Дводимензионалните материјали, како што е графенот, се привлечни и за конвенционалните полупроводнички апликации и за новонастанатите апликации во флексибилната електроника. Сепак, високата затегнувачка цврстина на графенот резултира со кршење при ниско оптоварување, што го отежнува искористувањето на неговите извонредни електронски својства во растегливата електроника. За да овозможиме одлични перформанси зависни од оптоварувањето на транспарентните графенски спроводници, создадовме графенски нано-свитоци помеѓу наредени слоеви на графен, наречени повеќеслојни графен/графенски спирали (MGG). Под оптоварување, некои спирали ги премостуваа фрагментираните домени на графенот за да одржат перколирачка мрежа што овозможуваше одлична спроводливост при високи оптоварувања. Трослојните MGG потпрени на еластомери задржаа 65% од нивната оригинална спроводливост при 100% оптоварување, што е нормално на насоката на протокот на струјата, додека трислојните филмови од графен без нано-свитоци задржаа само 25% од нивната почетна спроводливост. Растеглив транзистор целосно од јаглерод изработен со употреба на MGG како електроди покажал пропустливост од >90% и задржал 60% од својата оригинална излезна струја при напрегање од 120% (паралелно со насоката на транспорт на полнеж). Овие високо растегливи и транспарентни транзистори целосно од јаглерод би можеле да овозможат софистицирана растеглива оптоелектроника.
Растегливата транспарентна електроника е растечка област која има важни примени во напредните биоинтегрирани системи (1, 2), како и потенцијал за интегрирање со растеглива оптоелектроника (3, 4) за производство на софистицирана мека роботика и дисплеи. Графенот покажува многу пожелни својства на атомска дебелина, висока транспарентност и висока спроводливост, но неговата имплементација во растегливи апликации е попречена од неговата тенденција да пука при мали деформации. Надминувањето на механичките ограничувања на графенот би можело да овозможи нова функционалност кај растегливите транспарентни уреди.
Уникатните својства на графенот го прават силен кандидат за следната генерација на транспарентни спроводливи електроди (5, 6). Во споредба со најчесто користениот транспарентен спроводник, индиум-калај оксид [ITO; 100 оми/квадрат (кв.) при 90% транспарентност], еднослојниот графен одгледан со хемиско таложење на пареа (CVD) има слична комбинација на отпорност на лист (125 оми/кв.) и транспарентност (97,4%) (5). Покрај тоа, графенските филмови имаат извонредна флексибилност во споредба со ITO (7). На пример, на пластична подлога, неговата спроводливост може да се задржи дури и за радиус на свиткување на закривеност од само 0,8 mm (8). За понатамошно подобрување на неговите електрични перформанси како транспарентен флексибилен спроводник, претходните трудови развија хибридни материјали од графен со еднодимензионални (1D) сребрени наножици или јаглеродни наноцевки (CNT) (9-11). Покрај тоа, графенот се користи како електроди за мешанодимензионални хетероструктурни полупроводници (како што се 2D Si, 1D наножици/наноцевки и 0D квантни точки) (12), флексибилни транзистори, соларни ќелии и диоди што емитуваат светлина (LED) (13–23).
Иако графенот покажа ветувачки резултати за флексибилна електроника, неговата примена во растеглива електроника е ограничена од неговите механички својства (17, 24, 25); графенот има цврстина во рамнината од 340 N/m и Јангов модул од 0,5 TPa (26). Силната јаглерод-јаглерод мрежа не обезбедува никакви механизми за дисипација на енергија за применетото оптоварување и затоа лесно пука при оптоварување помало од 5%. На пример, CVD графенот префрлен на еластична подлога од полидиметилсилоксан (PDMS) може да ја одржи својата спроводливост само при оптоварување помало од 6% (8). Теоретските пресметки покажуваат дека згужвувањето и меѓусебното дејствување помеѓу различните слоеви треба силно да ја намалат цврстината (26). Со редење на графенот во повеќе слоеви, се наведува дека овој двослоен или трослоен графен е растеглив до 30% оптоварување, покажувајќи промена на отпорот 13 пати помала од онаа на еднослојниот графен (27). Сепак, оваа растегливост е сè уште значително инфериорна во однос на најсовремените растегливи спроводници (28, 29).
