Dvodimenzionalni materijali, poput grafena, privlačni su i za konvencionalne poluvodičke primjene i za nove primjene u fleksibilnoj elektronici. Međutim, visoka vlačna čvrstoća grafena dovodi do lomljenja pri malom naprezanju, zbog čega je teško iskoristiti njegova izvanredna elektronička svojstva u rastezljivoj elektronici. Kako bismo omogućili izvrsnu izvedbu prozirnih grafenskih vodiča ovisnu o naprezanju, stvorili smo grafenske nanosvitke između naslaganih slojeva grafena, koji se nazivaju višeslojni grafen/grafenski svici (MGG). Pod naprezanjem su neki svici premostili fragmentirane domene grafena kako bi održali perkolirajuću mrežu koja je omogućila izvrsnu vodljivost pri velikim naprezanjima. Troslojni MGG-ovi poduprti na elastomerima zadržali su 65% svoje izvorne vodljivosti pri 100%-tnom naprezanju, što je okomito na smjer protoka struje, dok su troslojni filmovi od grafena bez nanosvitaka zadržali samo 25% svoje početne vodljivosti. Rastezljivi potpuno ugljični tranzistor proizveden korištenjem MGG-a kao elektroda pokazao je propusnost od >90% i zadržao 60% svoje izvorne izlazne struje pri naprezanju od 120% (paralelno sa smjerom prijenosa naboja). Ovi visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od potpunog 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 je njegova primjena u rastezljivim aplikacijama inhibirana njegovom tendencijom pucanja 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 kositar oksidom [ITO; 100 ohma/kvadrat (sq) pri 90% prozirnosti], jednoslojni grafen uzgojen kemijskim taloženjem iz pare (CVD) ima sličnu kombinaciju otpora sloja (125 ohma/sq) i prozirnosti (97,4%) (5). Osim toga, grafenski filmovi imaju izvanrednu fleksibilnost u usporedbi s ITO (7). Na primjer, na plastičnoj podlozi, njegova vodljivost može se zadržati čak i za radijus zakrivljenosti od samo 0,8 mm (8). Kako bi se dodatno poboljšala njegova električna izvedba kao prozirnog savitljivog vodiča, prethodni su radovi razvili grafenske hibridne materijale s jednodimenzionalnim (1D) srebrnim nanožicama ili ugljikovim nanocijevima (CNT) (9-11). Štoviše, grafen se koristi kao elektroda za mješovite dimenzionalne heterostrukturne poluvodiče (kao što su 2D bulk Si, 1D nanožice/nanocijevi i 0D kvantne točke) (12), fleksibilne tranzistore, solarne ćelije i diode koje emitiraju svjetlost (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). Snažna mreža ugljik-ugljik ne osigurava nikakve mehanizme disipacije energije za primijenjenu deformaciju i stoga lako puca pri deformaciji manjoj od 5%. Na primjer, CVD grafen prenesen na elastičnu podlogu od polidimetilsiloksana (PDMS) može zadržati svoju vodljivost samo pri deformaciji manjoj od 6% (8). Teorijski izračuni pokazuju da bi gužvanje i međusobno djelovanje između različitih slojeva trebalo snažno smanjiti krutost (26). Slaganjem grafena u više slojeva, objavljeno je da je ovaj dvoslojni ili troslojni grafen rastezljiv do 30% deformacije, pokazujući promjenu otpora 13 puta manju od one jednoslojnog grafena (27). Međutim, ta je rastezljivost još uvijek značajno inferiorna u odnosu na najsuvremenije rastezljive vodiče (28, 29).
Tranzistori su važni u rastezljivim aplikacijama 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 značajno ispod minimalne potrebne vrijednosti (~50%) za nosive senzore za praćenje zdravlja i elektroničku kožu ( 33, 34). Nedavno je istražen grafenski kirigami pristup, 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 svitaka (~1 do 20 μm dugih, ~0,1 do 1 μm širokih i ~10 do 100 nm visokih) između slojeva grafena. Pretpostavljamo da bi ti svici od grafena mogli osigurati vodljive puteve za premošćivanje pukotina u pločama od grafena, održavajući tako visoku vodljivost pod naprezanjem. Svici od grafena ne zahtijevaju dodatnu sintezu ili proces; prirodno nastaju tijekom postupka mokrog prijenosa. Upotrebom višeslojnih G/G (grafen/grafen) svitaka (MGGs) grafenskih rastezljivih elektroda (izvor/odvod i vrata) i poluvodičkih CNT-ova, uspjeli smo demonstrirati visoko prozirne i visoko rastezljive potpuno ugljične tranzistore, koji se mogu rastegnuti do 120 % naprezanja (paralelno sa smjerom prijenosa naboja) i zadržavaju 60 % svoje izvorne izlazne struje. Ovo je do sada najrastezljiviji prozirni tranzistor na bazi ugljika i osigurava dovoljnu struju za pokretanje anorganske LED diode.
