Tweedimensionele materiale, soos grafeen, is aantreklik vir beide konvensionele halfgeleiertoepassings en ontluikende toepassings in buigsame elektronika. Die hoë treksterkte van grafeen lei egter tot breuk by lae spanning, wat dit uitdagend maak om voordeel te trek uit sy buitengewone elektroniese eienskappe in rekbare elektronika. Om uitstekende spanningsafhanklike werkverrigting van deursigtige grafeengeleiers moontlik te maak, het ons grafeen-nanorolle tussen gestapelde grafeenlae geskep, waarna verwys word as meerlaag-grafeen/grafeenrolle (MGG's). Onder spanning het sommige rolle die gefragmenteerde domeine van grafeen oorbrug om 'n perkolerende netwerk te handhaaf wat uitstekende geleidingsvermoë by hoë spanning moontlik gemaak het. Drielaag-MGG's wat op elastomere ondersteun word, het 65% van hul oorspronklike geleidingsvermoë by 100% spanning behou, wat loodreg is op die rigting van die stroomvloei, terwyl drielaagfilms van grafeen sonder nanorolle slegs 25% van hul begingeleidingsvermoë behou het. 'n Rekbare koolstof-transistor wat vervaardig is met behulp van MGG's as elektrodes, het 'n transmissie van >90% getoon en 60% van sy oorspronklike stroomuitset behou teen 120% spanning (parallel aan die rigting van ladingstransport). Hierdie hoogs rekbare en deursigtige koolstof-transistors kan gesofistikeerde rekbare opto-elektronika moontlik maak.
Rekbare deursigtige elektronika is 'n groeiende veld met belangrike toepassings in gevorderde bio-geïntegreerde stelsels (1, 2) sowel as die potensiaal om met rekbare opto-elektronika (3, 4) te integreer om gesofistikeerde sagte robotika en skerms te produseer. Grafeen vertoon hoogs gewenste eienskappe van atoomdikte, hoë deursigtigheid en hoë geleidingsvermoë, maar die implementering daarvan in rekbare toepassings is belemmer deur die neiging om by klein spanning te kraak. Die oorkoming van die meganiese beperkings van grafeen kan nuwe funksionaliteit in rekbare deursigtige toestelle moontlik maak.
Die unieke eienskappe van grafeen maak dit 'n sterk kandidaat vir die volgende generasie deursigtige geleidende elektrodes (5, 6). In vergelyking met die mees algemeen gebruikte deursigtige geleier, indiumtinoksied [ITO; 100 ohm/vierkant (vk) teen 90% deursigtigheid], het monolaaggrafeen wat deur chemiese dampafsetting (CVD) gekweek word, 'n soortgelyke kombinasie van plaatweerstand (125 ohm/vk) en deursigtigheid (97.4%) (5). Daarbenewens het grafeenfilms buitengewone buigsaamheid in vergelyking met ITO (7). Byvoorbeeld, op 'n plastiese substraat kan die geleidingsvermoë daarvan selfs behoue bly vir 'n buigradius van kromming so klein as 0.8 mm (8). Om die elektriese werkverrigting as 'n deursigtige buigsame geleier verder te verbeter, het vorige werke grafeenhibriede materiale ontwikkel met eendimensionele (1D) silwer nanodrade of koolstofnanobuise (CNT's) (9-11). Boonop is grafeen gebruik as elektrodes vir gemengde dimensionele heterostrukturele halfgeleiers (soos 2D bulk Si, 1D nanodrade/nanobuise, en 0D kwantumkolle) (12), buigsame transistors, sonselle en liguitstralende diodes (LED's) (13-23).
Alhoewel grafeen belowende resultate vir buigsame elektronika getoon het, is die toepassing daarvan in rekbare elektronika beperk deur die meganiese eienskappe daarvan (17, 24, 25); grafeen het 'n in-vlak styfheid van 340 N/m en 'n Young se modulus van 0.5 TPa (26). Die sterk koolstof-koolstofnetwerk bied geen energie-verspreidingsmeganismes vir toegepaste spanning nie en kraak dus maklik teen minder as 5% spanning. Byvoorbeeld, CVD-grafeen wat oorgedra word op 'n polidimetilsiloksaan (PDMS) elastiese substraat kan slegs sy geleidingsvermoë teen minder as 6% spanning handhaaf (8). Teoretiese berekeninge toon dat frommeling en wisselwerking tussen verskillende lae die styfheid sterk behoort te verminder (26). Deur grafeen in veelvuldige lae te stapel, word berig dat hierdie twee- of drielaag-grafeen tot 30% spanning rekbaar is, wat 'n weerstandsverandering toon wat 13 keer kleiner is as dié van monolaag-grafeen (27). Hierdie rekbaarheid is egter steeds aansienlik minderwaardig as die nuutste rekbare geleiers (28, 29).
