Dvodimenzionalni materijali, poput grafena, atraktivni su i za konvencionalne poluvodičke primjene i za nove primjene u fleksibilnoj elektronici. Međutim, visoka vlačna čvrstoća grafena rezultira lomljenjem pri niskom naprezanju, što otežava iskorištavanje njegovih izvanrednih elektroničkih svojstava u rastezljivoj elektronici. Kako bismo omogućili izvrsne performanse prozirnih grafenskih vodiča ovisne o naprezanju, stvorili smo grafenske nanosvitke između naslaganih grafenskih slojeva, nazvane višeslojni grafen/grafenski svitci (MGG). Pod naprezanjem, neki svitci premostili su fragmentirane domene grafena kako bi održali perkolacijsku mrežu koja je omogućila izvrsnu vodljivost pri visokim naprezanjima. Troslojni MGG-ovi na elastomerima zadržali su 65% svoje izvorne vodljivosti pri 100% naprezanja, što je okomito na smjer protoka struje, dok su troslojni filmovi grafena bez nanosvitka zadržali samo 25% svoje početne vodljivosti. Rastezljivi tranzistor od ugljika izrađen korištenjem MGG-ova kao elektroda pokazao je propusnost od >90% i zadržao je 60% svoje izvorne strujne izlazne snage pri 120% naprezanja (paralelno sa smjerom prijenosa naboja). Ovi visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od ugljika mogli bi omogućiti sofisticiranu rastezljivu optoelektroniku.
Rastezljiva prozirna elektronika je rastuće područje koje ima važne primjene u naprednim biointegriranim sustavima (1, 2), kao i potencijal za integraciju s rastezljivom optoelektronikom (3, 4) za proizvodnju sofisticirane meke robotike i zaslona. Grafen pokazuje vrlo poželjna svojstva atomske debljine, visoke prozirnosti i visoke vodljivosti, ali njegovu primjenu u rastezljivim primjenama ometa sklonost pucanju pri malim naprezanjima. Prevladavanje mehaničkih ograničenja grafena moglo bi omogućiti nove funkcionalnosti u rastezljivim prozirnim uređajima.
Jedinstvena svojstva grafena čine ga jakim kandidatom za sljedeću generaciju prozirnih vodljivih elektroda (5, 6). U usporedbi s najčešće korištenim prozirnim vodičem, indij-kositrovim oksidom [ITO; 100 ohma/kvadrat (m²) pri 90% prozirnosti], monoslojni grafen uzgojen kemijskim taloženjem iz pare (CVD) ima sličnu kombinaciju otpora sloja (125 ohma/m²) i prozirnosti (97,4%) (5). Osim toga, grafenski filmovi imaju izvanrednu fleksibilnost u usporedbi s ITO-om (7). Na primjer, na plastičnoj podlozi, njegova vodljivost može se zadržati čak i za radijus savijanja zakrivljenosti od samo 0,8 mm (8). Kako bi se dodatno poboljšale njegove električne performanse kao prozirnog fleksibilnog vodiča, prethodni radovi razvili su grafenske hibridne materijale s jednodimenzionalnim (1D) srebrnim nanocjevčicama ili ugljikovim nanocjevčicama (CNT) (9–11). Štoviše, grafen se koristi kao elektrode za miješane dimenzionalne heterostrukturne poluvodiče (kao što su 2D rasuti silicij, 1D nanocjevčice i 0D kvantne točke) (12), fleksibilne tranzistore, solarne ćelije i svjetleće diode (LED) (13–23).
Iako je grafen pokazao obećavajuće rezultate za fleksibilnu elektroniku, njegova primjena u rastezljivoj elektronici ograničena je njegovim mehaničkim svojstvima (17, 24, 25); grafen ima krutost u ravnini od 340 N/m i Youngov modul od 0,5 TPa (26). Jaka ugljik-ugljik mreža ne pruža nikakve mehanizme disipacije energije za primijenjeno naprezanje i stoga lako puca pri naprezanju manjem od 5%. Na primjer, CVD grafen prenesen na elastičnu podlogu od polidimetilsiloksana (PDMS) može održati svoju vodljivost samo pri naprezanju manjem od 6% (8). Teorijski izračuni pokazuju da bi gužvanje i međudjelovanje između različitih slojeva trebali snažno smanjiti krutost (26). Slaganjem grafena u više slojeva, izvještava se da se ovaj dvo- ili troslojni grafen rasteže do 30% naprezanja, pokazujući promjenu otpora 13 puta manju od one kod jednoslojnog grafena (27). Međutim, ova rastezljivost je i dalje znatno inferiorna u odnosu na najsuvremenije rastezljive vodiče (28, 29).
