Dvodimenzionalni materijali, kao što je grafen, privlačni su i za konvencionalne primjene poluvodiča i za nove aplikacije u fleksibilnoj elektronici.Međutim, visoka vlačna čvrstoća grafena rezultira lomljenjem pri niskom naprezanju, što ga čini izazovom 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 svitci (MGG).Pod naprezanjem, neki su svici premostili fragmentirane domene grafena kako bi održali perkolirajuću mrežu koja je omogućila izvrsnu vodljivost pri visokim naprezanjima.Troslojni MGG-ovi poduprti na elastomerima zadržali su 65% svoje izvorne vodljivosti pri 100% deformaciji, što je okomito na smjer strujanja struje, dok su troslojni filmovi od grafena bez nanosrota zadržali samo 25% svoje početne vodljivosti.Rastezljivi potpuno ugljični tranzistor proizveden korištenjem MGG-ova kao elektroda pokazao je propusnost >90% i zadržao 60% svoje izvorne izlazne struje pri 120% deformacije (paralelno sa smjerom prijenosa naboja).Ovi vrlo rastezljivi i prozirni tranzistori od potpunog ugljika mogli bi omogućiti sofisticiranu rastezljivu optoelektroniku.
Rastezljiva prozirna elektronika rastuće je područje koje ima važnu primjenu 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 zbog njegove sklonosti pucanju pri malim naprezanjima.Prevladavanje mehaničkih ograničenja grafena moglo bi omogućiti novu funkcionalnost 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 oksid [ITO;100 ohma/kvadrat (sq) pri 90% prozirnosti], jednoslojni grafen uzgojen kemijskim taloženjem pare (CVD) ima sličnu kombinaciju otpornosti ploče (125 ohma/sq) i prozirnosti (97,4%) (5).Osim toga, grafenski filmovi imaju izuzetnu fleksibilnost u usporedbi s ITO (7).Na primjer, na plastičnoj podlozi, njegova se vodljivost može zadržati čak i za radijus savijanja zakrivljenosti od samo 0,8 mm (8).Kako bi dodatno poboljšali svoje električne performanse kao prozirnog fleksibilnog vodiča, prethodni radovi razvili su hibridne materijale grafena s jednodimenzionalnim (1D) srebrnim nanožicama ili ugljičnim nanocijevima (CNT) (9-11).Štoviše, grafen se koristio kao elektrode za heterostrukturne poluvodiče mješovitih dimenzija (kao što su 2D masiv 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 je primjena u rastezljivoj elektronici ograničena 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 pruža nikakve mehanizme disipacije energije za primijenjeno naprezanje i stoga lako puca pri naprezanju manjem od 5%.Na primjer, CVD grafen prebačen na elastičnu podlogu od polidimetilsiloksana (PDMS) može održati svoju vodljivost samo na naprezanju manjem od 6% (8).Teorijski proračuni pokazuju da bi gužvanje i međudjelovanje između različitih slojeva trebalo snažno smanjiti krutost (26).Slaganjem grafena u više slojeva, izvještava se da je ovaj dvoslojni ili troslojni grafen rastezljiv do 30% deformacije, pokazujući promjenu otpora 13 puta manju od one kod jednoslojnog grafena (27).Međutim, ta je rastezljivost još uvijek značajno inferiornija od najsuvremenijih rastezljivih c-provodnika (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 izvornim/odvodnim elektrodama 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 pristup grafenskom kirigamiju, 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 grafenski svici mogli osigurati vodljive putove za premošćavanje pukotina u grafenskim listovima, održavajući tako visoku vodljivost pod naprezanjem.Svici grafena ne zahtijevaju dodatnu sintezu ili proces;prirodno nastaju tijekom postupka mokrog prijenosa.Korištenjem višeslojnih G/G (grafenskih/grafenskih) svitaka (MGG), grafenskih rastezljivih elektroda (izvor/odvod i kapija) i poluvodičkih CNT-a, uspjeli smo demonstrirati vrlo transparentne i vrlo rastezljive tranzistore s punim ugljikom, koji se mogu rastegnuti do 120 % naprezanja (paralelno sa smjerom transporta naboja) i zadržavaju 60 % svoje izvorne izlazne struje.Ovo je dosad najrastegljiviji prozirni tranzistor baziran na ugljiku i osigurava dovoljnu struju za pokretanje anorganske LED diode.