Транзисторите се важни во растегливите апликации бидејќи овозможуваат софистицирано отчитување на сензорите и анализа на сигналите (30, 31). Транзисторите на PDMS со повеќеслоен графен како изворни/одводни електроди и материјал на каналот можат да одржат електрична функција до 5% напрегање (32), што е значително под минималната потребна вредност (~50%) за носиви сензори за следење на здравјето и електронска обвивка (33, 34). Неодамна, беше истражен пристапот на графен киригами, а транзисторот контролиран од течен електролит може да се растегне до 240% (35). Сепак, овој метод бара суспендиран графен, што го комплицира процесот на производство.
Тука, постигнуваме високо растегливи графенски уреди со интеркалација на графенски спирали (долги ~1 до 20 μm, широки ~0,1 до 1 μm и високи ~10 до 100 nm) помеѓу слоевите на графенот. Претпоставуваме дека овие графенски спирали би можеле да обезбедат спроводливи патеки за премостување на пукнатините во графенските листови, со што се одржува висока спроводливост под оптоварување. Графенските спирали не бараат дополнителна синтеза или процес; тие природно се формираат за време на постапката на влажен пренос. Со користење на повеќеслојни G/G (графен/графен) спирали (MGGs) графенски растегливи електроди (извор/одвод и порта) и полупроводнички CNT, бевме во можност да демонстрираме високо транспарентни и високо растегливи транзистори целосно од јаглерод, кои можат да се растегнат до 120% оптоварување (паралелно со насоката на транспорт на полнеж) и да задржат 60% од нивната оригинална излезна струја. Ова е најрастегливиот транспарентен транзистор базиран на јаглерод досега и обезбедува доволно струја за да напојува неорганска LED диода.
За да овозможиме транспарентни растегливи графенски електроди со голема површина, избравме графен одгледан со CVD на Cu фолија. Cu фолијата беше суспендирана во центарот на CVD кварцна цевка за да се овозможи раст на графенот од двете страни, формирајќи G/Cu/G структури. За да го пренесеме графенот, прво со центрифугирање обложивме тенок слој од поли(метил метакрилат) (PMMA) за да ја заштитиме едната страна од графенот, која ја нарековме горна графен (обратно за другата страна на графенот), а потоа, целиот филм (PMMA/горен графен/Cu/долен графен) беше натопен во раствор (NH4)2S2O8 за да се изгризе Cu фолијата. Графенот од долната страна без PMMA облога неизбежно ќе има пукнатини и дефекти што му овозможуваат на средството за изгризување да навлезе низ (36, 37). Како што е илустрирано на Сл. 1А, под дејство на површинскиот напон, ослободените графенски домени се свиткани во свитоци и потоа се прикачени на преостанатиот горен-G/PMMA филм. Горните G/G спирали може да се пренесат на која било подлога, како што се SiO2/Si, стакло или мек полимер. Повторувањето на овој процес на пренос неколку пати на истата подлога дава MGG структури.
(A) Шематска илустрација на постапката за производство на MGG како растеглива електрода. За време на преносот на графен, задната страна на графенот на Cu фолија беше скршена на границите и дефектите, завиткана во произволни форми и цврсто прицврстена на горните филмови, формирајќи нано-ролни. Четвртиот цртеж ја прикажува наредената структура на MGG. (B и C) TEM карактеризации со висока резолуција на еднослоен MGG, фокусирајќи се на еднослојниот графен (B) и ролниот (C) регион, соодветно. Вметнатото во (B) е слика со ниско зголемување што ја прикажува целокупната морфологија на еднослојните MGG на TEM мрежата. Вметнатото во (C) се профилите на интензитет направени по правоаголните кутии означени на сликата, каде што растојанијата помеѓу атомските рамнини се 0,34 и 0,41 nm. (D) Карбонски K-раб EEL спектар со карактеристични графитни π* и σ* врвови означени. (E) Секциска AFM слика на еднослојни G/G ролни со профил на висина по жолтата испрекината линија. (F до I) Оптичка микроскопија и AFM слики од трислој G без (F и H) и со свитоци (G и I) на подлоги од SiO2/Si со дебелина од 300 nm, соодветно. Репрезентативни свитоци и брчки беа обележани за да се истакнат нивните разлики.