Tranzistori su važni u rastezljivim primjenama jer omogućuju sofisticirano očitavanje senzora i analizu signala (30, 31). Tranzistori na PDMS-u s višeslojnim grafenom kao elektrodama izvora/odvoda i materijalom kanala mogu održavati električnu funkciju do 5% naprezanja (32), što je znatno ispod minimalne potrebne vrijednosti (~50%) za nosive senzore za praćenje zdravlja i elektroničku kožu (33, 34). Nedavno je istražen pristup grafen kirigami, a tranzistor zatvoren tekućim elektrolitom može se rastegnuti do čak 240% (35). Međutim, ova metoda zahtijeva suspendirani grafen, što komplicira proces izrade.
Ovdje postižemo visoko rastezljive grafenske uređaje umetanjem grafenskih spirala (duljine ~1 do 20 μm, širine ~0,1 do 1 μm i visine ~10 do 100 nm) između slojeva grafena. Pretpostavljamo da bi ove grafenske spirala mogle osigurati vodljive putove za premošćivanje pukotina u grafenskim listovima, održavajući tako visoku vodljivost pod naprezanjem. Grafenske spirala ne zahtijevaju dodatnu sintezu ili proces; prirodno se formiraju tijekom postupka mokrog prijenosa. Korištenjem višeslojnih G/G (grafen/grafen) spirala (MGG), rastezljivih grafenskih elektroda (izvor/odvod i ulaz) i poluvodičkih ugljičnih nanocijevi (CNT), uspjeli smo demonstrirati visoko transparentne i visoko rastezljive tranzistore od ugljika, koji se mogu rastegnuti do 120% naprezanja (paralelno sa smjerom prijenosa naboja) i zadržati 60% svoje izvorne izlazne struje. Ovo je do sada najrastezljiviji transparentni tranzistor na bazi ugljika i osigurava dovoljnu struju za pogon anorganske LED diode.
Kako bismo omogućili prozirne rastezljive grafenske elektrode velike površine, odabrali smo CVD-uzgojen grafen na Cu foliji. Cu folija je bila obješena u središte CVD kvarcne cijevi kako bi se omogućio rast grafena s obje strane, formirajući G/Cu/G strukture. Za prijenos grafena, prvo smo centrifugiranjem nanijeli tanki sloj poli(metil metakrilata) (PMMA) kako bismo zaštitili jednu stranu grafena, koju smo nazvali gornji grafen (obrnuto za drugu stranu grafena), a potom je cijeli film (PMMA/gornji grafen/Cu/donji grafen) natopljen otopinom (NH4)2S2O8 kako bi se nagrizla Cu folija. Donji grafen bez PMMA premaza neizbježno će imati pukotine i nedostatke koji omogućuju prodiranje sredstva za nagrizanje (36, 37). Kao što je prikazano na slici 1A, pod utjecajem površinske napetosti, oslobođene grafenske domene su se smotale u spirale i potom pričvrstile na preostali gornji G/PMMA film. Gornje G/G svitke moguće je prenijeti na bilo koju podlogu, kao što je SiO2/Si, staklo ili meki polimer. Ponavljanje ovog postupka prijenosa nekoliko puta na istu podlogu daje MGG strukture.
(A) Shematski prikaz postupka izrade MGG-a kao rastezljive elektrode. Tijekom prijenosa grafena, stražnja strana grafena na Cu foliji je prekinuta na granicama i defektima, smotana u proizvoljne oblike i čvrsto pričvršćena na gornje filmove, formirajući nanosvitke. Četvrti crtež prikazuje složenu MGG strukturu. (B i C) Visokorezolucijske TEM karakterizacije monoslojnog MGG-a, s fokusom na monoslojni grafen (B) odnosno područje svitka (C). Umetak (B) je slika s malim povećanjem koja prikazuje ukupnu morfologiju monoslojnih MGG-a na TEM mreži. Umeci (C) su profili intenziteta snimljeni duž pravokutnih okvira naznačenih na slici, gdje su udaljenosti između atomskih ravnina 0,34 i 0,41 nm. (D) EEL spektar ugljika na K-rubu s označenim karakterističnim grafitnim π* i σ* vrhovima. (E) Presječna AFM slika monoslojnih G/G svitaka s visinskim profilom duž žute isprekidane linije. (F do I) Optička mikroskopija i AFM slika trosloja G bez (F i H) i sa svitcima (G i I) na SiO2/Si podlogama debljine 300 nm. Reprezentativni svitci i nabori označeni su kako bi se istaknule njihove razlike.