Kako bismo omogućili prozirne rastezljive grafenske elektrode velike površine, odabrali smo grafen uzgojen CVD-om na Cu foliji.Cu folija je suspendirana u središtu CVD kvarcne cijevi kako bi se omogućio rast grafena s obje strane, tvoreći G/Cu/G strukture.Za prijenos grafena, prvo smo centrifugirali tanki sloj poli(metil metakrilata) (PMMA) kako bismo zaštitili jednu stranu grafena, koji smo nazvali gornja strana grafena (obrnuto za drugu stranu grafena), a zatim i cijeli film (PMMA/gornji grafen/Cu/donji grafen) natopljen je otopinom (NH4)2S2O8 kako bi se uklonila Cu folija.Grafen s donje strane bez PMMA premaza neizbježno će imati pukotine i defekte koji omogućuju prodiranje nagrizajuća sredstva (36, 37).Kao što je ilustrirano na slici 1A, pod utjecajem površinske napetosti, oslobođene domene grafena su se smotale u svitke i potom pričvrstile na preostali gornji G/PMMA film.Top-G/G svici mogu se prenijeti na bilo koju podlogu, kao što je SiO2/Si, staklo ili meki polimer.Ponavljanje ovog procesa prijenosa nekoliko puta na istu podlogu daje MGG strukture.
(A) Shematski prikaz postupka izrade MGG-a kao rastezljive elektrode.Tijekom prijenosa grafena, stražnji grafen na Cu foliji bio je slomljen na granicama i defektima, smotao se u proizvoljne oblike i čvrsto pričvršćen na gornje filmove, tvoreći nanosvitke.Četvrti crtani film prikazuje složenu MGG strukturu.(B i C) TEM karakteristike visoke razlučivosti jednoslojnog MGG-a, s naglaskom na jednoslojnom grafenu (B) i području pomicanja (C), respektivno.Umetak (B) je slika s malim povećanjem koja prikazuje cjelokupnu morfologiju jednoslojnih MGG na TEM mreži.Umetci (C) su profili intenziteta snimljeni duž pravokutnih okvira naznačenih na slici, gdje su udaljenosti između atomskih ravnina 0,34 i 0,41 nm.(D ) Ugljični K-rub EEL spektar s označenim karakterističnim grafitnim π* i σ* vrhovima.(E) Presjek AFM slika jednoslojnih G/G svitaka s profilom visine duž žute isprekidane linije.(F do I) Optička mikroskopija i AFM slike trosloja G bez (F i H) i sa svitcima (G i I) na SiO2/Si podlogama debljine 300 nm.Reprezentativni svitci i bore su označeni kako bi se istaknule njihove razlike.
