazivali visok omjer uključivanja/isključivanja (>103) i pokretljivost (>3 cm2/Vs).Pored toga, sumirali smo sve nedavne radove na tranzistorima koji sadrže potpuno ugljenik (vidi tabelu S2) (47–52).Optimiziranjem izrade uređaja na elastomerima i korištenjem MGG-a kao kontakata, naši tranzistori od potpunog ugljenika pokazuju dobre performanse u smislu mobilnosti i histereze, kao i vrlo rastezljivost.
Kao primjenu potpuno prozirnog i rastegljivog tranzistora, koristili smo ga za kontrolu prebacivanja LED dioda (slika 6A).Kao što je prikazano na slici 6B, zelena LED dioda se može jasno vidjeti kroz rastezljivi potpuno karbonski uređaj postavljen direktno iznad.Dok se rasteže do ~100% (slika 6, C i D), intenzitet LED svjetla se ne mijenja, što je u skladu sa gore opisanim performansama tranzistora (pogledajte film S1).Ovo je prvi izvještaj o rastezljivim kontrolnim jedinicama napravljenim korištenjem grafenskih elektroda, demonstrirajući novu mogućnost za elektroniku rastezljive grafene.
(A) Kolo tranzistora za pogon LED.GND, uzemljenje.(B) Fotografija rastezljivog i prozirnog tranzistora od potpunog ugljenika pri 0% naprezanja postavljenog iznad zelene LED diode.(C) Potpuno ugljični prozirni i rastezljivi tranzistor koji se koristi za prebacivanje LED diode montira se iznad LED diode na 0% (lijevo) i ~100% naprezanje (desno).Bijele strelice pokazuju kako žuti markeri na uređaju pokazuju promjenu udaljenosti koja se rasteže.(D) Pogled sa strane na rastegnuti tranzistor, sa LED diodom gurnutim u elastomer.
U zaključku, razvili smo prozirnu provodljivu strukturu grafena koja održava visoku provodljivost pod velikim naprezanjima kao rastezljive elektrode, omogućenu grafenskim nanosvitcima između naslaganih slojeva grafena.Ove dvoslojne i troslojne MGG elektrodne strukture na elastomeru mogu održavati 21 odnosno 65%, respektivno, od svojih 0% provodljivosti deformacija pri naprezanju do 100%, u poređenju sa potpunim gubitkom provodljivosti pri deformaciji od 5% za tipične jednoslojne grafenske elektrode .Dodatni provodni putevi grafenskih svitaka, kao i slaba interakcija između prenesenih slojeva doprinose superiornoj stabilnosti provodljivosti pod naprezanjem.Dalje smo primijenili ovu grafensku strukturu za proizvodnju rastezljivih tranzistora od potpunog ugljenika.Do sada, ovo je najrastegljiviji tranzistor baziran na grafenu 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 u minuti) CH4 i 20–SCCM H2 kao prekursorima na 1000°C.Obje strane Cu folije bile su prekrivene jednoslojnim grafenom.Tanki sloj PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) je centrifugiran na jednoj strani Cu folije, formirajući PMMA/G/Cu folija/G strukturu.nakon toga, cijeli film je natopljen u 0,1 M rastvor amonijum persulfata [(NH4)2S2O8] oko 2 sata da bi se uklonila Cu folija.Tokom ovog procesa, nezaštićeni grafen sa zadnje strane se prvo pocepao duž granica zrna, a zatim se smotao u svitke zbog površinske napetosti.Svitci su pričvršćeni na gornji grafenski film podržan od PMMA, formirajući PMMA/G/G svitke.Filmovi su nakon toga nekoliko puta isprani u deioniziranoj vodi i položeni na ciljnu podlogu, kao što je kruta SiO2/Si ili plastična podloga.Čim se pričvršćeni film osušio na podlozi, uzorak je uzastopno natopljen acetonom, 1:1 aceton/IPA (izopropil alkohol) i IPA po 30 s da bi se uklonio PMMA.Filmovi su grijani na 100°C 15 min ili držani u vakuumu preko noći kako bi se potpuno uklonila zarobljena voda prije nego što je drugi sloj G/G scrolla prebačen na njega.Ovaj korak je bio da se izbjegne odvajanje grafenskog filma od supstrata i osigura potpuna pokrivenost MGGs tokom oslobađanja PMMA nosećeg sloja.