Kako bismo provjerili jesu li svici po prirodi smotani grafen, proveli smo studije transmisijske elektronske mikroskopije visoke rezolucije (TEM) i spektroskopije gubitka energije elektrona (EEL) na strukturama svitaka monosloja gornjeg G/G sloja. Slika 1B prikazuje heksagonalnu strukturu monoslojnog grafena, a umetak je ukupna morfologija filma prekrivenog jednom ugljičnom rupom TEM mreže. Monoslojni grafen obuhvaća veći dio mreže, a pojavljuju se neke pahuljice grafena u prisutnosti više slojeva heksagonalnih prstenova (slika 1B). Zumiranjem pojedinačnog svitka (slika 1C) uočili smo veliku količinu resa rešetke grafena, s razmakom rešetke u rasponu od 0,34 do 0,41 nm. Ova mjerenja sugeriraju da su pahuljice nasumično smotane i da nisu savršeni grafit, koji ima razmak rešetke od 0,34 nm u slaganju slojeva "ABAB". Slika 1D prikazuje EEL spektar ugljika na K-rubu, gdje vrh na 285 eV potječe iz π* orbitale, a drugi oko 290 eV je posljedica prijelaza σ* orbitale. Može se vidjeti da u ovoj strukturi dominira sp2 veza, što potvrđuje da su spirale izrazito grafitne.
Slike dobivene optičkom mikroskopijom i mikroskopijom atomskih sila (AFM) pružaju uvid u raspodjelu grafenskih nanosvitaka u MGG-ovima (slika 1, E do G i slike S1 i S2). Spilaci su nasumično raspoređeni po površini, a njihova gustoća u ravnini raste proporcionalno broju naslaganih slojeva. Mnogi su svici zapetljani u čvorove i pokazuju neujednačene visine u rasponu od 10 do 100 nm. Dugi su od 1 do 20 μm i široki od 0,1 do 1 μm, ovisno o veličini njihovih početnih grafenskih pahuljica. Kao što je prikazano na slici 1 (H i I), svici imaju znatno veće veličine od bora, što dovodi do mnogo hrapavijeg međupovršinskog sloja između slojeva grafena.
Za mjerenje električnih svojstava, oblikovali smo grafenske filmove sa ili bez spiralnih struktura i slaganjem slojeva u trake širine 300 μm i duljine 2000 μm pomoću fotolitografije. Otpori s dvije sonde kao funkcija naprezanja mjereni su u ambijentalnim uvjetima. Prisutnost spirala smanjila je otpor monoslojnog grafena za 80%, uz smanjenje propusnosti od samo 2,2% (slika S4). To potvrđuje da nanospirci, koji imaju visoku gustoću struje do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), daju vrlo pozitivan električni doprinos MGG-ima. Među svim mono-, dvo- i troslojnim običnim grafenom i MGG-ima, troslojni MGG ima najbolju vodljivost s prozirnošću od gotovo 90%. Za usporedbu s drugim izvorima grafena navedenima u literaturi, također smo izmjerili otpore slojeva s četiri sonde (slika S5) i naveli ih kao funkciju propusnosti na 550 nm (slika S6) na slici 2A. MGG pokazuje usporedivu ili veću vodljivost i transparentnost od umjetno složenog višeslojnog običnog grafena i reduciranog grafen oksida (RGO) (6, 8, 18). Treba napomenuti da su otpori slojeva umjetno složenog višeslojnog običnog grafena iz literature nešto veći od otpora našeg MGG-a, vjerojatno zbog njihovih neoptimiziranih uvjeta rasta i metode prijenosa.
(A) Otpori slojeva s četiri sonde u odnosu na transmitanciju na 550 nm za nekoliko vrsta grafena, gdje crni kvadrati označavaju mono-, dvo- i troslojne MGG-ove; crveni krugovi i plavi trokuti odgovaraju višeslojnom običnom grafenu uzgojenom na Cu i Ni iz studija Li i suradnika (6) i Kima i suradnika (8), te potom prenesenom na SiO2/Si ili kvarc; a zeleni trokuti su vrijednosti za RGO pri različitim stupnjevima redukcije iz studije Bonaccorsa i suradnika (18). (B i C) Normalizirana promjena otpora mono-, dvo- i troslojnih MGG-ova i G kao funkcija okomitog (B) i paralelnog (C) naprezanja na smjer toka struje. (D) Normalizirana promjena otpora dvosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem naprezanja do 50% okomitog naprezanja. (E) Normalizirana promjena otpora trosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem naprezanja do 90% paralelnog naprezanja. (F) Normalizirana promjena kapaciteta mono-, dvo- i troslojnog G te dvo- i troslojnog MGG-a kao funkcija naprezanja. Umetak prikazuje strukturu kondenzatora, gdje je polimerna podloga SEBS, a polimerni dielektrični sloj SEBS debljine 2 μm.