Kako bismo potvrdili da su svici po prirodi valjani grafen, proveli smo studije transmisione elektronske mikroskopije visoke razlučivosti (TEM) i spektroskopije gubitka energije elektrona (EEL) na jednoslojnim strukturama vrha-G/G svitka.Slika 1B prikazuje heksagonalnu strukturu jednoslojnog grafena, a umetak je cjelokupna morfologija filma prekrivenog jednom ugljičnom rupom na TEM mreži.Jednoslojni grafen pokriva većinu mreže, a pojavljuju se i neke grafenske pahuljice u prisutnosti više hrpa šesterokutnih prstenova (slika 1B).Zumiranjem pojedinačnog svitka (slika 1C), uočili smo veliku količinu rubova grafenske rešetke, s razmakom rešetke u rasponu od 0,34 do 0,41 nm.Ova mjerenja sugeriraju da su pahuljice nasumično smotane i nisu savršeni grafit, koji ima razmak rešetke od 0,34 nm u slaganju slojeva “ABAB”.Slika 1D prikazuje ugljični K-rub EEL spektar, gdje vrh na 285 eV potječe od π* orbitale, a drugi oko 290 eV nastaje 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) pružaju uvid u distribuciju grafenskih nanosvitaka u MGG (sl. 1, E do G i slike S1 i S2).Svici su nasumično raspoređeni po površini, a njihova gustoća u ravnini raste proporcionalno broju naslaganih slojeva.Mnogi svici su zapleteni u čvorove i pokazuju neujednačene visine u rasponu od 10 do 100 nm.Duge su od 1 do 20 μm i široke od 0,1 do 1 μm, ovisno o veličini njihovih početnih grafenskih pahuljica.Kao što je prikazano na slici 1 (H i I), svici imaju znatno veće veličine od bora, što dovodi do mnogo grubljeg sučelja između slojeva grafena.
Za mjerenje električnih svojstava, fotolitografijom smo oblikovali grafenske filmove sa ili bez spiralnih struktura i slaganje slojeva u trake širine 300 μm i 2000 μm duge.Otpori dvije sonde kao funkcija deformacije mjereni su u uvjetima okoline.Prisutnost svitaka smanjila je otpornost jednoslojnog grafena za 80% uz samo 2,2% smanjenje propusnosti (slika S4).To potvrđuje da nanosvitci, koji imaju veliku gustoću struje do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), daju vrlo pozitivan električni doprinos MGG-ovima.Među svim mono-, dvo- i troslojnim običnim grafenom i MGG-ovima, troslojni MGG ima najbolju vodljivost s prozirnošću od gotovo 90%.Za usporedbu s drugim izvorima grafena o kojima se govori u literaturi, također smo izmjerili otpore ploča s četiri sonde (slika S5) i naveli ih kao funkciju propuštanja na 550 nm (slika S6) na slici 2A.MGG pokazuje usporedivu ili veću vodljivost i transparentnost od umjetno složenog višeslojnog običnog grafena i reduciranog grafenskog oksida (RGO) (6, 8, 18).Imajte na umu da su otpori listova umjetno složenog višeslojnog običnog grafena iz literature nešto veći od otpora našeg MGG-a, vjerojatno zbog neoptimiziranih uvjeta rasta i metode prijenosa.
(A) Otpori ploča s četiri sonde u odnosu na transmitanciju na 550 nm za nekoliko tipova grafena, gdje crni kvadrati označavaju jedno-, dvo- i troslojne MGG;crveni krugovi i plavi trokuti odgovaraju višeslojnom običnom grafenu uzgojenom na Cu i Ni iz studija Li i sur.(6) i Kim i sur.(8), odnosno, i naknadno prenesene na SiO2/Si ili kvarc;i zeleni trokuti su vrijednosti za RGO na različitim stupnjevima redukcije iz studije Bonaccorso et al.( 18).(B i C) Normalizirana promjena otpora jednoslojnih, dvoslojnih i troslojnih MGG i G kao funkcija okomite (B) i paralelne (C) deformacije na smjer strujnog toka.(D) Normalizirana promjena otpora dvosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem do 50% okomitog naprezanja.(E) Normalizirana promjena otpora trosloja G (crveno) i MGG (crno) pod cikličkim opterećenjem do 90% paralelnog naprezanja.(F) Normalizirana promjena kapacitivnosti jedno-, dvo- i troslojnih G i dvo- i troslojnih MGG-ova kao funkcija deformacije.Umetak je kondenzatorska struktura, gdje je polimerni supstrat SEBS, a polimerni dielektrični sloj je SEBS debljine 2 μm.