Transistors is belangrik in rekbare toepassings omdat hulle gesofistikeerde sensoruitlesing en seinanalise moontlik maak (30, 31). Transistors op PDMS met meerlaag-grafeen as bron-/dreinelektrodes en kanaalmateriaal kan elektriese funksie tot 5% spanning handhaaf (32), wat aansienlik laer is as die minimum vereiste waarde (~50%) vir draagbare gesondheidsmoniteringsensors en elektroniese vel (33, 34). Onlangs is 'n grafeen-kirigami-benadering ondersoek, en die transistor wat deur 'n vloeibare elektroliet gestuur word, kan tot soveel as 240% gerek word (35). Hierdie metode vereis egter gesuspendeerde grafeen, wat die vervaardigingsproses bemoeilik.
Hier bereik ons hoogs rekbare grafeentoestelle deur grafeenrolle (~1 tot 20 μm lank, ~0.1 tot 1 μm breed, en ~10 tot 100 nm hoog) tussen grafeenlae in te voeg. Ons hipotetiseer dat hierdie grafeenrolle geleidende paaie kan bied om krake in die grafeenvelle te oorbrug, en sodoende hoë geleidingsvermoë onder spanning te handhaaf. Die grafeenrolle benodig geen addisionele sintese of proses nie; hulle word natuurlik gevorm tydens die nat oordragprosedure. Deur gebruik te maak van meerlaag G/G (grafeen/grafeen) rolle (MGG's), grafeen-rekbare elektrodes (bron/drein en hek) en halfgeleidende CNT's, kon ons hoogs deursigtige en hoogs rekbare koolstof-transistors demonstreer, wat tot 120% spanning (parallel aan die rigting van ladingstransport) gerek kan word en 60% van hul oorspronklike stroomuitset behou. Dit is die mees rekbare deursigtige koolstof-gebaseerde transistor tot dusver, en dit verskaf voldoende stroom om 'n anorganiese LED aan te dryf.
Om grootskaalse deursigtige rekbare grafeen-elektrodes moontlik te maak, het ons CVD-gekweekte grafeen op Cu-foelie gekies. Die Cu-foelie is in die middel van 'n CVD-kwartsbuis opgeskort om die groei van grafeen aan beide kante toe te laat en G/Cu/G-strukture te vorm. Om grafeen oor te dra, het ons eers 'n dun lagie poli(metielmetakrilaat) (PMMA) spin-bedek om een kant van die grafeen te beskerm, wat ons bo-grafeen genoem het (andersom vir die ander kant van die grafeen), en daarna is die hele film (PMMA/bo-grafeen/Cu/onderste grafeen) in 'n (NH4)2S2O8-oplossing geweek om die Cu-foelie weg te ets. Die onderste grafeen sonder die PMMA-laag sal onvermydelik krake en defekte hê wat 'n etsmiddel toelaat om deur te dring (36, 37). Soos geïllustreer in Fig. 1A, word die vrygestelde grafeendomeine onder die effek van oppervlakspanning in rolle opgerol en daarna aan die oorblywende bo-G/PMMA-film vasgeheg. Die boonste G/G-rolle kan na enige substraat oorgedra word, soos SiO2/Si, glas of sagte polimeer. Deur hierdie oordragproses verskeie kere op dieselfde substraat te herhaal, word MGG-strukture verkry.
(A) Skematiese illustrasie van die vervaardigingsprosedure vir MGG's as 'n rekbare elektrode. Tydens die grafeen-oordrag is die agterkant van grafeen op Cu-foelie by grense en defekte gebreek, in arbitrêre vorms opgerol en styf aan die boonste films vasgemaak, wat nanoskrolle vorm. Die vierde spotprent beeld die gestapelde MGG-struktuur uit. (B en C) Hoë-resolusie TEM-karakteriserings van 'n monolaag MGG, met die fokus op die monolaag grafeen (B) en die skrol (C) gebied, onderskeidelik. Die inset van (B) is 'n lae-vergroting beeld wat die algehele morfologie van monolaag MGG's op die TEM-rooster toon. Insetsels van (C) is die intensiteitsprofiele geneem langs die reghoekige blokkies wat in die beeld aangedui word, waar die afstande tussen die atoomvlakke 0.34 en 0.41 nm is. (D) Koolstof K-rand EEL-spektrum met die kenmerkende grafitiese π* en σ* pieke gemerk. (E) Deursnee AFM-beeld van monolaag G/G-skrolle met 'n hoogteprofiel langs die geel stippellyn. (F tot I) Optiese mikroskopie en AFM-beelde van drielaag G sonder (F en H) en met rolle (G en I) op 300 nm-dik SiO2/Si-substrate, onderskeidelik. Verteenwoordigende rolle en plooie is gemerk om hul verskille uit te lig.