Kako bismo procijenili performanse MGG-a ovisne o naprezanju, prenijeli smo grafen na termoplastične elastomerne stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) podloge (širine ~2 cm i duljine ~5 cm), a vodljivost je mjerena dok se podloga rastezala (vidi Materijali i metode) i okomito i paralelno sa smjerom toka struje (slika 2, B i C). Električno ponašanje ovisno o naprezanju poboljšalo se ugradnjom nanospirala i povećanjem broja slojeva grafena. Na primjer, kada je naprezanje okomito na tok struje, za jednoslojni grafen, dodavanje spirala povećalo je naprezanje pri električnom prekidu s 5 na 70%. Tolerancija na naprezanje troslojnog grafena također je značajno poboljšana u usporedbi s jednoslojnim grafenom. S nanospiralama, pri 100% okomitog naprezanja, otpor troslojne MGG strukture povećao se samo za 50%, u usporedbi s 300% za troslojni grafen bez spirala. Istražena je promjena otpora pod cikličkim opterećenjem naprezanja. Za usporedbu (slika 2D), otpori običnog dvoslojnog grafenskog filma povećali su se oko 7,5 puta nakon ~700 ciklusa pri 50% okomitog naprezanja i nastavili su se povećavati s naprezanjem u svakom ciklusu. S druge strane, otpor dvoslojnog MGG-a povećao se samo oko 2,5 puta nakon ~700 ciklusa. Primjenom naprezanja do 90% duž paralelnog smjera, otpor troslojnog grafena povećao se ~100 puta nakon 1000 ciklusa, dok je kod troslojnog MGG-a samo ~8 puta (slika 2E). Rezultati cikliranja prikazani su na slici S7. Relativno brže povećanje otpora duž paralelnog smjera naprezanja posljedica je toga što je orijentacija pukotina okomita na smjer toka struje. Odstupanje otpora tijekom opterećenja i rasterećenja naprezanja posljedica je viskoelastičnog oporavka SEBS elastomerne podloge. Stabilniji otpor MGG traka tijekom cikliranja posljedica je prisutnosti velikih spirala koje mogu premostiti napuknute dijelove grafena (što je uočeno AFM-om), pomažući u održavanju puta procjeđivanja. Ovaj fenomen održavanja vodljivosti perkolacijskim putem već je ranije zabilježen kod napuknutih metalnih ili poluvodičkih filmova na elastomernim podlogama (40, 41).
Kako bismo procijenili ove filmove na bazi grafena kao elektrode vrata u rastezljivim uređajima, prekrili smo sloj grafena SEBS dielektričnim slojem (debljine 2 μm) i pratili promjenu dielektričnog kapaciteta kao funkciju naprezanja (vidi sliku 2F i dodatne materijale za detalje). Primijetili smo da su se kapaciteti s običnim jednoslojnim i dvoslojnim grafenskim elektrodama brzo smanjili zbog gubitka vodljivosti grafena u ravnini. Nasuprot tome, kapaciteti s vratima MGG-a, kao i običan troslojni grafen, pokazali su povećanje kapaciteta s naprezanjem, što se i očekuje zbog smanjenja dielektrične debljine s naprezanjem. Očekivano povećanje kapaciteta vrlo se dobro podudaralo s MGG strukturom (slika S8). To ukazuje na to da je MGG prikladan kao elektroda vrata za rastezljive tranzistore.