Da bismo procijenili performanse MGG-a ovisne o naprezanju, prenijeli smo grafen na termoplastične elastomerne podloge stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) (~2 cm široke i ~5 cm dugačke), a vodljivost je izmjerena dok se supstrat rastezao (vidi Materijali i metode) okomito i paralelno sa smjerom strujanja (sl. 2, B i C).Električno ponašanje ovisno o naprezanju poboljšano je ugradnjom nanosvitaka i povećanjem broja slojeva grafena.Na primjer, kada je deformacija okomita na strujni tok, za jednoslojni grafen, dodavanje svitaka povećalo je deformaciju kod električnog loma od 5 do 70%.Tolerancija deformacije troslojnog grafena također je značajno poboljšana u usporedbi s jednoslojnim grafenom.S nanosvojcima, pri 100% okomitom naprezanju, otpor troslojne MGG strukture povećao se samo za 50%, u usporedbi s 300% za troslojni grafen bez svitaka.Istražena je promjena otpora pri cikličkom opterećenju deformacijom.Za usporedbu (slika 2D), otpori običnog dvoslojnog grafenskog filma povećali su se oko 7,5 puta nakon ~700 ciklusa pri 50% okomitom naprezanju i stalno se povećavali s naprezanjem u svakom ciklusu.S druge strane, otpor dvoslojnog MGG-a povećao se samo oko 2,5 puta nakon ~700 ciklusa.Primjenjujući do 90% naprezanja u paralelnom smjeru, otpor troslojnog grafena se povećao ~100 puta nakon 1000 ciklusa, dok je samo ~8 puta u troslojnom MGG (slika 2E).Rezultati vožnje biciklom prikazani su na sl.S7.Relativno brži porast otpora duž paralelnog smjera deformacije je zato što je orijentacija pukotina okomita na smjer strujanja.Odstupanje otpora tijekom opterećenja i rasterećenja nastaje zbog viskoelastičnog oporavka SEBS elastomerne podloge.Stabilniji otpor MGG traka tijekom ciklusa posljedica je prisutnosti velikih svitaka koji mogu premostiti napuknute dijelove grafena (kao što je primijetio AFM), pomažući u održavanju puta perkolacije.Ovaj fenomen održavanja vodljivosti perkolacijskim putem već je zabilježen za napuknute metalne ili poluvodičke filmove na elastomernim podlogama (40, 41).
Za procjenu ovih filmova na bazi grafena kao elektroda vrata u rastezljivim uređajima, prekrili smo sloj grafena sa SEBS dielektričnim slojem (debljine 2 μm) i pratili promjenu dielektrične kapacitivnosti kao funkciju naprezanja (vidi sliku 2F i dodatne materijale za detalji).Uočili smo da se kapaciteti s običnim jednoslojnim i dvoslojnim grafenskim elektrodama brzo smanjuju zbog gubitka vodljivosti grafena u ravnini.Nasuprot tome, kapacitivnosti koje su gazirali MGG kao i obični troslojni grafen pokazali su povećanje kapacitivnosti s deformacijom, što je očekivano zbog smanjenja debljine dielektrika s naprezanjem.Očekivani porast kapacitivnosti vrlo je dobro odgovarao strukturi MGG (sl. S8).To ukazuje da je MGG prikladan kao elektroda za zatvaranje za rastezljive tranzistore.