Om te verifieer dat die rolle gerolde grafeen van aard is, het ons hoëresolusie-transmissie-elektronmikroskopie (TEM) en elektronenergieverlies (EEL) spektroskopiestudies op die monolaag top-G/G-rolstrukture uitgevoer. Figuur 1B toon die seshoekige struktuur van 'n monolaaggrafeen, en die insetsel is 'n algehele morfologie van die film wat op 'n enkele koolstofgat van die TEM-rooster bedek is. Die monolaaggrafeen strek oor die grootste deel van die rooster, en sommige grafeenvlokkies in die teenwoordigheid van veelvuldige stapels seshoekige ringe verskyn (Fig. 1B). Deur in 'n individuele rol te zoem (Fig. 1C), het ons 'n groot hoeveelheid grafeenroosterfranjes waargeneem, met die roosterafstand in die reeks van 0.34 tot 0.41 nm. Hierdie metings dui daarop dat die vlokkies lukraak opgerol is en nie perfekte grafiet is nie, wat 'n roosterafstand van 0.34 nm in "ABAB"-laagstapeling het. Figuur 1D toon die koolstof K-rand EEL-spektrum, waar die piek by 285 eV ontstaan uit die π*-orbitaal en die ander een rondom 290 eV te wyte is aan die oorgang van die σ*-orbitaal. Daar kan gesien word dat sp2-binding in hierdie struktuur oorheers, wat bevestig dat die rolle hoogs grafities is.
Optiese mikroskopie en atoomkragmikroskopie (AFM) beelde bied insig in die verspreiding van grafeen-nanorolle in die MGG's (Fig. 1, E tot G, en fig. S1 en S2). Die rolle is lukraak oor die oppervlak versprei, en hul digtheid in die vlak neem proporsioneel toe tot die aantal gestapelde lae. Baie rolle is in knope verstrengel en vertoon nie-uniforme hoogtes in die reeks van 10 tot 100 nm. Hulle is 1 tot 20 μm lank en 0.1 tot 1 μm breed, afhangende van die groottes van hul aanvanklike grafeenvlokkies. Soos getoon in Fig. 1 (H en I), het die rolle aansienlik groter groottes as die plooie, wat lei tot 'n baie growwer koppelvlak tussen grafeenlae.
Om die elektriese eienskappe te meet, het ons grafeenfilms met of sonder rolstrukture en laagstapeling in 300 μm-wyd en 2000 μm-lange stroke gepatroneer met behulp van fotolitografie. Twee-sonde weerstande as 'n funksie van spanning is onder omgewingstoestande gemeet. Die teenwoordigheid van rolle het die weerstand vir monolaag grafeen met 80% verminder met slegs 'n 2.2% afname in die transmissie (fig. S4). Dit bevestig dat nanosrolle, wat 'n hoë stroomdigtheid tot 5 × 107 A/cm2 het (38, 39), 'n baie positiewe elektriese bydrae tot die MGG's lewer. Onder al die mono-, bi- en drielaag gewone grafeen en MGG's, het die drielaag MGG die beste geleiding met 'n deursigtigheid van byna 90%. Om te vergelyk met ander bronne van grafeen wat in die literatuur gerapporteer is, het ons ook vier-sonde plaatweerstande gemeet (fig. S5) en dit as 'n funksie van transmissie by 550 nm (fig. S6) in Fig. 2A gelys. MGG toon vergelykbare of hoër geleidingsvermoë en deursigtigheid as kunsmatig gestapelde meerlaag gewone grafeen en gereduseerde grafeenoksied (RGO) (6, 8, 18). Let daarop dat die plaatweerstande van kunsmatig gestapelde meerlaag gewone grafeen uit die literatuur effens hoër is as dié van ons MGG, waarskynlik as gevolg van hul ongeoptimaliseerde groeitoestande en oordragmetode.
(A) Vier-sonde velweerstande teenoor transmissie teen 550 nm vir verskeie tipes grafeen, waar swart vierkante mono-, bi- en drielaag MGG's aandui; rooi sirkels en blou driehoeke stem ooreen met meerlaag gewone grafeen wat op Cu en Ni gekweek is uit die studies van Li et al. (6) en Kim et al. (8), onderskeidelik, en daarna oorgedra is na SiO2/Si of kwarts; en groen driehoeke is waardes vir RGO teen verskillende reduksiegrade uit die studie van Bonaccorso et al. (18). (B en C) Genormaliseerde weerstandsverandering van mono-, bi- en drielaag MGG's en G as 'n funksie van loodregte (B) en parallelle (C) spanning tot die rigting van stroomvloei. (D) Genormaliseerde weerstandsverandering van bilaag G (rooi) en MGG (swart) onder sikliese spanningsbelasting tot 50% loodregte spanning. (E) Genormaliseerde weerstandsverandering van drielaag G (rooi) en MGG (swart) onder sikliese spanningsbelasting tot 90% parallelle spanning. (F) Genormaliseerde kapasitansieverandering van mono-, bi- en drielaag G en bi- en drielaag MGG's as 'n funksie van spanning. Die insetsel is die kapasitorstruktuur, waar die polimeersubstraat SEBS is en die polimeer diëlektriese laag die 2-μm-dik SEBS is.