Kako bismo omogućili prozirne rastezljive grafenske elektrode velike površine, odabrali smo CVD uzgojen grafen na Cu foliji. Cu folija je suspendirana u središtu CVD kvarcne cijevi kako bi se omogućio rast grafena s obje strane, tvoreći G/Cu/G strukture. Kako bismo prenijeli grafen, prvo smo centrifugirano premazali tankim slojem poli(metil metakrilata) (PMMA) kako bismo zaštitili jednu stranu grafena, koju smo nazvali topside graphene (obrnuto za drugu stranu grafena), a zatim, cijeli film (PMMA/gornji grafen/Cu/donji grafen) natopljen je otopinom (NH4)2S2O8 kako bi se urezala Cu folija. Grafen s donje strane bez PMMA premaza neizbježno će imati pukotine i nedostatke koji omogućuju prodiranje sredstva za jetkanje (36, 37). Kao što je ilustrirano na slici 1A, pod djelovanjem površinske napetosti, oslobođene domene grafena smotale su se u svitke i potom pričvrstile na preostali top-G/PMMA film. Top-G/G svici mogu se prenijeti na bilo koju podlogu, poput SiO2/Si, stakla ili mekog polimera. Ponavljanje ovog procesa prijenosa nekoliko puta na isti supstrat daje MGG strukture.
(A) Shematski prikaz postupka izrade za MGG kao rastezljive elektrode. Tijekom prijenosa grafena, stražnja strana grafena na Cu foliji je slomljena na granicama i defektima, smotana u proizvoljne oblike i čvrsto pričvršćena na gornje filmove, tvoreći nanosvitke. Četvrta karikatura prikazuje naslaganu MGG strukturu. (B i C) TEM karakteristike visoke razlučivosti jednoslojnog MGG-a, s fokusom na monoslojni grafen (B) i područje svitka (C). Umetak (B) je slika malog povećanja koja prikazuje ukupnu morfologiju jednoslojnih MGG-ova na TEM rešetki. Umetci (C) su profili intenziteta uzeti duž pravokutnih okvira naznačenih na slici, gdje su udaljenosti između atomskih ravnina 0,34 i 0,41 nm. (D ) EEL spektar K-ruba ugljika s označenim karakterističnim grafitnim π* i σ* vrhovima. (E) Presječna AFM slika jednoslojnih G/G svitaka s visinskim profilom duž žute točkaste linije. (F do I) Optička mikroskopija i AFM slike troslojnog G bez (F i H) i sa svicima (G i I) na SiO2/Si supstratima debljine 300 nm. Reprezentativni svici i bore označeni su kako bi se istaknule njihove razlike.
Kako bismo potvrdili da su svici u prirodi smotani grafen, proveli smo studije transmisijske elektronske mikroskopije visoke rezolucije (TEM) i spektroskopije gubitka energije elektrona (EEL) na monoslojnim gornjim G/G svitnim strukturama. Slika 1B prikazuje heksagonalnu strukturu jednoslojnog grafena, a umetak je ukupna morfologija filma prekrivenog jednom karbonskom rupom TEM mreže. Jednoslojni grafen proteže se većim dijelom rešetke, a pojavljuju se i neke ljuskice grafena u prisutnosti višestrukih nizova šesterokutnih prstenova (slika 1B). Zumiranjem pojedinačnog svitka (slika 1C), uočili smo veliku količinu resica grafenske rešetke, 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 "ABAB" slaganju slojeva. Slika 1D prikazuje EEL spektar K-ruba ugljika, gdje vrh na 285 eV potječe iz π* orbitale, a drugi oko 290 eV je zbog prijelaza σ* orbitale. Može se vidjeti da sp2 veza dominira u ovoj strukturi, potvrđujući da su svici vrlo grafitni.