Kako bismo dalje istražili ulogu 1D grafenske spirale na toleranciju naprezanja električne vodljivosti i bolje kontrolirali razdvajanje između slojeva grafena, koristili smo CNT-ove nanesene raspršivanjem kako bismo zamijenili grafenske spirale (vidi Dodatne materijale). Kako bismo oponašali MGG strukture, nanijeli smo CNT-ove u tri gustoće (tj. CNT1
(A do C) AFM slike triju različitih gustoća CNT-a (CNT1
Kako bismo bolje razumjeli njihovu sposobnost kao elektroda za rastezljivu elektroniku, sustavno smo istražili morfologije MGG i G-CNT-G pod naprezanjem. Optička mikroskopija i skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) nisu učinkovite metode karakterizacije jer obje nemaju kontrast boja, a SEM je podložan artefaktima slike tijekom elektronskog skeniranja kada se grafen nalazi na polimernim podlogama (slike S9 i S10). Kako bismo in situ promatrali površinu grafena pod naprezanjem, prikupili smo AFM mjerenja na troslojnim MGG-ima i običnom grafenu nakon prijenosa na vrlo tanke (debljine ~0,1 mm) i elastične SEBS podloge. Zbog intrinzičnih defekata u CVD grafenu i vanjskih oštećenja tijekom procesa prijenosa, neizbježno se stvaraju pukotine na napregnutom grafenu, a s povećanjem naprezanja pukotine postaju gušće (slika 4, A do D). Ovisno o strukturi slaganja elektroda na bazi ugljika, pukotine pokazuju različite morfologije (slika S11) (27). Gustoća područja pukotina (definirana kao površina pukotine/analizirano područje) višeslojnog grafena manja je od one kod monoslojnog grafena nakon naprezanja, što je u skladu s povećanjem električne vodljivosti za MGG. S druge strane, često se opaža da spirale premošćuju pukotine, pružajući dodatne vodljive putove u napregnutom filmu. Na primjer, kao što je označeno na slici na slici 4B, široka spirala prešla je preko pukotine u troslojnom MGG-u, ali nije uočena spirala u običnom grafenu (slika 4, od E do H). Slično tome, ugljične nanocijevi (CNT) također su premostile pukotine u grafenu (slika S11). Gustoća područja pukotina, gustoća područja spirala i hrapavost filmova sažete su na slici 4K.
(A do H) In situ AFM slike troslojnih G/G spirala (A do D) i troslojnih G struktura (E do H) na vrlo tankom SEBS (debljine ~0,1 mm) elastomeru pri naprezanju od 0, 20, 60 i 100 %. Reprezentativne pukotine i spirali označeni su strelicama. Sve AFM slike su u području od 15 μm × 15 μm, koristeći istu skalu boja kao što je označeno. (I) Simulacijska geometrija uzorkovanih monoslojnih grafenskih elektroda na SEBS podlozi. (J) Simulacijska konturna karta maksimalnog glavnog logaritamskog naprezanja u monoslojnom grafenu i SEBS podlozi pri vanjskom naprezanju od 20 %. (K) Usporedba gustoće površine pukotina (crveni stupac), gustoće površine spirala (žuti stupac) i hrapavosti površine (plavi stupac) za različite strukture grafena.
Kada se MGG filmovi rastežu, postoji važan dodatni mehanizam kojim spirale mogu premostiti napuknuta područja grafena, održavajući perkolacijsku mrežu. Grafenske spirale su obećavajuće jer mogu biti duljine desetke mikrometara i stoga sposobne premostiti pukotine koje su obično do mikrometarske skale. Nadalje, budući da se spirale sastoje od više slojeva grafena, očekuje se da imaju nizak otpor. U usporedbi s tim, relativno guste (niže propusnosti) CNT mreže potrebne su za pružanje usporedive sposobnosti vodljivog premošćivanja, budući da su CNT-i manji (obično duljine nekoliko mikrometara) i manje vodljivi od spirala. S druge strane, kao što je prikazano na sl. S12, dok grafen puca tijekom istezanja kako bi se prilagodio naprezanju, spirale ne pucaju, što ukazuje na to da bi potonje mogle kliziti po podložnom grafenu. Razlog zašto ne pucaju vjerojatno je zbog smotane strukture, sastavljene od mnogo slojeva grafena (duljine ~1 do 20 μm, širine ~0,1 do 1 μm i visine ~10 do 100 nm), koji ima veći efektivni modul od jednoslojnog grafena. Kako su izvijestili Green i Hersam (42), metalne CNT mreže (promjer cijevi od 1,0 nm) mogu postići niske otpore slojeva <100 ohma/sq unatoč velikom otporu spoja između CNT-ova. S obzirom na to da naši grafenski svici imaju širinu od 0,1 do 1 μm i da G/G svici imaju mnogo veće kontaktne površine od CNT-ova, kontaktni otpor i kontaktna površina između grafena i grafenskih svitaka ne bi trebali biti ograničavajući čimbenici za održavanje visoke vodljivosti.
Grafen ima puno veći modul od SEBS podloge. Iako je efektivna debljina grafenske elektrode puno niža od debljine podloge, krutost grafena pomnožena s debljinom podloge usporediva je s krutošću podloge (43, 44), što rezultira umjerenim efektom krutog otoka. Simulirali smo deformaciju grafena debljine 1 nm na SEBS podlozi (vidi Dodatne materijale za detalje). Prema rezultatima simulacije, kada se na SEBS podlogu izvana primijeni naprezanje od 20%, prosječno naprezanje u grafenu iznosi ~6,6% (slika 4J i slika S13D), što je u skladu s eksperimentalnim opažanjima (vidi sliku S13). Usporedili smo naprezanje u uzorkovanim područjima grafena i podloge pomoću optičke mikroskopije i otkrili da je naprezanje u području podloge barem dvostruko veće od naprezanja u području grafena. To ukazuje na to da bi naprezanje primijenjeno na uzorke grafenskih elektroda moglo biti značajno ograničeno, formirajući krute otoke grafena na vrhu SEBS-a (26, 43, 44).