Da bismo dalje istražili ulogu 1D grafenskog svitka na toleranciju naprezanja električne vodljivosti i bolju kontrolu odvajanja između slojeva grafena, koristili smo CNT-ove obložene raspršivanjem za zamjenu grafenskih svitaka (vidi Dodatni materijali).Kako bismo oponašali MGG strukture, deponirali smo tri gustoće CNT-a (tj. CNT1
(A do C) AFM slike tri različite gustoće CNT-a (CNT1
Kako bismo dalje razumjeli njihovu sposobnost kao elektrode za rastezljivu elektroniku, sustavno smo istraživali morfologije MGG i G-CNT-G pod naprezanjem.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-ovima i običnom grafenu nakon prijenosa na vrlo tanke (~0,1 mm debljine) i elastične SEBS podloge.Zbog intrinzičnih defekata u CVD grafenu i vanjskih oštećenja tijekom procesa prijenosa, na napregnutom grafenu neizbježno nastaju pukotine, a s povećanjem naprezanja, pukotine postaju sve gušće (slika 4, A do D).Ovisno o strukturi slaganja elektroda na bazi ugljika, pukotine pokazuju različite morfologije (sl. S11) (27).Gustoća područja pukotine (definirana kao područje pukotine/analizirano područje) višeslojnog grafena manja je od one kod jednoslojnog grafena nakon naprezanja, što je u skladu s povećanjem električne vodljivosti za MGG.S druge strane, svici se često primjećuju da premoste pukotine, osiguravajući dodatne vodljive putove u napetom filmu.Na primjer, kao što je označeno na slici na slici 4B, široki svitak prešao je preko pukotine u troslojnom MGG-u, ali u običnom grafenu nije primijećen svitak (slika 4, od E do H).Slično, CNT-ovi su također premostili pukotine u grafenu (slika 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 % naprezanje.Reprezentativne pukotine i svici zašiljeni su strelicama.Sve AFM slike su u području od 15 μm × 15 μm, koristeći istu traku ljestvice boja kao što je označeno.(I) Simulacija geometrije uzorkovanih jednoslojnih grafenskih elektroda na SEBS supstratu.(J) Simulacijska konturna karta najvećeg glavnog logaritamskog naprezanja u jednoslojnom grafenu i SEBS supstratu pri 20% vanjskog naprezanja.(K) Usporedba gustoće područja pukotina (crveni stupac), gustoće područja pomicanja (žuti stupac) i hrapavosti površine (plavi stupac) za različite strukture grafena.
Kada se MGG filmovi rastegnu, postoji važan dodatni mehanizam da svici mogu premostiti napuknuta područja grafena, održavajući procjednu mrežu.Grafenski svici obećavaju jer mogu biti dugi nekoliko desetaka mikrometara i stoga su sposobni premostiti pukotine koje su tipično do mikrometarske skale.Nadalje, budući da se svici sastoje od više slojeva grafena, očekuje se da će imati nisku otpornost.Za usporedbu, relativno guste (niže propusnosti) CNT mreže potrebne su za pružanje usporedive vodljive sposobnosti premošćavanja, budući da su CNT manji (obično nekoliko mikrometara duljine) i manje vodljivi od svitaka.S druge strane, kao što je prikazano na sl.S12, dok grafen puca tijekom rastezanja kako bi se prilagodio naprezanju, svici ne pucaju, što ukazuje da bi potonji mogao kliziti po temeljnom grafenu.Razlog zašto ne pucaju vjerojatno je zbog smotane strukture, sastavljene od mnogih slojeva grafena (~1 do 20 μm dug, ~0,1 do 1 μm širok i ~10 do 100 nm visok), koji ima viši 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 ploča <100 ohma/sq unatoč velikom otporu spoja između CNT-a.Uzimajući u obzir da naši grafenski svitci imaju širine od 0,1 do 1 μm i da G/G svici imaju mnogo veće kontaktne površine od CNT-a, kontaktni otpor i kontaktna površina između grafenskih i grafenskih svitaka ne bi trebali biti ograničavajući čimbenici za održavanje visoke vodljivosti.
Grafen ima puno veći modul od SEBS supstrata.Iako je efektivna debljina grafenske elektrode mnogo niža od one supstrata, krutost grafena pomnožena s njegovom debljinom usporediva je s onom podloge (43, 44), što rezultira umjerenim efektom krutog otoka.Simulirali smo deformaciju grafena debljine 1 nm na SEBS supstratu (pogledajte dodatne materijale za detalje).Prema rezultatima simulacije, kada se 20% naprezanja nanese na SEBS supstrat izvana, prosječno naprezanje u grafenu je ~6,6% (slika 4J i slika S13D), što je u skladu s eksperimentalnim opažanjima (vidi sliku S13) .Usporedili smo naprezanje u regijama s uzorkom grafena i supstrata pomoću optičke mikroskopije i otkrili da je soj u području supstrata najmanje dvostruko veći od naprezanja u području grafena.To ukazuje da bi naprezanje primijenjeno na uzorcima grafenskih elektroda moglo biti značajno ograničeno, formirajući grafenske krute otoke na vrhu SEBS-a (26, 43, 44).