Om die spanningsafhanklike werkverrigting van die MGG te evalueer, het ons grafeen oorgedra na termoplastiese elastomeer stireen-etileen-butadieen-stireen (SEBS) substrate (~2 cm breed en ~5 cm lank), en die geleidingsvermoë is gemeet terwyl die substraat gerek is (sien Materiale en Metodes) beide loodreg en parallel met die rigting van die stroomvloei (Fig. 2, B en C). Die spanningsafhanklike elektriese gedrag het verbeter met die inkorporering van nanoskrolle en toenemende aantal grafeenlae. Byvoorbeeld, wanneer spanning loodreg is op stroomvloei, vir monolaaggrafeen, het die byvoeging van skrille die spanning by elektriese breuk van 5 tot 70% verhoog. Die spanningstoleransie van die drielaaggrafeen word ook aansienlik verbeter in vergelyking met die monolaaggrafeen. Met nanoskrolle, teen 100% loodregte spanning, het die weerstand van die drielaag-MGG-struktuur slegs met 50% toegeneem, in vergelyking met 300% vir drielaaggrafeen sonder skrille. Weerstandsverandering onder sikliese spanningsbelasting is ondersoek. Ter vergelyking (Fig. 2D), het die weerstande van 'n gewone dubbellaag-grafeenfilm ongeveer 7.5 keer toegeneem na ~700 siklusse teen 50% loodregte spanning en bly toeneem met spanning in elke siklus. Aan die ander kant het die weerstand van 'n dubbellaag-MGG slegs ongeveer 2.5 keer toegeneem na ~700 siklusse. Deur tot 90% spanning langs die parallelle rigting toe te pas, het die weerstand van drielaag-grafeen ~100 keer toegeneem na 1000 siklusse, terwyl dit slegs ~8 keer in 'n drielaag-MGG is (Fig. 2E). Siklusresultate word in fig. S7 getoon. Die relatief vinniger toename in weerstand langs die parallelle spanningsrigting is omdat die oriëntasie van krake loodreg is op die rigting van die stroomvloei. Die afwyking van weerstand tydens laai- en aflaaispanning is te wyte aan die viskoelastiese herstel van die SEBS-elastomeersubstraat. Die meer stabiele weerstand van die MGG-stroke tydens siklus is te wyte aan die teenwoordigheid van groot rolle wat die gekraakte dele van die grafeen kan oorbrug (soos waargeneem deur AFM), wat help om 'n perkolerende pad te handhaaf. Hierdie verskynsel van die handhawing van geleidingsvermoë deur 'n perkoleringsroete is al voorheen gerapporteer vir gekraakte metaal- of halfgeleierfilms op elastomeersubstrate (40, 41).
Om hierdie grafeen-gebaseerde films as hekelektrodes in rekbare toestelle te evalueer, het ons die grafeenlaag met 'n SEBS diëlektriese laag (2 μm dik) bedek en die diëlektriese kapasitansieverandering as 'n funksie van spanning gemonitor (sien Fig. 2F en die Aanvullende Materiaal vir besonderhede). Ons het waargeneem dat kapasitansies met gewone monolaag- en bilaaggrafeenelektrodes vinnig afgeneem het as gevolg van die verlies aan in-vlak geleidingsvermoë van grafeen. In teenstelling hiermee het kapasitansies wat deur MGG's gepoort word, sowel as gewone drielaaggrafeen, 'n toename in kapasitansie met spanning getoon, wat verwag word as gevolg van die vermindering in diëlektriese dikte met spanning. Die verwagte toename in kapasitansie het baie goed ooreengestem met die MGG-struktuur (fig. S8). Dit dui daarop dat MGG geskik is as 'n hekelektrode vir rekbare transistors.