Slike optičke mikroskopije i mikroskopije atomske sile (AFM) daju uvid u distribuciju grafenskih nanosvitaka u MGG-ovima (Sl. 1, E do G, i sl. S1 i S2). Svici su nasumično raspoređeni po površini, a njihova gustoća u ravnini raste proporcionalno broju naslaganih slojeva. Mnogi su svici zamršeni u čvorove i pokazuju neujednačenu visinu 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 ljuskica. Kao što je prikazano na slici 1 (H i I), svici su znatno veće veličine od nabora, što dovodi do mnogo grubljeg sučelja između slojeva grafena.
Kako bismo izmjerili električna svojstva, modelirali smo grafenske filmove sa ili bez svitnih struktura i slaganje slojeva u trake širine 300 μm i duge 2000 μm pomoću fotolitografije. Otpori dvije sonde kao funkcija deformacije mjereni su u uvjetima okoline. Prisutnost svitaka smanjila je otpornost jednoslojnog grafena za 80% sa samo 2,2% smanjenjem propusnosti (sl. S4). Ovo potvrđuje da nanosvitci, koji imaju visoku gustoću struje do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), daju vrlo pozitivan električni doprinos MGG-ovima. Među svim jednoslojnim, dvoslojnim i troslojnim grafenima i MGG-ovima, troslojni MGG ima najbolju vodljivost s prozirnošću od gotovo 90%. Za usporedbu s drugim izvorima grafena navedenim u literaturi, također smo izmjerili otpornost ploča s četiri sonde (sl. S5) i naveli ih kao funkciju propusnosti na 550 nm (sl. S6) na sl. 2A. MGG pokazuje usporedivu ili veću vodljivost i prozirnost od umjetno naslaganog višeslojnog običnog grafena i reduciranog grafen oksida (RGO) (6, 8, 18). Imajte na umu da su otpori ploča umjetno naslaganog višeslojnog običnog grafena iz literature malo veći od otpora našeg MGG-a, vjerojatno zbog njihovih neoptimiziranih uvjeta rasta i metode prijenosa.
(A) otpornost ploča s četiri sonde u odnosu na propusnost na 550 nm za nekoliko vrsta grafena, gdje crni kvadrati označavaju jedno-, dvo- i troslojne MGG-ove; crveni krugovi i plavi trokuti odgovaraju višeslojnom običnom grafenu uzgojenom na Cu i Ni iz studija Lija i sur. (6) i Kim et al. (8) i naknadno prenijeti na SiO2/Si ili kvarc; a zeleni trokuti su vrijednosti za RGO na različitim redukcijskim stupnjevima iz studije Bonaccorsa et al. ( 18). (B i C) Normalizirana promjena otpora jedno-, 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 deformacije do 50% okomitog deformacije. (E) Normalizirana promjena otpora trosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem deformacije do 90% paralelne deformacije. (F) Normalizirana promjena kapacitivnosti jedno-, dvo- i troslojnih G i dvo- i troslojnih MGG-ova kao funkcija naprezanja. Umetak je struktura kondenzatora, gdje je polimerni supstrat SEBS, a polimerni dielektrični sloj SEBS debljine 2 μm.