Morfologija MGG strukture promatrana je pomoću optičkog mikroskopa (Leica) i skenirajućeg elektronskog mikroskopa (1 kV; FEI).Mikroskop atomske sile (Nanoskop III, Digitalni instrument) radio je u režimu tapkanja da bi se posmatrali detalji G svitaka.Transparentnost filma je testirana ultraljubičastim vidljivim spektrometrom (Agilent Cary 6000i).Za testove kada je naprezanje bilo duž okomitog smjera strujanja, korišteni su fotolitografija i O2 plazma za oblikovanje grafenskih struktura u trake (~300 μm široke i ~2000 μm dugačke), a Au (50 nm) elektrode su termički nanesene pomoću maske senke na oba kraja duge strane.Grafenske trake su zatim stavljene u kontakt sa SEBS elastomerom (~2 cm širine i ~5 cm dugačke), sa dugom osom traka paralelno sa kratkom stranom SEBS-a, praćenom BOE (puferovanim oksidnim jetkanjem) (HF:H2O 1:6) jetkanje i eutektički galijum indijum (EGaIn) kao električni kontakti.Za paralelne testove deformacije, grafenske strukture bez uzorka (~5 × 10 mm) prebačene su na SEBS supstrate, sa dugim osama paralelnim sa dugom stranom SEBS supstrata.Za oba slučaja, cijeli G (bez G scrolova)/SEBS je razvučen duž dugačke strane elastomera u ručnom aparatu, a in situ smo mjerili promjene otpora pod naprezanjem na sondnoj stanici sa poluvodičkim analizatorom (Keithley 4200 -SCS).
Visoko rastezljivi i transparentni tranzistori sa punim ugljikom na elastičnoj podlozi proizvedeni su sljedećim postupcima kako bi se izbjeglo oštećenje polimernog dielektrika i supstrata organskim rastvaračem.MGG strukture su prebačene na SEBS kao gejt elektrode.Da bi se dobio jednolični tankoslojni polimerni dielektrični sloj (debljine 2 μm), otopina SEBS toluena (80 mg/ml) je centrifugirana na oktadeciltriklorosilanu (OTS)-modificiranom SiO2/Si supstratu pri 1000 rpm u trajanju od 1 min.Tanak dielektrični film može se lako prenijeti sa hidrofobne OTS površine na SEBS supstrat prekriven pripremljenim grafenom.Kondenzator bi se mogao napraviti postavljanjem gornje elektrode od tekućeg metala (EGaIn; Sigma-Aldrich) kako bi se odredio kapacitet kao funkcija deformacije pomoću LCR (induktivnost, kapacitivnost, otpor) metra (Agilent).Drugi dio tranzistora se sastojao od polimerno sortiranih poluprovodničkih CNT-a, slijedeći prethodno navedene procedure (53).Uzorane elektrode izvora/odvoda izrađene su na krutim SiO2/Si podlogama.Nakon toga, dva dijela, dielektrik/G/SEBS i CNTs/s uzorkom G/SiO2/Si, laminirani su jedan na drugi i natopljeni u BOE kako bi se uklonila kruta SiO2/Si podloga.Tako su proizvedeni potpuno prozirni i rastezljivi tranzistori.Električno ispitivanje pod naprezanjem izvedeno je na ručnoj postavci istezanja kao gore spomenuta metoda.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
sl.S1.Optički mikroskopski snimci jednoslojnog MGG na SiO2/Si supstratima pri različitim uvećanjima.
sl.S4.Poređenje otpornosti i transmitancije ploča sa dvije sonde na 550 nm jednoslojnog, dvoslojnog i troslojnog običnog grafena (crni kvadrati), MGG (crveni krugovi) i CNT (plavi trokut).
sl.S7.Normalizovana promena otpora jednoslojnih i dvoslojnih MGG (crnih) i G (crvenih) pod ~1000 cikličkog opterećenja deformacijom do 40 i 90% paralelnog deformisanja, respektivno.
sl.S10.SEM slika troslojnog MGG-a na SEBS elastomeru nakon naprezanja, koji prikazuje dugi križni križ preko nekoliko pukotina.
sl.S12.AFM slika troslojnog MGG na vrlo tankom SEBS elastomeru pri 20% deformacije, pokazuje da je svitak prešao preko pukotine.
tabela S1.Pokretljivost dvoslojnih MGG – jednoslojnih tranzistora ugljičnih nanocijevi na različitim dužinama kanala prije i poslije naprezanja.
Ovo je članak otvorenog pristupa distribuiran pod uslovima Creative Commons Attribution-NonCommercial licence, koja dozvoljava upotrebu, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, sve dok rezultirajuća upotreba nije u komercijalne svrhe i pod uslovom da je originalno djelo ispravno citirano.
NAPOMENA: Vašu adresu e-pošte tražimo samo kako bi osoba kojoj preporučujete stranicu znala da ste željeli da je vidi i da to nije neželjena pošta.Ne bilježimo nijednu adresu e-pošte.
Ovo pitanje je za testiranje da li ste ili ne ljudski posjetitelj i za sprječavanje automatiziranog slanja 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 zadržana.AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Vrijeme objave: Jan-28-2021