Om die rol van die 1D-grafeenrol op die spanningstoleransie van elektriese geleidingsvermoë verder te ondersoek en die skeiding tussen grafeenlae beter te beheer, het ons spuitbedekte CNT's gebruik om die grafeenrolle te vervang (sien Aanvullende Materiaal). Om MGG-strukture na te boots, het ons drie digthede van CNT's neergelê (dit wil sê CNT1
(A tot C) AFM-beelde van drie verskillende digthede van CNT's (CNT1
Om hul vermoë as elektrodes vir rekbare elektronika verder te verstaan, het ons die morfologieë van MGG en G-CNT-G sistematies onder spanning ondersoek. Optiese mikroskopie en skandeerelektronmikroskopie (SEM) is nie effektiewe karakteriseringsmetodes nie, omdat beide kleurkontras kortkom en SEM onderhewig is aan beeldartefakte tydens elektronskandering wanneer grafeen op polimeersubstrate is (fig. S9 en S10). Om die grafeenoppervlak onder spanning in situ waar te neem, het ons AFM-metings op drielaag-MGG's en gewone grafeen versamel na oordrag op baie dun (~0.1 mm dik) en elastiese SEBS-substrate. As gevolg van die intrinsieke defekte in CVD-grafeen en ekstrinsieke skade tydens die oordragproses, word krake onvermydelik op die gespanne grafeen gegenereer, en met toenemende spanning het die krake digter geword (Fig. 4, A tot D). Afhangende van die stapelstruktuur van die koolstofgebaseerde elektrodes, vertoon die krake verskillende morfologieë (fig. S11) (27). Die kraakarea-digtheid (gedefinieer as kraakarea/geanaliseerde area) van meerlaag-grafeen is minder as dié van enkellaag-grafeen na vervorming, wat ooreenstem met die toename in elektriese geleidingsvermoë vir MGG's. Aan die ander kant word daar dikwels waargeneem dat rolle die krake oorbrug, wat addisionele geleidende bane in die gespande film bied. Byvoorbeeld, soos aangedui in die beeld van Fig. 4B, het 'n wye rolle oor 'n kraak in die drielaag-MGG gekruis, maar geen rolle is in die gewone grafeen waargeneem nie (Fig. 4, E tot H). Net so het CNT's ook die krake in grafeen oorbrug (fig. S11). Die kraakarea-digtheid, rolle-area-digtheid en ruheid van die films word opgesom in Fig. 4K.
(A tot H) In situ AFM-beelde van drielaag G/G-rolle (A tot D) en drielaag G-strukture (E tot H) op 'n baie dun SEBS (~0.1 mm dik) elastomeer teen 0, 20, 60 en 100% vervorming. Verteenwoordigende krake en rolle word met pyle aangedui. Al die AFM-beelde is in 'n area van 15 μm × 15 μm, met dieselfde kleurskaalbalk as gemerk. (I) Simulasiegeometrie van gepatroneerde monolaag-grafeenelektrodes op die SEBS-substraat. (J) Simulasiekontoerkaart van die maksimale hooflogaritmiese vervorming in die monolaag-grafeen en die SEBS-substraat teen 20% eksterne vervorming. (K) Vergelyking van kraakareadigtheid (rooi kolom), rolareadigtheid (geel kolom) en oppervlakruheid (blou kolom) vir verskillende grafeenstrukture.
Wanneer die MGG-films gerek word, is daar 'n belangrike bykomende meganisme waardeur die rolle gekraakte streke van grafeen kan oorbrug en 'n perkolerende netwerk handhaaf. Die grafeenrolle is belowend omdat hulle tiene mikrometers lank kan wees en dus krake kan oorbrug wat tipies tot 'n mikrometerskaal is. Verder, omdat die rolle uit multilae grafeen bestaan, word verwag dat hulle lae weerstand sal hê. In vergelyking is relatief digte (laer transmissie) CNT-netwerke nodig om vergelykbare geleidende oorbruggingsvermoë te bied, aangesien CNT's kleiner is (tipies 'n paar mikrometers lank) en minder geleidend as rolle. Aan die ander kant, soos getoon in fig. S12, terwyl die grafeen kraak tydens strek om spanning te akkommodeer, kraak die rolle nie, wat aandui dat laasgenoemde moontlik op die onderliggende grafeen gly. Die rede waarom hulle nie kraak nie, is waarskynlik te wyte aan die opgerolde struktuur, wat bestaan uit baie lae grafeen (~1 tot 20 μm lank, ~0.1 tot 1 μm breed, en ~10 tot 100 nm hoog), wat 'n hoër effektiewe modulus het as die enkellaaggrafeen. Soos gerapporteer deur Green en Hersam (42), kan metaal-CNT-netwerke (buisdeursnee van 1.0 nm) lae plaatweerstande <100 ohm/vk bereik ten spyte van die groot verbindingsweerstand tussen CNT's. Aangesien ons grafeenrolle breedtes van 0.1 tot 1 μm het en dat die G/G-rolle baie groter kontakareas het as CNT's, behoort die kontakweerstand en kontakareas tussen grafeen en grafeenrolle nie beperkende faktore te wees om hoë geleidingsvermoë te handhaaf nie.
Die grafeen het 'n baie hoër modulus as die SEBS-substraat. Alhoewel die effektiewe dikte van die grafeenelektrode baie laer is as dié van die substraat, is die styfheid van die grafeen maal die dikte daarvan vergelykbaar met dié van die substraat (43, 44), wat 'n matige rigiede-eiland-effek tot gevolg het. Ons het die vervorming van 'n 1 nm-dik grafeen op 'n SEBS-substraat gesimuleer (sien Aanvullende Materiaal vir besonderhede). Volgens die simulasieresultate, wanneer 20% spanning ekstern op die SEBS-substraat toegepas word, is die gemiddelde spanning in die grafeen ~6.6% (Fig. 4J en fig. S13D), wat ooreenstem met eksperimentele waarnemings (sien fig. S13). Ons het die spanning in die gepatroneerde grafeen- en substraatstreke vergelyk met behulp van optiese mikroskopie en gevind dat die spanning in die substraatstreek ten minste twee keer die spanning in die grafeenstreek is. Dit dui daarop dat die spanning wat op grafeenelektrodepatrone toegepas word, aansienlik beperk kan word, wat grafeen-stywe eilande bo-op SEBS vorm (26, 43, 44).