Kako bismo procijenili performanse MGG-a ovisne o naprezanju, prenijeli smo grafen na podloge od termoplastičnog elastomera stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) (~2 cm široke i ~5 cm duge), a vodljivost je mjerena dok je podloga rastegnuta (vidi Materijali i metode) i okomito i paralelno sa smjerom toka struje (sl. 2, B i C). Električno ponašanje ovisno o naprezanju poboljšano je ugradnjom nanosvitaka i sve većim brojem slojeva grafena. Na primjer, kada je naprezanje okomito na protok struje, za jednoslojni grafen, dodavanje svitaka povećalo je naprezanje pri električnom lomu s 5 na 70%. Tolerancija na deformaciju troslojnog grafena također je značajno poboljšana u usporedbi s jednoslojnim grafenom. S nanosvicima, pri 100% okomitom naprezanju, otpornost troslojne MGG strukture povećala se samo za 50%, u usporedbi s 300% za troslojni grafen bez svitaka. Ispitivana je promjena otpora pod cikličkim deformacijskim opterećenjem. Za usporedbu (Sl. 2D), otpornost običnog dvoslojnog grafenskog filma povećala se oko 7,5 puta nakon ~700 ciklusa pri 50% okomitom naprezanju i nastavila je rasti s naprezanjem u svakom ciklusu. S druge strane, otpornost dvoslojnog MGG-a povećala se samo oko 2,5 puta nakon ~700 ciklusa. Primjenom do 90% naprezanja duž paralelnog smjera, otpor troslojnog grafena povećao se ~100 puta nakon 1000 ciklusa, dok je samo ~8 puta u troslojnom MGG (Sl. 2E). Rezultati vožnje biciklom prikazani su na sl. S7. Relativno brži porast otpora duž paralelnog smjera deformacije je zato što je orijentacija pukotina okomita na smjer toka struje. Odstupanje otpora tijekom naprezanja opterećenja i rasterećenja nastaje zbog viskoelastičnog oporavka SEBS elastomernog supstrata. Stabilniji otpor MGG traka tijekom ciklusa je zbog prisutnosti velikih svitaka koji mogu premostiti napuknute dijelove grafena (kao što je primijećeno AFM-om), pomažući u održavanju putanje perkolacije. O ovom fenomenu održavanja vodljivosti perkolacijskim putem već je izvješteno za napuknute metalne ili poluvodičke filmove 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 dopunske materijale za detalji). Uočili smo da su se kapaciteti s običnim jednoslojnim i dvoslojnim grafenskim elektrodama brzo smanjili zbog gubitka vodljivosti grafena u ravnini. Nasuprot tome, kapaciteti povezani MGG-ovima kao i obični troslojni grafen pokazali su povećanje kapacitivnosti s deformacijom, što je i očekivano zbog smanjenja debljine dielektrika s deformacijom. Očekivani porast kapacitivnosti vrlo se dobro slagao s MGG strukturom (sl. S8). Ovo ukazuje da je MGG prikladan kao gejt elektroda za rastezljive tranzistore.
Kako bismo dodatno istražili ulogu 1D grafenskog svitka na toleranciju naprezanja električne vodljivosti i bolju kontrolu razdvajanja između slojeva grafena, upotrijebili smo CNT presvučene raspršivanjem da zamijenimo grafenske svitke (vidi Dopunske materijale). Kako bismo oponašali MGG strukture, deponirali smo tri gustoće CNT-a (to jest, CNT1
(A do C) AFM slike tri različite gustoće CNT (CNT1
Kako bismo dodatno razumjeli njihovu sposobnost kao elektroda za rastezljivu elektroniku, sustavno smo istraživali morfologiju MGG i G-CNT-G pod opterećenjem. Optička mikroskopija i skenirajuća elektronska mikroskopija (SEM) nisu učinkovite metode karakterizacije jer objema nedostaje kontrast boja i SEM je podložan artefaktima slike tijekom elektronskog skeniranja kada je grafen na polimernim supstratima (slike S9 i S10). Kako bismo promatrali in situ površinu grafena pod naprezanjem, prikupili smo AFM mjerenja na troslojnim MGG i običnom grafenu nakon prijenosa na vrlo tanke (~0,1 mm debljine) i elastične SEBS podloge. Zbog intrinzičnih defekata u CVD grafenu i ekstrinzičnih oštećenja tijekom procesa prijenosa, pukotine se neizbježno generiraju na rastegnutom grafenu, a s povećanjem deformacije, pukotine su postale gušće (Sl. 4, A do D). Ovisno o strukturi slaganja elektroda na bazi ugljika, pukotine pokazuju različite morfologije (sl. S11) (27). Gustoća površine pukotine (definirana kao površina pukotine/analizirano područje) višeslojnog grafena manja je od one jednoslojnog grafena nakon deformacije, što je u skladu s povećanjem električne vodljivosti za MGG. S druge strane, često se opaža da svici premošćuju pukotine, osiguravajući dodatne vodljive puteve u napetom filmu. Na primjer, kao što je označeno na slici na slici 4B, široki svitak je prešao preko pukotine u troslojnom MGG, ali nije primijećen svitak u običnom grafenu (Slika 4, E do H). Slično tome, CNT su također premostili pukotine u grafenu (sl. S11). Gustoća područja pukotina, gustoća područja pomicanja i hrapavost filmova sažeti su na slici 4K.