За да потврдиме дека ролните се од валана природа на графен, спроведовме студии за високорезолуциона трансмисиона електронска микроскопија (TEM) и спектроскопија на губење на електронска енергија (EEL) на монослојните горни-G/G ролни структури. Слика 1B ја покажува хексагоналната структура на монослоен графен, а вметнатото е целокупна морфологија на филмот покриен со една јаглеродна дупка од TEM мрежата. Монослојниот графен се протега низ поголемиот дел од мрежата, а се појавуваат некои графенски снегулки во присуство на повеќе купови од хексагонални прстени (Сл. 1B). Со зумирање во поединечен ролен (Сл. 1C), забележавме голема количина на графенски решетки, со растојание помеѓу решетките во опсег од 0,34 до 0,41 nm. Овие мерења сугерираат дека снегулките се случајно свиткани и не се совршен графит, кој има растојание помеѓу решетките од 0,34 nm при редење на слоеви „ABAB“. Слика 1D го прикажува спектарот на EEL со K-раб на јаглерод, каде што врвот на 285 eV потекнува од π* орбиталата, а другиот околу 290 eV се должи на транзицијата на σ* орбиталата. Може да се види дека sp2 врската доминира во оваа структура, што потврдува дека свитоците се многу графитни.
Сликите од оптичка микроскопија и атомска силова микроскопија (AFM) даваат увид во дистрибуцијата на графенските нано-ролни во MGG (сл. 1, од E до G и сл. S1 и S2). Свироните се случајно распоредени по површината, а нивната густина во рамнината се зголемува пропорционално на бројот на наредени слоеви. Многу спироли се заплеткани во јазли и покажуваат нерамномерни висини во опсег од 10 до 100 nm. Тие се долги од 1 до 20 μm и широки од 0,1 до 1 μm, во зависност од големината на нивните почетни графенски снегулки. Како што е прикажано на сл. 1 (H и I), спиролите имаат значително поголеми димензии од брчките, што доведува до многу погруб интерфејс помеѓу графенските слоеви.
За да ги измериме електричните својства, моделиравме графенски филмови со или без спирални структури и редење слоеви во ленти со ширина од 300 μm и должина од 2000 μm користејќи фотолитографија. Отпорите на две сонди како функција на напрегањето беа мерени под амбиентални услови. Присуството на спирали ја намали отпорноста за еднослоен графен за 80% со само 2,2% намалување на пропустливоста (сл. S4). Ова потврдува дека наноспиралите, кои имаат висока густина на струја до 5 × 107 A/cm2 (38, 39), даваат многу позитивен електричен придонес кон MGG-ите. Меѓу сите еднослојни, двослојни и трислојни обични графени и MGG-и, трислојниот MGG има најдобра спроводливост со транспарентност од речиси 90%. За да се споредиме со други извори на графен објавени во литературата, исто така ги измеривме отпорите на листовите со четири сонди (сл. S5) и ги наведовме како функција на пропустливост на 550 nm (сл. S6) на Слика 2А. MGG покажува споредлива или поголема спроводливост и транспарентност од вештачки наредениот повеќеслоен обичен графен и редуцираниот графен оксид (RGO) (6, 8, 18). Забележете дека отпорите на листовите на вештачки наредениот повеќеслоен обичен графен од литературата се малку повисоки од оние на нашиот MGG, веројатно поради нивните неоптимизирани услови на раст и метод на пренос.
(A) Отпорности на листови со четири сонди наспроти пропустливост на 550 nm за неколку видови графен, каде што црните квадрати означуваат моно-, двослојни и трислојни MGG; црвените кругови и сините триаголници одговараат на повеќеслоен обичен графен одгледан на Cu и Ni од студиите на Li et al. (6) и Kim et al. (8), соодветно, а последователно пренесен на SiO2/Si или кварц; а зелените триаголници се вредности за RGO при различни степени на редукција од студијата на Bonaccorso et al. (18). (B и C) Нормализирана промена на отпорот на моно-, двослојни и трислојни MGG и G како функција на нормалното (B) и паралелното (C) напрегање во насоката на протокот на струјата. (D) Нормализирана промена на отпорот на двослојот G (црвено) и MGG (црно) под циклично оптоварување на напрегање до 50% нормално напрегање. (E) Нормализирана промена на отпорот на трислојот G (црвено) и MGG (црно) под циклично оптоварување на напрегање до 90% паралелно напрегање. (F) Нормализирана промена на капацитивноста на еднослојни, двослојни и трислојни G и двослојни и трислојни MGG како функција на напрегање. Вметнатото е кондензаторската структура, каде што полимерната подлога е SEBS, а полимерниот диелектричен слој е SEBS со дебелина од 2 μm.