Daarom word die vermoë van MGG-elektrodes om hoë geleidingsvermoë onder hoë spanning te handhaaf waarskynlik deur twee hoofmeganismes moontlik gemaak: (i) Die rolle kan ontkoppelde streke oorbrug om 'n geleidende perkolasieroete te handhaaf, en (ii) die meerlaagse grafeenvelle/elastomeer kan oor mekaar gly, wat lei tot verminderde spanning op grafeenelektrodes. Vir veelvuldige lae oorgedraagde grafeen op elastomeer, is die lae nie sterk aan mekaar geheg nie, wat kan gly in reaksie op spanning (27). Die rolle het ook die ruheid van die grafeenlae verhoog, wat kan help om die skeiding tussen grafeenlae te verhoog en dus die gly van die grafeenlae moontlik te maak.
Koolstoftoestelle word entoesiasties nagestreef vanweë lae koste en hoë deurset. In ons geval is koolstoftransistors vervaardig met behulp van 'n onderste grafeenhek, 'n boonste grafeenbron/dreinkontak, 'n gesorteerde CNT-halfgeleier en SEBS as 'n diëlektrikum (Fig. 5A). Soos getoon in Fig. 5B, is 'n koolstoftoestel met CNT's as die bron/drein en hek (onderste toestel) meer ondeursigtig as die toestel met grafeenelektrodes (boonste toestel). Dit is omdat CNT-netwerke groter diktes en gevolglik laer optiese transmissies benodig om plaatweerstande soortgelyk aan dié van grafeen te bereik (fig. S4). Figuur 5 (C en D) toon verteenwoordigende oordrag- en uitvoerkrommes voor spanning vir 'n transistor gemaak met dubbellaag MGG-elektrodes. Die kanaalwydte en lengte van die ongespande transistor was onderskeidelik 800 en 100 μm. Die gemete aan/af-verhouding is groter as 103 met aan- en af-strome op die vlakke van onderskeidelik 10−5 en 10−8 A. Die uitsetkromme toon ideale lineêre en versadigingsregimes met duidelike hekspanningsafhanklikheid, wat ideale kontak tussen CNT's en grafeenelektrodes aandui (45). Die kontakweerstand met grafeenelektrodes is waargeneem as laer as dié met verdampte Au-film (sien fig. S14). Die versadigingsmobiliteit van die rekbare transistor is ongeveer 5.6 cm2/Vs, soortgelyk aan dié van dieselfde polimeer-gesorteerde CNT-transistors op rigiede Si-substrate met 300-nm SiO2 as 'n diëlektriese laag. Verdere verbetering in mobiliteit is moontlik met geoptimaliseerde buisdigtheid en ander tipes buise (46).
(A) Skema van grafeen-gebaseerde rekbare transistor. SWNT's, enkelwandige koolstofnanobuise. (B) Foto van die rekbare transistors gemaak van grafeenelektrodes (bo) en CNT-elektrodes (onder). Die verskil in deursigtigheid is duidelik merkbaar. (C en D) Oordrag- en uitsetkrommes van die grafeen-gebaseerde transistor op SEBS voor spanning. (E en F) Oordragkrommes, aan- en af-stroom, aan/af-verhouding en mobiliteit van die grafeen-gebaseerde transistor by verskillende spannings.
Toe die deursigtige, volledig koolstofhoudende toestel in die rigting parallel met die ladingstransportrigting gerek is, is minimale degradasie waargeneem tot 120% spanning. Tydens die strek het die mobiliteit voortdurend afgeneem van 5.6 cm2/Vs teen 0% spanning tot 2.5 cm2/Vs teen 120% spanning (Fig. 5F). Ons het ook die transistorprestasie vir verskillende kanaallengtes vergelyk (sien tabel S1). Dit is opmerklik dat al hierdie transistors teen 'n spanning so groot as 105% steeds 'n hoë aan/af-verhouding (>103) en mobiliteit (>3 cm2/Vs) vertoon het. Daarbenewens het ons al die onlangse werk oor volledig koolstofhoudende transistors opgesom (sien tabel S2) (47–52). Deur toestelvervaardiging op elastomere te optimaliseer en MGG's as kontakte te gebruik, toon ons volledig koolstofhoudende transistors goeie prestasie in terme van mobiliteit en histerese, asook dat hulle hoogs rekbaar is.