(A do H) In situ AFM slike troslojnih G/G svitaka (A do D) i troslojnih G struktura (E do H) na vrlo tankom SEBS (~0,1 mm debljine) elastomeru na 0, 20, 60 i 100 % soja. Reprezentativne pukotine i svici označeni su strelicama. Sve AFM slike su u području od 15 μm × 15 μm, koristeći istu traku skale boja kao što je označeno. (I) Simulacija geometrije monoslojnih grafenskih elektroda s uzorkom na SEBS podlozi. (J) Simulacija konturne karte najveće glavne logaritamske deformacije u jednoslojnom grafenu i SEBS supstratu pri 20% vanjske deformacije. (K) Usporedba gustoće područja pukotina (crveni stupac), gustoće područja pomicanja (žuti stupac) i hrapavosti površine (plavi stupac) za različite strukture grafena.
Kada su MGG filmovi rastegnuti, postoji važan dodatni mehanizam pomoću kojeg svici mogu premostiti napuknute regije grafena, održavajući perkolirajuću mrežu. Svici od grafena su obećavajući jer mogu biti dugački desetke mikrometara i stoga mogu premostiti pukotine koje su obično mikrometarske veličine. Nadalje, budući da se svici sastoje od višeslojnih slojeva grafena, očekuje se da imaju nisku otpornost. Za usporedbu, relativno guste (niže propusnosti) CNT mreže su potrebne za pružanje usporedive vodljive sposobnosti premošćivanja, budući da su CNT manji (obično nekoliko mikrometara u duljinu) i manje vodljivi od svitaka. S druge strane, kao što je prikazano na sl. S12, dok grafen puca tijekom rastezanja da bi se prilagodio naprezanju, svici ne pucaju, što ukazuje na to da potonji možda klize po grafenu ispod. Razlog zašto ne pucaju vjerojatno je zbog smotane strukture, sastavljene od mnogo slojeva grafena (~1 do 20 µm duljine, ~0,1 do 1 µm širine i ~10 do 100 nm visine), koja ima viši efektivni modul od jednoslojnog grafena. Kao što su izvijestili Green i Hersam (42), metalne CNT mreže (promjer cijevi od 1,0 nm) mogu postići male otpore ploča <100 ohma/sq unatoč velikom otporu spoja između CNT-a. Uzimajući u obzir da naši svici od grafena imaju širinu od 0,1 do 1 μm i da G/G svici imaju puno veća kontaktna područja od CNT-a, kontaktni otpor i kontaktna površina između grafena i grafenskih svitaka ne bi trebali biti ograničavajući čimbenici za održavanje visoke vodljivosti.
Grafen ima mnogo veći modul od SEBS supstrata. Iako je efektivna debljina grafenske elektrode mnogo niža od debljine supstrata, krutost grafena pomnožena s njegovom debljinom usporediva je s debljinom supstrata (43, 44), što rezultira umjerenim efektom krutog otoka. Simulirali smo deformaciju grafena debljine 1 nm na SEBS podlozi (pogledajte dodatne materijale za detalje). Prema rezultatima simulacije, kada se 20% deformacije primijeni na SEBS podlogu izvana, prosječna deformacija u grafenu je ~6,6% (Slika 4J i slika S13D), što je u skladu s eksperimentalnim opažanjima (vidi sliku S13) . Usporedili smo naprezanje u grafenu s uzorkom i područjima supstrata pomoću optičke mikroskopije i otkrili da je naprezanje u području supstrata najmanje dvostruko veće od naprezanja u području grafena. To ukazuje da bi deformacija primijenjena na uzorke grafenskih elektroda mogla biti značajno ograničena, stvarajući grafenske krute otoke na vrhu SEBS-a (26, 43, 44).