За да се оцени ефикасноста на MGG зависна од деформацијата, префрливме графен на термопластични еластомерни подлоги од стирен-етилен-бутадиен-стирен (SEBS) (~2 cm широки и ~5 cm долги), а спроводливоста беше измерена додека подлогата се растегнуваше (видете Материјали и методи) и нормално и паралелно со насоката на протокот на струјата (Сл. 2, Б и В). Електричното однесување зависно од деформацијата се подобри со вградување на наноспирални и зголемување на бројот на слоеви на графен. На пример, кога деформацијата е нормална на протокот на струјата, за еднослоен графен, додавањето на спирали го зголеми деформацијата при електрично кршење од 5 на 70%. Толеранцијата на деформација на трислојниот графен е исто така значително подобрена во споредба со еднослојниот графен. Со наноспирални, при 100% нормално деформација, отпорноста на трислојната структура на MGG се зголеми само за 50%, во споредба со 300% за трислоен графен без спирали. Беше испитана промената на отпорот под циклично оптоварување на деформацијата. За споредба (сл. 2D), отпорноста на обичен двослоен графенски филм се зголемила околу 7,5 пати по ~700 циклуси при 50% нормално оптоварување и продолжила да се зголемува со оптоварувањето во секој циклус. Од друга страна, отпорноста на двослоен MGG се зголемила само околу 2,5 пати по ~700 циклуси. Со примена на оптоварување до 90% по паралелната насока, отпорноста на трислојниот графен се зголемила ~100 пати по 1000 циклуси, додека кај трислоен MGG е само ~8 пати (сл. 2E). Резултатите од циклусот се прикажани на сл. S7. Релативно побрзото зголемување на отпорноста по паралелната насока на оптоварувањето е затоа што ориентацијата на пукнатините е нормална на насоката на протокот на струјата. Отстапувањето на отпорноста за време на оптоварувањето и растоварувањето се должи на вискоеластичното закрепнување на SEBS еластомерната подлога. Постабилната отпорност на MGG лентите за време на циклусот се должи на присуството на големи свиоци кои можат да ги премостат напукнатите делови од графенот (како што е забележано од AFM), помагајќи да се одржи патеката на перколација. Овој феномен на одржување на спроводливоста преку перколирачки пат е претходно пријавен за напукнати метални или полупроводнички филмови на еластомерни подлоги (40, 41).
За да ги оцениме овие филмови базирани на графен како портални електроди во растегливи уреди, го покривме графенскиот слој со SEBS диелектричен слој (дебелина од 2 μm) и ја следевме промената на диелектричниот капацитет како функција на деформацијата (видете Сл. 2F и Дополнителните материјали за детали). Забележавме дека капацитетите со обични еднослојни и двослојни графенски електроди брзо се намалуваат поради губењето на спроводливоста на графенот во рамнината. Спротивно на тоа, капацитетите затворени од MGG, како и обичниот трислоен графен, покажаа зголемување на капацитетот со деформација, што е очекувано поради намалувањето на дебелината на диелектрикот со деформација. Очекуваното зголемување на капацитетот многу добро се совпадна со структурата на MGG (сл. S8). Ова укажува дека MGG е погоден како портална електрода за растегливи транзистори.
За понатамошно истражување на улогата на 1D графенскиот спирал врз толеранцијата на деформација на електричната спроводливост и подобра контрола на одвојувањето помеѓу слоевите на графенот, користевме CNT обложени со спреј за да ги замениме графенските спирали (видете Дополнителни материјали). За да имитираме MGG структури, депониравме три густини на CNT (т.е. CNT1
(А до В) AFM слики од три различни густини на CNT (CNT1
За подобро да ја разбереме нивната способност како електроди за растеглива електроника, систематски ги истражувавме морфологиите на MGG и G-CNT-G под оптоварување. Оптичката микроскопија и скенирачката електронска микроскопија (SEM) не се ефикасни методи за карактеризација бидејќи и на двата им недостасува контраст на бои, а SEM е подложен на артефакти на сликата за време на скенирањето на електрони кога графенот е на полимерни подлоги (сл. S9 и S10). За да ја набљудуваме in situ површината на графенот под оптоварување, собравме AFM мерења на трислојни MGG и обичен графен по пренесување на многу тенки (~0,1 mm дебелина) и еластични SEBS подлоги. Поради внатрешните дефекти во CVD графенот и надворешните оштетувања за време на процесот на пренос, неизбежно се генерираат пукнатини на затегнатиот графен, а со зголемување на оптоварувањето, пукнатините стануваат погусти (сл. 4, од А до D). Во зависност од структурата на натрупување на електродите на база на јаглерод, пукнатините покажуваат различни морфологии (сл. S11) (27). Густината на површината на пукнатините (дефинирана како површина на пукнатина/анализирана површина) на повеќеслојниот графен е помала од онаа на еднослојниот графен по напрегањето, што е во согласност со зголемувањето на електричната спроводливост за MGG. Од друга страна, често се забележуваат спирали кои ги премостуваат пукнатините, обезбедувајќи дополнителни спроводливи патишта во напрегнатиот филм. На пример, како што е означено на сликата од Сл. 4Б, широк спирал преминал преку пукнатина во трислојниот MGG, но не е забележан спирал во обичниот графен (Сл. 4, од Е до H). Слично на тоа, CNT исто така ги премостувале пукнатините во графенот (сл. S11). Густината на површината на пукнатините, густината на површината на спиралот и грубоста на филмовите се сумирани на Сл. 4K.