Stoga je sposobnost MGG elektroda da održe visoku vodljivost pod velikim naprezanjem vjerojatno omogućena dvama glavnim mehanizmom: (i) svici mogu premostiti nepovezane regije kako bi održali vodljivi put perkolacije i (ii) višeslojni listovi grafena/elastomer mogu kliziti jedan preko drugog, što rezultira smanjenim naprezanjem na grafenskim elektrodama.Za više slojeva prenesenog grafena na elastomeru, slojevi nisu jako povezani jedan s drugim, što može kliziti kao odgovor na naprezanje (27).Svici su također povećali hrapavost slojeva grafena, što može pomoći u povećanju razdvajanja između slojeva grafena i stoga omogućiti klizanje slojeva grafena.
Potpuno ugljični uređaji s entuzijazmom se traže zbog niske cijene i velike propusnosti.U našem slučaju, potpuno ugljični tranzistori su proizvedeni korištenjem donjih grafenskih vrata, gornjeg kontakta izvora/odvoda grafena, sortiranog CNT poluvodiča i SEBS-a kao dielektrika (slika 5A).Kao što je prikazano na slici 5B, potpuno ugljični uređaj s CNT-ovima kao izvorom/drenom 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 transmitancije kako bi se postigle otpornosti ploča slične onima u grafena (slika S4).Slika 5 (C i D) prikazuje reprezentativne krivulje prijenosa i izlaza prije naprezanja za tranzistor izrađen s dvoslojnim MGG elektrodama.Širina kanala i duljina nenapregnutog tranzistora bile su 800, odnosno 100 μm.Izmjereni omjer uključivanja/isključivanja veći je od 103 sa uključenim i isključenim strujama 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 manji nego kod isparenog Au filma (vidi sl. S14).Mobilnost zasićenja rastezljivog tranzistora je oko 5,6 cm2/Vs, slično kao kod istih polimerno sortiranih CNT tranzistora na krutim Si supstratima sa 300-nm SiO2 kao dielektričnim slojem.Daljnje poboljšanje mobilnosti moguće je s optimiziranom gustoćom cijevi i drugim vrstama cijevi (46).
(A) Shema rastezljivog tranzistora na bazi grafena.SWNT, jednoslojne ugljične nanocijevi.(B) Fotografija rastezljivih tranzistora izrađenih od grafenskih elektroda (gore) i CNT elektroda (dolje).Razlika u transparentnosti je jasno vidljiva.(C i D) Prijenosne i izlazne krivulje tranzistora na bazi grafena na SEBS-u prije naprezanja.(E i F) Prijenosne krivulje, struja uključivanja i isključivanja, omjer uključivanja/isključivanja i mobilnost tranzistora na bazi grafena pri različitim naponima.
Kada je prozirna, potpuno ugljična naprava rastegnuta u smjeru paralelnom smjeru prijenosa naboja, primijećena je minimalna degradacija do 120% deformacije.Tijekom istezanja, pokretljivost se kontinuirano smanjivala s 5,6 cm2/Vs pri 0% deformacije na 2,5 cm2/Vs pri 120% deformacije (slika 5F).Također smo usporedili performanse tranzistora za različite duljine kanala (vidi tablicu S1).Primjetno, pri naprezanju od čak 105%, svi su ti tranzistori još uvijek pokazivali visok omjer uključivanja/isključivanja (>103) i pokretljivost (>3 cm2/Vs).Osim toga, saželi smo sve nedavne radove na tranzistorima s potpuno ugljikom (vidi tablicu S2) (47–52).Optimiziranjem izrade uređaja na elastomerima i korištenjem MGG-a kao kontakata, naši tranzistori s potpuno ugljikom pokazuju dobre performanse u smislu mobilnosti i histereze, kao i vrlo rastezljivost.