As 'n toepassing van die volledig deursigtige en rekbare transistor, het ons dit gebruik om 'n LED se skakeling te beheer (Fig. 6A). Soos getoon in Fig. 6B, kan die groen LED duidelik gesien word deur die rekbare koolstoftoestel wat direk bo geplaas is. Terwyl dit tot ~100% gestrek word (Fig. 6, C en D), verander die LED-ligintensiteit nie, wat ooreenstem met die transistorprestasie wat hierbo beskryf word (sien film S1). Dit is die eerste verslag van rekbare beheereenhede wat met grafeenelektrodes gemaak is, wat 'n nuwe moontlikheid vir grafeen-rekbare elektronika demonstreer.
(A) Kring van 'n transistor om LED aan te dryf. GND, grond. (B) Foto van die rekbare en deursigtige koolstof-transistor teen 0% spanning wat bo 'n groen LED gemonteer is. (C) Die koolstof-deursigtige en rekbare transistor wat gebruik word om die LED te skakel, word bo die LED teen 0% (links) en ~100% spanning (regs) gemonteer. Wit pyle wys as die geel merkers op die toestel om die afstandverandering wat gerek word, te wys. (D) Sy-aansig van die gestrekte transistor, met die LED in die elastomeer gedruk.
Ten slotte het ons 'n deursigtige geleidende grafeenstruktuur ontwikkel wat hoë geleidingsvermoë onder groot spanning as rekbare elektrodes handhaaf, moontlik gemaak deur grafeen-nano-rolle tussen gestapelde grafeenlae. Hierdie twee- en drielaag MGG-elektrodestrukture op 'n elastomeer kan onderskeidelik 21 en 65% van hul 0% spanningsgeleidingsvermoë handhaaf teen 'n spanning so hoog as 100%, in vergelyking met 'n volledige verlies aan geleidingsvermoë teen 5% spanning vir tipiese monolaag-grafeenelektrodes. Die bykomende geleidende paaie van grafeen-rolle, sowel as die swak interaksie tussen die oorgedraagde lae, dra by tot die superieure geleidingsstabiliteit onder spanning. Ons het hierdie grafeenstruktuur verder toegepas om volledig-koolstof rekbare transistors te vervaardig. Tot dusver is dit die mees rekbare grafeen-gebaseerde transistor met die beste deursigtigheid sonder om knik te gebruik. Alhoewel die huidige studie uitgevoer is om grafeen vir rekbare elektronika moontlik te maak, glo ons dat hierdie benadering uitgebrei kan word na ander 2D-materiale om rekbare 2D-elektronika moontlik te maak.
Groot-area CVD-grafeen is gekweek op gesuspendeerde Cu-foelies (99.999%; Alfa Aesar) onder 'n konstante druk van 0.5 mtorr met 50–SCCM (standaard kubieke sentimeter per minuut) CH4 en 20–SCCM H2 as voorlopers by 1000°C. Beide kante van die Cu-foelie is bedek met monolaag-grafeen. 'n Dun lagie PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) is spin-bedek aan die een kant van die Cu-foelie, wat 'n PMMA/G/Cu-foelie/G-struktuur vorm. Daarna is die hele film vir ongeveer 2 uur in 'n 0.1 M ammoniumpersulfaat [(NH4)2S2O8]-oplossing geweek om die Cu-foelie weg te ets. Tydens hierdie proses het die onbeskermde agterkant-grafeen eers langs die korrelgrense geskeur en toe in rolle opgerol as gevolg van oppervlakspanning. Die rolle is aan die PMMA-ondersteunde boonste grafeenfilm vasgemaak, wat PMMA/G/G-rolle vorm. Die films is daarna verskeie kere in gedeïoniseerde water gewas en op 'n teikensubstraat, soos 'n rigiede SiO2/Si- of plastieksubstraat, geplaas. Sodra die aangehegte film op die substraat gedroog het, is die monster opeenvolgend in asetoon, 1:1 asetoon/IPA (isopropielalkohol) en IPA vir 30 sekondes elk geweek om PMMA te verwyder. Die films is vir 15 minute by 100°C verhit of oornag in 'n vakuum gehou om die vasgekeerde water heeltemal te verwyder voordat 'n ander laag G/G-rol daarop oorgedra is. Hierdie stap was om die loslating van die grafeenfilm van die substraat te vermy en volle bedekking van MGG's tydens die vrystelling van die PMMA-draerlaag te verseker.