(A до H) In situ AFM слики од трислојни G/G спирали (A до D) и трислојни G структури (E до H) на многу тенок SEBS еластомер (~0,1 mm дебелина) при 0, 20, 60 и 100% деформација. Репрезентативните пукнатини и спирали се насочени со стрелки. Сите AFM слики се во површина од 15 μm × 15 μm, користејќи ја истата лента со скала во боја како што е означено. (I) Симулациска геометрија на шарени еднослојни графенски електроди на SEBS подлогата. (J) Симулациска контурна мапа на максималното главно логаритамско деформирање во еднослојниот графен и SEBS подлогата при 20% надворешно деформирање. (K) Споредба на густината на површината на пукнатините (црвена колона), густината на површината на спиралите (жолта колона) и површинската грубост (сина колона) за различни графенски структури.
Кога MGG филмовите се растегнуваат, постои важен дополнителен механизам преку кој спиралите можат да ги премостат напукнатите региони на графенот, одржувајќи перколирачка мрежа. Графенските спирали се ветувачки бидејќи можат да бидат долги десетици микрометри и затоа се способни да премостат пукнатини кои обично се до микрометарска скала. Понатаму, бидејќи спиралите се состојат од повеќеслојни графен, се очекува да имаат низок отпор. За споредба, релативно густите (пониска пропустливост) CNT мрежи се потребни за да обезбедат споредлива спроводлива способност за премостување, бидејќи CNT се помали (обично неколку микрометри во должина) и помалку спроводливи од спиралите. Од друга страна, како што е прикажано на сл. S12, додека графенот пука за време на истегнувањето за да се прилагоди на напрегањето, спиралите не пукаат, што укажува дека вторите може да се лизгаат врз основниот графен. Причината зошто тие не пукаат веројатно е поради спиралната структура, составена од многу слоеви на графен (долги од ~1 до 20 μm, широки од ~0,1 до 1 μm и високи од ~10 до 100 nm), која има повисок ефективен модул од еднослојниот графен. Како што објавија Грин и Херсам (42), металните CNT мрежи (дијаметар на цевка од 1,0 nm) можат да постигнат ниски отпори на листови <100 оми/кв.м. и покрај големиот отпор на спојување помеѓу CNT. Со оглед на тоа што нашите графенски спирали имаат ширина од 0,1 до 1 μm и дека G/G спиралите имаат многу поголеми контактни површини од CNT, контактниот отпор и контактната површина помеѓу графенот и графенските спирали не треба да бидат ограничувачки фактори за одржување на висока спроводливост.
Графенот има многу поголем модул од SEBS подлогата. Иако ефективната дебелина на графенската електрода е многу помала од онаа на подлогата, цврстината на графенот помножена со нејзината дебелина е споредлива со онаа на подлогата (43, 44), што резултира со умерен ефект на крут остров. Симулиравме деформација на графен со дебелина од 1 nm на SEBS подлога (видете Дополнителни материјали за детали). Според резултатите од симулацијата, кога на SEBS подлогата се применува 20% напрегање однадвор, просечното напрегање во графенот е ~6,6% (сл. 4J и сл. S13D), што е во согласност со експерименталните набљудувања (видете сл. S13). Го споредивме напрегањето во шарените региони на графенот и подлогата користејќи оптичка микроскопија и откривме дека напрегањето во регионот на подлогата е барем двојно поголемо од напрегањето во регионот на графенот. Ова укажува дека напрегањето применето на моделите на графенските електроди може да биде значително ограничено, формирајќи тврди острови на графенот врз SEBS (26, 43, 44).