Kao primjenu potpuno prozirnog i rastezljivog tranzistora, koristili smo ga za kontrolu prebacivanja LED dioda (slika 6A).Kao što je prikazano na slici 6B, zelena LED dioda može se jasno vidjeti kroz rastezljiv potpuno ugljični uređaj postavljen izravno iznad.Dok se rasteže do ~100% (slika 6, C i D), intenzitet LED svjetla se ne mijenja, što je u skladu s gore opisanim performansama tranzistora (pogledajte film S1).Ovo je prvo izvješće o rastezljivim upravljačkim jedinicama napravljenim korištenjem grafenskih elektroda, demonstrirajući novu mogućnost za rastezljivu elektroniku grafena.
(A) Krug tranzistora za pogon LED.GND, uzemljenje.(B) Fotografija rastezljivog i prozirnog potpuno ugljičnog tranzistora pri 0% naprezanja postavljenog iznad zelene LED diode.(C) Potpuno ugljični prozirni i rastezljivi tranzistor koji se koristi za prebacivanje LED-a montira se iznad LED diode na 0% (lijevo) i ~100% naprezanje (desno).Bijele strelice pokazuju kako žuti markeri na uređaju pokazuju kako se promjena udaljenosti rasteže.(D) Pogled sa strane na rastegnuti tranzistor, s LED gurnutim u elastomer.
Zaključno, razvili smo prozirnu vodljivu grafensku strukturu koja održava visoku vodljivost pod velikim naprezanjima kao rastezljive elektrode, što je omogućeno nanosvitcima grafena između naslaganih slojeva grafena.Ove dvoslojne i troslojne MGG elektrodne strukture na elastomeru mogu održavati 21 odnosno 65 % svoje vodljivosti deformacija od 0 % pri naprezanju do 100 % u usporedbi s potpunim gubitkom vodljivosti pri naprezanju od 5 % za tipične jednoslojne grafenske elektrode .Dodatne vodljive staze grafenskih svitaka, kao i slaba interakcija između prenesenih slojeva pridonose superiornoj stabilnosti vodljivosti pod naprezanjem.Dalje smo primijenili ovu grafensku strukturu za proizvodnju rastezljivih tranzistora od potpunog ugljika.Do sada je ovo najrastegljiviji 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 uzgajan je na suspendiranim Cu folijama (99,999%; Alfa Aesar) pod konstantnim tlakom od 0,5 mtorr s 50–SCCM (standardni kubični centimetar u minuti) CH4 i 20–SCCM H2 kao prekursorima na 1000°C.Obje strane Cu folije bile su prekrivene jednoslojnim grafenom.Tanki sloj PMMA (2000 okretaja u minuti; A4, Microchem) je centrifugiran na jednoj strani Cu folije, tvoreći strukturu PMMA/G/Cu folije/G.nakon toga, cijeli film je natopljen u 0,1 M otopini amonijevog persulfata [(NH4)2S2O8] oko 2 sata kako bi se uklonila Cu folija.Tijekom ovog procesa, nezaštićeni grafen sa stražnje strane najprije se potrgao duž granica zrna, a zatim se smotao u svitke zbog površinske napetosti.Svici su pričvršćeni na gornji grafenski film koji je podržan od PMMA, tvoreći PMMA/G/G svitke.Filmovi su zatim nekoliko puta isprani u deioniziranoj vodi i položeni na ciljanu podlogu, poput krute SiO2/Si ili plastične podloge.Čim se pričvršćeni film osušio na podlozi, uzorak je uzastopno natopljen acetonom, 1:1 aceton/IPA (izopropil alkohol) i IPA svakim 30 s kako bi se uklonio PMMA.Filmovi su grijani na 100°C 15 minuta ili držani u vakuumu preko noći kako bi se potpuno uklonila zarobljena voda prije nego što je drugi sloj G/G scrolla prebačen na njega.Ovaj je korak trebao izbjeći odvajanje grafenskog filma od supstrata i osigurati potpunu pokrivenost MGG-a tijekom oslobađanja PMMA sloja nosača.