Die morfologie van die MGG-struktuur is waargeneem met behulp van 'n optiese mikroskoop (Leica) en 'n skandeerelektronmikroskoop (1 kV; FEI). 'n Atoomkragmikroskoop (Nanoscope III, Digital Instrument) is in tapmodus bedryf om die besonderhede van die G-rolle waar te neem. Filmdeursigtigheid is getoets deur 'n ultraviolet-sigbare spektrometer (Agilent Cary 6000i). Vir die toetse, toe die spanning langs die loodregte rigting van die stroomvloei was, is fotolitografie en O2-plasma gebruik om grafeenstrukture in stroke (~300 μm breed en ~2000 μm lank) te vorm, en Au (50 nm) elektrodes is termies neergelê met behulp van skadumaskers aan beide kante van die lang kant. Die grafeenstroke is toe in kontak gebring met 'n SEBS-elastomeer (~2 cm breed en ~5 cm lank), met die lang as van die stroke parallel met die kort kant van SEBS, gevolg deur BOE (gebufferde oksied-ets) (HF:H2O 1:6) etsing en eutektiese galliumindium (EGaIn) as elektriese kontakte. Vir parallelle spanningstoetse is ongepatroneerde grafeenstrukture (~5 × 10 mm) op SEBS-substrate oorgedra, met lang asse parallel aan die lang kant van die SEBS-substraat. Vir beide gevalle is die hele G (sonder G-rolle)/SEBS langs die lang kant van die elastomeer in 'n handmatige apparaat gerek, en in situ het ons hul weerstandsveranderinge onder spanning op 'n sondestasie met 'n halfgeleier-analiseerder (Keithley 4200-SCS) gemeet.
Die hoogs rekbare en deursigtige koolstof-transistors op 'n elastiese substraat is vervaardig deur die volgende prosedures om organiese oplosmiddelskade van die polimeer-diëlektrikum en substraat te vermy. MGG-strukture is oorgedra na SEBS as hek-elektrodes. Om 'n uniforme dunfilm-polimeer-diëlektriese laag (2 μm dik) te verkry, is 'n SEBS-tolueen (80 mg/ml) oplossing spin-bedek op 'n oktadeciltrichlorosilaan (OTS)-gemodifiseerde SiO2/Si-substraat teen 1000 rpm vir 1 minuut. Die dun diëlektriese film kan maklik oorgedra word vanaf die hidrofobiese OTS-oppervlak na die SEBS-substraat bedek met die voorbereide grafeen. 'n Kapasitor kan gemaak word deur 'n vloeibare-metaal (EGaIn; Sigma-Aldrich) boonste elektrode te deponeer om die kapasitansie as 'n funksie van spanning te bepaal met behulp van 'n LCR (induktansie, kapasitansie, weerstand) meter (Agilent). Die ander deel van die transistor het bestaan uit polimeer-gesorteerde halfgeleidende CNT's, volgens die prosedures wat voorheen gerapporteer is (53). Die gepatroneerde bron/drein-elektrodes is op rigiede SiO2/Si-substrate vervaardig. Vervolgens is die twee dele, diëlektrikum/G/SEBS en CNT's/gepatroneerde G/SiO2/Si, aan mekaar gelamineer en in BOE geweek om die rigiede SiO2/Si-substraat te verwyder. Dus is die volledig deursigtige en rekbare transistors vervaardig. Die elektriese toetsing onder spanning is op 'n handmatige strekopstelling uitgevoer volgens die bogenoemde metode.
Aanvullende materiaal vir hierdie artikel is beskikbaar by http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Optiese mikroskopiebeelde van monolaag MGG op SiO2/Si-substrate teen verskillende vergrotings.
fig. S4. Vergelyking van twee-sonde vel weerstande en transmissies @550 nm van mono-, bi- en trilaag gewone grafeen (swart vierkante), MGG (rooi sirkels), en CNT's (blou driehoek).
fig. S7. Genormaliseerde weerstandsverandering van mono- en bilaag MGG's (swart) en G (rooi) onder ~1000 sikliese spanningsbelasting tot onderskeidelik 40 en 90% parallelle spanning.
fig. S10. SEM-beeld van drielaag-MGG op SEBS-elastomeer na vervorming, wat 'n lang krulkruis oor verskeie krake toon.
fig. S12. AFM-beeld van drielaag-MGG op baie dun SEBS-elastomeer teen 20% spanning, wat toon dat 'n krul oor 'n kraak gekruis het.
tabel S1. Mobiliteite van dubbellaag MGG–enkelwandige koolstof-nanobuistransistors by verskillende kanaallengtes voor en na spanning.
Hierdie is 'n ooptoegangartikel wat versprei word onder die bepalings van die Creative Commons Attribution-NonCommercial-lisensie, wat gebruik, verspreiding en reproduksie in enige medium toelaat, solank die gevolglike gebruik nie vir kommersiële voordeel is nie en mits die oorspronklike werk behoorlik aangehaal word.
LET WEL: Ons versoek slegs u e-posadres sodat die persoon aan wie u die bladsy aanbeveel, weet dat u wou hê hulle dit moes sien, en dat dit nie gemorspos is nie. Ons vang geen e-posadres vas nie.
Hierdie vraag is om te toets of jy 'n menslike besoeker is en om outomatiese strooiposvoorleggings te voorkom.
Deur 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
Deur Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science. Alle regte voorbehou. AAAS is 'n vennoot van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Plasingstyd: 28 Januarie 2021