Затоа, способноста на MGG електродите да одржуваат висока спроводливост под големо оптоварување веројатно е овозможена од два главни механизма: (i) Свироците можат да премостуваат неповрзани региони за да одржат спроводлив пат на перколација, и (ii) повеќеслојните графенски листови/еластомер може да се лизгаат еден преку друг, што резултира со намалено оптоварување на графенските електроди. За повеќе слоеви на пренесен графен на еластомер, слоевите не се силно поврзани еден со друг, што може да се лизга како одговор на оптоварувањето (27). Свироците, исто така, ја зголемија грубоста на графенските слоеви, што може да помогне да се зголеми одвојувањето помеѓу графенските слоеви и со тоа да се овозможи лизгање на графенските слоеви.
Уредите целосно јаглеродни се ентузијастички барани поради ниската цена и високиот проток. Во нашиот случај, транзисторите целосно јаглеродни се изработени со користење на долна графенска порта, горен контакт за извор/одвод на графен, сортиран CNT полупроводник и SEBS како диелектрик (сл. 5А). Како што е прикажано на сл. 5Б, уред целосно јаглероден со CNT како извор/одвод и порта (долен уред) е понепроѕирен од уредот со графенски електроди (горен уред). Ова е затоа што CNT мрежите бараат поголеми дебелини и, следствено, пониски оптички пропусти за да се постигнат отпори на плочи слични на оние на графенот (сл. S4). Слика 5 (C и D) покажува репрезентативни криви на пренос и излез пред напрегање за транзистор направен со двослојни MGG електроди. Ширината и должината на каналот на ненапрегнатиот транзистор беа 800 и 100 μm, соодветно. Измерениот сооднос на вклучување/исклучување е поголем од 103 со струи на вклучување и исклучување на нивоа од 10−5 и 10−8 A, соодветно. Излезната крива покажува идеални линеарни и режими на сатурација со јасна зависност од напонот на портата, што укажува на идеален контакт помеѓу CNT и графенските електроди (45). Отпорот на контакт со графенските електроди беше забележан како помал од оној со испаруваниот Au филм (видете сл. S14). Подвижноста на сатурација на растегливиот транзистор е околу 5,6 cm2/Vs, слична на онаа на истите полимерно сортирани CNT транзистори на цврсти Si подлоги со 300 nm SiO2 како диелектричен слој. Понатамошно подобрување на подвижноста е можно со оптимизирана густина на цевките и други видови цевки (46).
(A) Шема на растеглив транзистор базиран на графен. SWNT, еднослојни јаглеродни наноцевки. (B) Фотографија од растегливите транзистори направени од графенски електроди (горе) и CNT електроди (долу). Разликата во транспарентноста е јасно забележлива. (C и D) Криви на пренос и излез на транзистор базиран на графен на SEBS пред напрегање. (E и F) Криви на пренос, струја на вклучување и исклучување, однос на вклучување/исклучување и подвижност на транзистор базиран на графен при различни напрегања.
Кога транспарентниот, целосно јаглероден уред беше истегнат во насока паралелна со насоката на транспорт на полнеж, беше забележана минимална деградација до 120% напрегање. За време на истегнувањето, мобилноста континуирано се намалуваше од 5,6 cm2/Vs при 0% напрегање до 2,5 cm2/Vs при 120% напрегање (Сл. 5F). Исто така, ги споредивме перформансите на транзисторите за различни должини на каналите (видете ја табелата S1). Имено, при напрегање од 105%, сите овие транзистори сè уште покажуваа висок сооднос на вклучување/исклучување (>103) и мобилност (>3 cm2/Vs). Покрај тоа, ги сумиравме сите неодамнешни трудови на целосно јаглеродни транзистори (видете ја табелата S2) (47–52). Со оптимизирање на изработката на уредите на еластомери и користење на MGG како контакти, нашите целосно јаглеродни транзистори покажуваат добри перформанси во однос на мобилноста и хистерезисот, како и се многу растегливи.
Како примена на целосно транспарентниот и растеглив транзистор, го користевме за контрола на префрлувањето на LED диодата (Сл. 6А). Како што е прикажано на Сл. 6Б, зелената LED диода може јасно да се види низ растегливиот уред од целосно јаглерод поставен директно над неа. Додека се растегнува до ~100% (Сл. 6, C и D), интензитетот на светлината на LED диодата не се менува, што е во согласност со перформансите на транзисторот опишани погоре (видете го филмот S1). Ова е првиот извештај за растегливи контролни единици направени со употреба на графенски електроди, што демонстрира нова можност за растеглива електроника од графен.