Stoga je sposobnost MGG elektroda da zadrže visoku vodljivost pod velikim naprezanjem vjerojatno omogućena pomoću dva glavna mehanizma: (i) svici mogu premostiti nepovezana područja kako bi se održao vodljivi put perkolacije, i (ii) višeslojni listovi grafena/elastomer mogu kliziti jedna preko druge, što rezultira smanjenim opterećenjem grafenskih elektroda. Za višestruke slojeve prenesenog grafena na elastomeru, slojevi nisu čvrsto povezani jedan s drugim, što može kliziti kao odgovor na naprezanje (27). Svici su također povećali hrapavost slojeva grafena, što može pomoći u povećanju razmaka između slojeva grafena i stoga omogućiti klizanje slojeva grafena.
Uređaji s potpuno ugljikom s entuzijazmom se traže zbog niske cijene i velike propusnosti. U našem slučaju, potpuno ugljični tranzistori proizvedeni su upotrebom donjih grafenskih vrata, gornjeg grafenskog izvora/odvodnog kontakta, razvrstanog CNT poluvodiča i SEBS-a kao dielektrika (Sl. 5A). Kao što je prikazano na slici 5B, potpuno ugljični uređaj s CNT-om kao izvorom/odvodom i vratima (donji uređaj) neprozirniji je od uređaja s grafenskim elektrodama (gornji uređaj). To je zato što CNT mreže zahtijevaju veće debljine i, posljedično, nižu optičku propusnost kako bi se postigla otpornost sloja slična onoj kod grafena (sl. S4). Slika 5 (C i D) prikazuje reprezentativne krivulje prijenosa i izlaza prije naprezanja za tranzistor napravljen s dvoslojnim MGG elektrodama. Širina kanala i duljina nenapregnutog tranzistora bile su 800 odnosno 100 μm. Izmjereni omjer uključivanje/isključivanje veći je od 103 sa strujama uključivanja i isključivanja na razinama od 10−5 odnosno 10−8 A. Izlazna krivulja pokazuje idealne linearne režime i režime zasićenja 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 od onog s evaporiranim Au filmom (vidi sliku S14). Pokretljivost zasićenja rastezljivog tranzistora je oko 5,6 cm2/Vs, slično kao kod istih polimerno sortiranih CNT tranzistora na krutim Si supstratima s 300-nm SiO2 kao dielektričnim slojem. Daljnje poboljšanje mobilnosti moguće je s optimiziranom gustoćom cijevi i drugim vrstama cijevi (46).
(A) Shema rastezljivog tranzistora na bazi grafena. SWNT, jednoslojne ugljikove nanocijevi. (B) Fotografija rastezljivih tranzistora napravljenih od grafenskih elektroda (gore) i CNT elektroda (dolje). Jasno je uočljiva razlika u prozirnosti. (C i D) Krivulje prijenosa i izlaza tranzistora na bazi grafena na SEBS-u prije naprezanja. (E i F) Prijenosne krivulje, uključena i isključena struja, uključeno/isključeno omjer i pokretljivost tranzistora na bazi grafena pri različitim naprezanjima.
Kada je prozirni, potpuno ugljični uređaj rastegnut u smjeru paralelnom sa smjerom prijenosa naboja, primijećena 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 na 120% naprezanja (Sl. 5F). Također smo usporedili performanse tranzistora za različite duljine kanala (vidi tablicu S1). Značajno, pri naprezanju od čak 105%, svi ti tranzistori i dalje pokazuju visok omjer uključivanja/isključivanja (>103) i mobilnost (>3 cm2/Vs). Osim toga, saželi smo sav nedavni rad na potpuno ugljičnim tranzistorima (vidi tablicu S2) (47-52). Optimiziranjem izrade uređaja na elastomerima i korištenjem MGG-a kao kontakata, naši potpuno ugljični tranzistori pokazuju dobre performanse u smislu mobilnosti i histereze, kao i visoke rastezljivosti.
Kao primjenu potpuno prozirnog i rastezljivog tranzistora, koristili smo ga za kontrolu uključivanja LED dioda (Sl. 6A). Kao što je prikazano na slici 6B, zelena LED dioda može se jasno vidjeti kroz rastezljivi karbonski uređaj postavljen neposredno iznad. Dok se rasteže na ~100% (Sl. 6, C i D), intenzitet LED svjetla se ne mijenja, što je u skladu s prethodno opisanom izvedbom tranzistora (pogledajte film S1). Ovo je prvo izvješće o rastezljivim kontrolnim jedinicama napravljenim korištenjem grafenskih elektroda, pokazujući novu mogućnost rastezljive elektronike s grafenom.