Stoga je sposobnost MGG elektroda da održe visoku vodljivost pod visokim naprezanjem vjerojatno omogućena dvama glavnim mehanizmima: (i) Spilati mogu premostiti nepovezana područja kako bi održali vodljivi perkolacijski put i (ii) višeslojni grafenski listovi/elastomer mogu kliziti jedan preko drugoga, što rezultira smanjenim naprezanjem grafenskih elektroda. Kod više slojeva prenesenog grafena na elastomer, slojevi nisu čvrsto povezani jedan s drugim, što može kliziti kao odgovor na naprezanje (27). Spilati su također povećali hrapavost grafenskih slojeva, što može pomoći u povećanju razmaka između grafenskih slojeva i stoga omogućiti klizanje grafenskih slojeva.
Uređaji od ugljika entuzijastično se traže zbog niske cijene i visokog protoka. U našem slučaju, tranzistori od ugljika izrađeni su korištenjem donjeg grafenskog vrata, gornjeg grafenskog kontakta izvor/odvod, sortiranog CNT poluvodiča i SEBS-a kao dielektrika (slika 5A). Kao što je prikazano na slici 5B, uređaj od ugljika s CNT-ima kao izvorom/odvodom i vratima (donji uređaj) je neprozirniji od uređaja s grafenskim elektrodama (gornji uređaj). To je zato što CNT mreže zahtijevaju veće debljine i, posljedično, niže optičke propusnosti kako bi se postigli otpori slojeva slični onima kod grafena (slika S4). Slika 5 (C i D) prikazuje reprezentativne krivulje prijenosa i izlaza prije naprezanja za tranzistor izrađen s dvoslojnim MGG elektrodama. Širina i duljina kanala nenapregnutog tranzistora bile su 800 i 100 μm. Izmjereni omjer uključenja/isključenja veći je od 103 s uključenim i isključenim strujama na razinama od 10⁻⁶ i 10⁻⁶ A. Izlazna krivulja pokazuje idealne linearne i zasićene režime s jasnom ovisnošću o naponu vrata, što ukazuje na idealan kontakt između CNT-a i grafenskih elektroda (45). Uočeno je da je kontaktni otpor s grafenskim elektrodama niži nego s isparenim Au filmom (vidi sliku S14). Mobilnost zasićenja rastezljivog tranzistora iznosi oko 5,6 cm2/Vs, slično onoj kod istih polimerno sortiranih CNT tranzistora na krutim Si podlogama s 300 nm SiO2 kao dielektričnim slojem. Daljnje poboljšanje mobilnosti moguće je optimiziranom gustoćom cijevi i drugim vrstama cijevi (46).
(A) Shema rastezljivog tranzistora na bazi grafena. SWNT-ovi, jednoslojne ugljikove nanocjevčice. (B) Fotografija rastezljivih tranzistora izrađenih od grafenskih elektroda (gore) i CNT elektroda (dolje). Razlika u prozirnosti je jasno uočljiva. (C i D) Krivulje prijenosa i izlaza tranzistora na bazi grafena na SEBS-u prije naprezanja. (E i F) Krivulje prijenosa, struja uključivanja i isključivanja, omjer uključivanja/isključivanja i pokretljivost tranzistora na bazi grafena pri različitim naprezanjima.
Kada je prozirni uređaj od ugljika rastegnut u smjeru paralelnom smjeru transporta naboja, uočena je minimalna degradacija do 120% naprezanja. Tijekom istezanja, pokretljivost se kontinuirano smanjivala od 5,6 cm2/Vs pri 0% naprezanja do 2,5 cm2/Vs pri 120% naprezanja (slika 5F). Također smo usporedili performanse tranzistora za različite duljine kanala (vidi tablicu S1). Značajno je da su pri naprezanju od čak 105% svi ovi tranzistori i dalje pokazivali visok omjer uključeno/isključeno (>103) i pokretljivost (>3 cm2/Vs). Osim toga, saželi smo sve nedavne radove na tranzistorima od ugljika (vidi tablicu S2) (47–52). Optimizacijom izrade uređaja na elastomerima i korištenjem MGG-a kao kontakata, naši tranzistori od ugljika pokazuju dobre performanse u smislu pokretljivosti i histereze, kao i visoke rastezljivosti.