(A) Коло на транзистор за напојување на LED диода. GND, заземјување. (B) Фотографија од растеглив и транспарентен транзистор целосно од јаглерод при 0% напрегање монтиран над зелена LED диода. (C) Транспарентниот и растеглив транзистор целосно од јаглерод што се користи за вклучување на LED диодата е монтиран над LED диодата при 0% (лево) и ~100% напрегање (десно). Белите стрелки покажуваат како жолти маркери на уредот за да ја покажат промената на растојанието што се истегнува. (D) Страничен поглед на истегнатиот транзистор, со LED диодата турната во еластомерот.
Како заклучок, развивме транспарентна спроводлива графенска структура која одржува висока спроводливост под големи напрегања како растегливи електроди, овозможено од графенски нано-свиткувања помеѓу наредени графенски слоеви. Овие двослојни и трислојни MGG електродни структури на еластомер можат да одржат 21% и 65%, соодветно, од нивната спроводливост на напрегање од 0% при напрегање до 100%, во споредба со целосно губење на спроводливоста при 5% напрегање за типични еднослојни графенски електроди. Дополнителните спроводливи патеки на графенските спирали, како и слабата интеракција помеѓу пренесените слоеви, придонесуваат за супериорна стабилност на спроводливоста под напрегање. Понатаму ја применивме оваа графенска структура за да изработиме целосно јаглеродни растегливи транзистори. Досега, ова е најрастегливиот транзистор базиран на графен со најдобра транспарентност без употреба на свиткување. Иако оваа студија беше спроведена за да се овозможи графен за растеглива електроника, веруваме дека овој пристап може да се прошири на други 2D материјали за да се овозможи растеглива 2D електроника.
Графен со голема површина од CVD беше одгледан на суспендирани Cu фолии (99,999%; Alfa Aesar) под константен притисок од 0,5 mtorr со 50–SCCM (стандарден кубен сантиметар во минута) CH4 и 20–SCCM H2 како прекурсори на 1000°C. Двете страни од Cu фолијата беа покриени со еднослоен графен. Тенок слој од PMMA (2000 вртежи во минута; A4, Microchem) беше центрифугиран на едната страна од Cu фолијата, формирајќи структура PMMA/G/Cu фолија/G. Потоа, целиот филм беше натопен во раствор од 0,1 M амониум персулфат [(NH4)2S2O8] околу 2 часа за да се изгравира Cu фолијата. За време на овој процес, незаштитениот заден графен прво се кинеше по границите на зрната, а потоа се свитка во свитоци поради површинскиот напон. Свитоците беа прикачени на горниот графенски филм поткрепен со PMMA, формирајќи PMMA/G/G свитоци. Филмовите потоа беа измиени во дејонизирана вода неколку пати и поставени на целна подлога, како што е цврста SiO2/Si или пластична подлога. Штом прикачената фолија се исуши на подлогата, примерокот беше последователно натопен во ацетон, 1:1 ацетон/IPA (изопропил алкохол) и IPA по 30 секунди за да се отстрани PMMA. Филмовите беа загревани на 100°C 15 минути или чувани во вакуум преку ноќ за целосно да се отстрани заробената вода пред да се префрли друг слој од G/G свиток на него. Овој чекор беше за да се избегне одвојување на графенската фолија од подлогата и да се обезбеди целосна покриеност на MGG за време на ослободувањето на носечкиот слој на PMMA.
Морфологијата на структурата на MGG беше набљудувана со помош на оптички микроскоп (Leica) и скенирачки електронски микроскоп (1 kV; FEI). Атомски силовен микроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) работеше во режим на тапкање за да се набљудуваат деталите на G свитоците. Транспарентноста на филмот беше тестирана со ултравиолетово-видлив спектрометр (Agilent Cary 6000i). За тестовите, кога напрегањето беше по должината на нормалната насока на протокот на струја, фотолитографијата и O2 плазмата беа користени за да се обликуваат графенските структури во ленти (~300 μm широки и ~2000 μm долги), а Au (50 nm) електроди беа термички депонирани со помош на маски за сенка на двата краја од долгата страна. Графенските ленти потоа беа ставени во контакт со SEBS еластомер (~2 cm широк и ~5 cm долги), со долгата оска на лентите паралелна со кратката страна на SEBS, проследена со BOE (пуферирано оксидно јоргање) (HF:H2O 1:6) јоргање и евтектички галиум индиум (EGaIn) како електрични контакти. За тестови со паралелно напрегање, нешаблонирани графенски структури (~5 × 10 mm) беа пренесени на SEBS подлоги, со долги оски паралелни со долгата страна на SEBS подлогата. Во двата случаи, целиот G (без G свитоци)/SEBS беше растегнат по долгата страна на еластомерот во рачен апарат, а in situ, ги измеривме нивните промени на отпорот под напрегање на сонда станица со полупроводнички анализатор (Keithley 4200-SCS).