(A) Krug tranzistora za pogon LED dioda. GND, uzemljenje. (B) Fotografija rastezljivog i prozirnog potpuno ugljičnog tranzistora na 0% naprezanja postavljenog iznad zelene LED diode. (C) Potpuno ugljični prozirni i rastezljivi tranzistor koji se koristi za prebacivanje LED-a montiran je iznad LED-a na 0% (lijevo) i ~100% naprezanja (desno). Bijele strelice pokazuju kao žute markere na uređaju kako bi pokazale promjenu udaljenosti koja se rasteže. (D) Bočni pogled na rastegnuti tranzistor, s LED diodom gurnutom u elastomer.
Zaključno, razvili smo prozirnu vodljivu grafensku strukturu koja održava visoku vodljivost pod velikim naprezanjima kao rastezljive elektrode, što je omogućeno grafenskim nanosvicima između naslaganih slojeva grafena. Ove dvoslojne i troslojne strukture MGG elektroda na elastomeru mogu zadržati 21 odnosno 65%, od svojih 0% vodljivosti naprezanja pri naprezanju od čak 100%, u usporedbi s potpunim gubitkom vodljivosti na naprezanju od 5% za tipične jednoslojne grafenske elektrode . Dodatni vodljivi putovi grafenskih svitaka kao i slaba interakcija između prenesenih slojeva doprinose superiornoj stabilnosti vodljivosti pod naprezanjem. Nadalje smo primijenili ovu strukturu grafena za izradu rastezljivih tranzistora od potpuno ugljika. Do sada je ovo najrastezljiviji tranzistor na bazi grafena s najboljom prozirnošću bez korištenja izvijanja. Iako je ova studija provedena kako bi omogućila grafen za rastezljivu elektroniku, vjerujemo da se ovaj pristup može proširiti na druge 2D materijale kako bi se omogućila rastezljiva 2D elektronika.
CVD grafen velike površine uzgajan je na suspendiranim Cu folijama (99,999%; Alfa Aesar) pod konstantnim tlakom od 0,5 mtorr s 50–SCCM (standardni kubični centimetar po minuti) CH4 i 20–SCCM H2 kao prekursorima na 1000°C. Obje strane Cu folije prekrivene su jednoslojnim grafenom. Tanki sloj PMMA (2000 okretaja u minuti; A4, Microchem) je centrifugirano presvučen na jednu stranu Cu folije, formirajući PMMA/G/Cu foliju/G strukturu. zatim je cijeli film natopljen u 0,1 M otopini amonijevog persulfata [(NH4)2S2O8] oko 2 sata kako bi se urezala Cu folija. Tijekom ovog procesa, nezaštićeni stražnji grafen prvo se pocijepao duž granica zrna, a zatim se smotao u svitke zbog površinske napetosti. Svici su pričvršćeni na gornji grafenski film podržan od PMMA, tvoreći PMMA/G/G svitke. Filmovi su nakon toga isprani u deioniziranoj vodi nekoliko puta i položeni na ciljnu podlogu, poput krute SiO2/Si ili plastične podloge. Čim se pričvršćeni film osušio na supstratu, uzorak je uzastopno namočen u aceton, 1:1 aceton/IPA (izopropilni alkohol) i IPA 30 s svaki kako bi se uklonio PMMA. Filmovi su zagrijavani na 100°C 15 minuta ili držani u vakuumu preko noći kako bi se u potpunosti uklonila zarobljena voda prije nego što je na njega prebačen još jedan sloj G/G svitka. Ovim korakom trebalo je izbjeći odvajanje grafenskog filma od supstrata i osigurati potpunu pokrivenost MGG-a tijekom otpuštanja PMMA nosećeg sloja.