Kao primjenu potpuno prozirnog i rastezljivog tranzistora, koristili smo ga za upravljanje prebacivanjem LED diode (slika 6A). Kao što je prikazano na slici 6B, zelena LED dioda se jasno vidi kroz rastezljivi uređaj od ugljika postavljen neposredno iznad. Prilikom istezanja do ~100% (slika 6, C i D), intenzitet svjetla LED diode se ne mijenja, što je u skladu s gore opisanim performansama tranzistora (vidi film S1). Ovo je prvo izvješće o rastezljivim upravljačkim jedinicama izrađenim korištenjem grafenskih elektroda, što demonstrira novu mogućnost za rastezljivu grafensku elektroniku.
(A) Strujni krug tranzistora za pogon LED diode. GND, uzemljenje. (B) Fotografija rastezljivog i prozirnog tranzistora od ugljika pri 0% naprezanja postavljenog iznad zelene LED diode. (C) Prozirni i rastezljivi tranzistor od ugljika koji se koristi za uključivanje LED diode montira se iznad LED diode pri 0% (lijevo) i ~100% naprezanja (desno). Bijele strelice pokazuju kao žute oznake na uređaju kako bi se prikazala promjena udaljenosti pri istezanju. (D) Bočni pogled na rastegnuti tranzistor, s LED diodom utisnutom u elastomer.
Zaključno, razvili smo prozirnu vodljivu grafensku strukturu koja održava visoku vodljivost pod velikim naprezanjima kao rastezljive elektrode, što omogućuju grafenske nanosvitke između naslaganih grafenskih slojeva. Ove dvoslojne i troslojne MGG elektrodne strukture na elastomeru mogu održati 21% odnosno 65% svoje vodljivosti od 0% naprezanja pri naprezanju do 100%, u usporedbi s potpunim gubitkom vodljivosti pri naprezanju od 5% za tipične monoslojne grafenske elektrode. Dodatni vodljivi putevi grafenskih svitaka, kao i slaba interakcija između prenesenih slojeva, doprinose superiornoj stabilnosti vodljivosti pod naprezanjem. Nadalje smo primijenili ovu grafensku strukturu za izradu rastezljivih tranzistora od ugljika. Do sada je ovo najrastezljiviji tranzistor na bazi grafena s najboljom prozirnošću 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 uzgojen je na suspendiranim Cu folijama (99,999%; Alfa Aesar) pod konstantnim tlakom od 0,5 mtorr s 50–SCCM (standardni kubni centimetar po minuti) CH4 i 20–SCCM H2 kao prekursorima na 1000 °C. Obje strane Cu folije bile su prekrivene monoslojnim grafenom. Tanki sloj PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) nanesen je centrifugiranjem na jednu stranu Cu folije, formirajući strukturu PMMA/G/Cu folija/G. Nakon toga, cijeli film je natopljen 0,1 M otopinom amonijevog persulfata [(NH4)2S2O8] oko 2 sata kako bi se nagrizla Cu folija. Tijekom ovog procesa, nezaštićeni stražnji grafen prvo se poderao duž granica zrna, a zatim se smotao u spirale zbog površinske napetosti. Spirale su pričvršćene na gornji grafenski film poduprt PMMA-om, formirajući PMMA/G/G spirale. Filmovi su potom nekoliko puta isprani u deioniziranoj vodi i položeni na ciljnu podlogu, kao što je kruta SiO2/Si ili plastična podloga. Čim se pričvršćeni film osušio na podlozi, uzorak je sekvencijalno natopljen acetonom, 1:1 acetonom/IPA (izopropilnim alkoholom) i IPA-om po 30 sekundi kako bi se uklonio PMMA. Filmovi su zagrijavani na 100°C tijekom 15 minuta ili držani u vakuumu preko noći kako bi se potpuno uklonila zarobljena voda prije nego što je na njega prenesen još jedan sloj G/G svitka. Ovaj je korak bio kako bi se izbjeglo odvajanje grafenskog filma od podloge i osiguralo potpuno pokrivanje MGG-a tijekom oslobađanja PMMA nosećeg sloja.