Високо растегливите и транспарентни транзистори целосно од јаглерод на еластична подлога беа изработени со следниве постапки за да се избегне оштетување од органски растворувач на полимерниот диелектрик и подлогата. MGG структурите беа пренесени на SEBS како портални електроди. За да се добие униформен тенок филмски полимерен диелектричен слој (дебелина од 2 μm), раствор од SEBS толуен (80 mg/ml) беше центрифугиран на октадецилтрихлоросилан (OTS)-модифициран SiO2/Si подлога со 1000 вртежи во минута во текот на 1 минута. Тенкиот диелектричен филм може лесно да се пренесе од хидрофобната OTS површина на SEBS подлогата покриена со подготвениот графен. Кондензатор може да се направи со нанесување на горна електрода од течен метал (EGaIn; Sigma-Aldrich) за да се одреди капацитетот како функција на напрегањето со помош на LCR (индуктивност, капацитет, отпорност) мерач (Agilent). Другиот дел од транзисторот се состоеше од полупроводнички CNT сортирани со полимери, следејќи ги претходно објавените постапки (53). Шарените електроди на изворот/одводот беа изработени на цврсти подлоги од SiO2/Si. Потоа, двата дела, диелектрик/G/SEBS и CNT/шарени G/SiO2/Si, беа ламинирани еден со друг и потопени во BOE за да се отстрани цврстата подлога од SiO2/Si. Така, беа изработени целосно транспарентни и растегливи транзистори. Електричното тестирање под оптоварување беше извршено на рачно истегнување како што е гореспоменатиот метод.
Дополнителен материјал за оваа статија е достапен на http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
сл. S1. Слики од оптичка микроскопија на монослоен MGG на SiO2/Si супстрати при различни зголемувања.
сл. S4. Споредба на отпорите и пропустите на листовите со две сонди @550 nm на еднослоен, двослоен и трислоен обичен графен (црни квадрати), MGG (црвени кругови) и CNT (син триаголник).
сл. S7. Нормализирана промена на отпорноста на еднослојни и двослојни MGG (црна) и G (црвена) под ~1000 циклично оптоварување со напрегање до 40 и 90% паралелно напрегање, соодветно.
сл. S10. SEM слика од трислоен MGG на SEBS еластомер по напрегање, која покажува долг спирален крст преку неколку пукнатини.
сл. S12. AFM слика од трислоен MGG на многу тенок SEBS еластомер при 20% деформација, што покажува дека свиток преминува преку пукнатина.
табела S1. Мобилност на двослојни MGG–едноѕидни транзистори од јаглеродни наноцевки при различни должини на каналите пред и по напрегањето.
Ова е статија со отворен пристап дистрибуирана според условите на лиценцата Creative Commons Attribution-NonCommercial, која дозволува употреба, дистрибуција и репродукција на кој било медиум, сè додека добиената употреба не е за комерцијална предност и под услов оригиналното дело да е правилно цитирано.
ЗАБЕЛЕШКА: Ја бараме вашата е-адреса само за лицето на кое му ја препорачувате страницата да знае дека сте сакале да ја види и дека не станува збор за несакана пошта. Ние не собираме никаква е-адреса.
Ова прашање е за тестирање дали сте човечки посетител и за да се спречат автоматски поднесувања на спам.
Од Нан Лиу, Алекс Чортос, Тинг Леи, Лихуа Џин, Таехо Рој Ким, Вон-Гју Бае, Ченксин Жу, Сихонг Ванг, Рафаел Пфатнер, Ксијуан Чен, Роберт Синклер, Женан Бао
Од Нан Лиу, Алекс Чортос, Тинг Леи, Лихуа Џин, Таехо Рој Ким, Вон-Гју Бае, Ченксин Жу, Сихонг Ванг, Рафаел Пфатнер, Ксијуан Чен, Роберт Синклер, Женан Бао
© 2021 Американско здружение за унапредување на науката. Сите права се задржани. AAAS е партнер на HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef и COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Време на објавување: 28 јануари 2021 година