Morfologija strukture MGG promatrana je pomoću optičkog mikroskopa (Leica) i skenirajućeg elektronskog mikroskopa (1 kV; FEI). Mikroskop atomske sile (Nanoscope III, digitalni instrument) je djelovao u modu tapkanja kako bi se promatrale pojedinosti G svitaka. Prozirnost filma ispitana je ultraljubičasto-vidljivim spektrometrom (Agilent Cary 6000i). Za testove kada je deformacija bila duž okomitog smjera toka struje, fotolitografija i O2 plazma korišteni su za oblikovanje grafenskih struktura u trake (~300 μm široke i ~2000 μm duge), a Au (50 nm) elektrode su termički taložene pomoću maske sjene na oba kraja duge strane. Trake grafena su zatim dovedene u kontakt sa SEBS elastomerom (~2 cm širine i ~5 cm dužine), s dužom osi traka paralelnom s kratkom stranom SEBS-a, nakon čega slijedi BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O). 1:6) jetkanje i eutektički galij-indij (EGaIn) kao električni kontakti. Za testove paralelnog naprezanja, grafenske strukture bez uzorka (~5 × 10 mm) prenesene su na SEBS podloge, s dugim osima paralelnim s dužom stranom SEBS podloge. U oba slučaja, cijeli G (bez G svitaka)/SEBS rastegnut je duž duge strane elastomera u ručnom aparatu, a na licu mjesta smo izmjerili njihove promjene otpora pod naprezanjem na sondi s poluvodičkim analizatorom (Keithley 4200 -SCS).
Visoko rastezljivi i prozirni potpuno ugljični tranzistori na elastičnoj podlozi proizvedeni su sljedećim postupcima kako bi se izbjeglo oštećenje polimernog dielektrika i podloge organskim otapalom. MGG strukture su prebačene na SEBS kao gejt elektrode. Da bi se dobio ujednačeni tankoslojni polimerni dielektrični sloj (debljine 2 μm), otopina SEBS toluena (80 mg/ml) je centrifugirano presvučena na SiO2/Si supstrat modificiran oktadeciltriklorosilanom (OTS) 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 može napraviti taloženjem gornje elektrode od tekućeg metala (EGaIn; Sigma-Aldrich) za određivanje kapaciteta kao funkcije naprezanja pomoću LCR (induktiviteta, kapaciteta, otpora) mjerača (Agilent). Drugi dio tranzistora sastojao se od polimerno sortiranih poluvodičkih CNT-a, slijedeći prethodno opisane postupke (53). Elektrode izvora/odvoda s uzorkom proizvedene su na krutim SiO2/Si podlogama. Nakon toga, dva dijela, dielektrik/G/SEBS i CNTs/G/SiO2/Si s uzorkom, laminirani su jedan na drugi i natopljeni u BOE kako bi se uklonio kruti SiO2/Si supstrat. Tako su proizvedeni potpuno prozirni i rastezljivi tranzistori. Električno ispitivanje pod naprezanjem provedeno je na uređaju za ručno istezanje kao gore navedena metoda.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
smokva S1. Slike optičke mikroskopije jednoslojnog MGG na SiO2/Si supstratima pri različitim povećanjima.
smokva S4. Usporedba otpora slojeva s dvije sonde i propusnosti @550 nm jednoslojnog, dvoslojnog i troslojnog običnog grafena (crni kvadratići), MGG (crveni krugovi) i CNT (plavi trokut).
smokva S7. Normalizirana promjena otpora jednoslojnih i dvoslojnih MGG (crno) i G (crveno) pod ~1000 cikličkim deformacijama do 40 odnosno 90% paralelnih deformacija.
smokva S10. SEM slika troslojnog MGG-a na SEBS elastomeru nakon naprezanja, koja prikazuje dugi klizeći križ preko nekoliko pukotina.
smokva S12. AFM slika troslojnog MGG na vrlo tankom SEBS elastomeru pri deformaciji od 20%, koja pokazuje da je svitak prešao preko pukotine.
tablica S1. Pokretljivosti dvoslojnih tranzistora MGG–jednoslojne ugljikove nanocijevi na različitim duljinama kanala prije i nakon deformacije.
Ovo je članak s otvorenim pristupom koji se distribuira prema uvjetima Creative Commons Attribution-NonCommercial licence, koja dopušta korištenje, distribuciju i reprodukciju u bilo kojem mediju, sve dok rezultirajuća uporaba nije za komercijalnu korist 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 željeli da je vidi i da to nije bezvrijedna pošta. Ne bilježimo nijednu adresu e-pošte.
Ovo pitanje služi za provjeru jeste li ili niste ljudski posjetitelj i za sprječavanje automatskog slanja neželjene pošte.
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021. 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