Morfologija MGG strukture promatrana je optičkim mikroskopom (Leica) i skenirajućim elektronskim mikroskopom (1 kV; FEI). Mikroskop atomskih sila (Nanoscope III, Digital Instrument) radio je u načinu rada s tapkanjem kako bi se promatrali detalji G svitaka. Prozirnost filma testirana je ultraljubičasto-vidljivim spektrometrom (Agilent Cary 6000i). Za testove kada je naprezanje bilo okomito na smjer toka struje, korišteni su fotolitografija i O2 plazma za oblikovanje grafenskih struktura u trake (širine ~300 μm i duljine ~2000 μm), a Au (50 nm) elektrode su termički deponirane pomoću maski za sjene na oba kraja duge strane. Grafenske trake su zatim stavljene u kontakt s SEBS elastomerom (širine ~2 cm i duljine ~5 cm), s dugom osi traka paralelnom s kratkom stranom SEBS-a, nakon čega slijedi BOE (puferirano oksidno jetkanje) (HF:H2O 1:6) i eutektički galij indij (EGaIn) kao električni kontakti. Za paralelna ispitivanja naprezanja, neuzorkovane strukture grafena (~5 × 10 mm) prenesene su na SEBS podloge, s dugim osima paralelnim s dugom stranom SEBS podloge. U oba slučaja, cijeli G (bez G spirala)/SEBS rastegnut je duž duge strane elastomera u ručnom aparatu, a in situ smo izmjerili njihove promjene otpora pod naprezanjem na sondi s poluvodičkim analizatorom (Keithley 4200-SCS).
Visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od ugljika na elastičnoj podlozi izrađeni su sljedećim postupcima kako bi se izbjeglo oštećenje polimernog dielektrika i podloge organskim otapalima. MGG strukture prenesene su na SEBS kao elektrode vrata. Kako bi se dobio jednoliki sloj tankog filma polimernog dielektrika (debljine 2 μm), otopina SEBS toluena (80 mg/ml) nanesena je centrifugiranjem na oktadeciltriklorosilanom (OTS) modificiranu SiO2/Si podlogu pri 1000 okretaja u minuti tijekom 1 minute. Tanki dielektrični film može se lako prenijeti s hidrofobne OTS površine na SEBS podlogu prekrivenu pripremljenim grafenom. Kondenzator se mogao izraditi nanošenjem gornje elektrode od tekućeg metala (EGaIn; Sigma-Aldrich) kako bi se odredio kapacitet kao funkcija naprezanja pomoću LCR (induktivitet, kapacitet, otpor) mjerača (Agilent). Drugi dio tranzistora sastojao se od polimerno sortiranih poluvodičkih CNT-a, slijedeći postupke opisane ranije (53). Uzorkovane elektrode izvora/odvoda izrađene su na krutim SiO2/Si podlogama. Nakon toga, dva dijela, dielektrik/G/SEBS i ugljični nanocijevi/uzorkovani G/SiO2/Si, laminirani su jedan na drugi i natopljeni u BOE kako bi se uklonila kruta SiO2/Si podloga. Tako su izrađeni potpuno prozirni i rastezljivi tranzistori. Električno ispitivanje pod naponom provedeno je na postavci za ručno istezanje kao i prethodno spomenuta metoda.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
sl. S1. Slike optičke mikroskopije monoslojnog MGG na SiO2/Si podlogama pri različitim uvećanjima.
sl. S4. Usporedba otpora i transmitancija dvoslojnih slojeva @550 nm mono-, dvo- i troslojnog običnog grafena (crni kvadrati), MGG-a (crveni krugovi) i CNT-a (plavi trokut).
sl. S7. Normalizirana promjena otpora jednoslojnih i dvoslojnih MGG-ova (crno) i G (crveno) pod cikličkim opterećenjem od ~1000 do 40% odnosno 90% paralelnog naprezanja.
sl. S10. SEM slika troslojnog MGG-a na SEBS elastomeru nakon naprezanja, koja prikazuje dugi poprečni presjek preko nekoliko pukotina.
sl. S12. AFM slika troslojnog MGG-a na vrlo tankom SEBS elastomeru pri naprezanju od 20%, koja pokazuje da je spirala prešla preko pukotine.
tablica S1. Mobilnosti dvoslojnih MGG-jednozidnih ugljikovih nanocjevčica tranzistora pri različitim duljinama kanala prije i nakon naprezanja.
Ovo je članak otvorenog pristupa distribuiran pod uvjetima licence Creative Commons Attribution-NonCommercial, koja dopušta korištenje, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, sve dok rezultirajuća upotreba nije u komercijalne svrhe i pod uvjetom da je izvorno djelo ispravno citirano.
NAPOMENA: Vašu adresu e-pošte tražimo samo kako bi osoba kojoj preporučujete stranicu znala da ste je htjeli vidjeti i da se ne radi o neželjenoj pošti. Ne prikupljamo nikakve adrese e-pošte.
Ovo pitanje služi za provjeru jeste li ljudski posjetitelj i kako bi se spriječilo automatsko slanje neželjene pošte.
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021. Američka udruga za napredak znanosti. Sva prava pridržana. AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Vrijeme objave: 28. siječnja 2021.