Morfologija strukture MGG promatrana je pomoću optičkog mikroskopa (Leica) i skenirajućeg elektronskog mikroskopa (1 kV; FEI).Mikroskop atomske sile (Nanoskop III, Digitalni instrument) radio je u načinu tapkanja kako bi se promatrali detalji G svitaka.Transparentnost filma ispitana je ultraljubičastim spektrometrom (Agilent Cary 6000i).Za ispitivanja kada je naprezanje bilo duž okomitog smjera strujanja, korišteni su fotolitografija i O2 plazma za oblikovanje grafenskih struktura u trake (~300 μm široke i ~2000 μm duge), a Au (50 nm) elektrode su termički nanesene pomoću maske sjena na oba kraja duge strane.Grafenske trake su zatim stavljene u kontakt sa SEBS elastomerom (~2 cm širok i ~5 cm dug), s dugom osi traka paralelno s kratkom stranom SEBS-a, a zatim BOE (puferirano oksidno jetkanje) (HF:H2O 1:6) jetkanje i eutektički galij indij (EGaIn) kao električni kontakti.Za paralelne testove deformacije, grafenske strukture bez uzorka (~5 × 10 mm) prebačene su na SEBS supstrate, s dugim osovinama paralelnim s dugom stranom SEBS supstrata.Za oba slučaja, cijeli G (bez G scrolla)/SEBS je razvučen duž duge strane elastomera u ručnom aparatu, a in situ smo mjerili promjene otpora pod opterećenjem na sondnoj stanici s poluvodičkim analizatorom (Keithley 4200 -SCS).
Visoko rastezljivi i prozirni tranzistori od potpunog ugljika na elastičnoj podlozi proizvedeni su sljedećim postupcima kako bi se izbjeglo oštećenje polimernog dielektrika i supstrata organskim otapalom.MGG strukture su prebačene na SEBS kao gejt elektrode.Za dobivanje jednolikog tankoslojnog polimernog dielektričnog sloja (debljine 2 μm), otopina SEBS toluena (80 mg/ml) je centrifugirana na oktadeciltriklorosilanu (OTS) modificiranom SiO2/Si supstratu pri 1000 okretaja u minuti tijekom 1 minute.Tanki dielektrični film može se lako prenijeti s hidrofobne OTS površine na SEBS supstrat prekriven pripremljenim grafenom.Kondenzator bi se mogao napraviti postavljanjem gornje elektrode od tekućeg metala (EGaIn; Sigma-Aldrich) za određivanje kapacitivnosti kao funkcije naprezanja pomoću LCR (induktivnost, kapacitet, otpor) mjerača (Agilent).Drugi dio tranzistora sastojao se od polimerno sortiranih poluvodičkih CNT-a, slijedeći prethodno navedene postupke (53).Izvorne/odvodne elektrode s uzorkom izrađene su na krutim SiO2/Si podlogama.Nakon toga, dva dijela, dielektrik/G/SEBS i CNTs/s uzorkom G/SiO2/Si, laminirani su jedan na drugi i natopljeni u BOE kako bi se uklonio kruti SiO2/Si supstrat.Tako su proizvedeni potpuno prozirni i rastezljivi tranzistori.Električno ispitivanje pod naprezanjem provedeno je na ručnoj postavci rastezanja kao gore spomenuta metoda.
Dodatni materijal za ovaj članak dostupan je na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
sl.S1.Optički mikroskopske slike jednoslojnog MGG na SiO2/Si podlogama pri različitim povećanjima.
sl.S4.Usporedba otpora ploča s dvije sonde i propusnosti @550 nm jednoslojnog, dvoslojnog i troslojnog običnog grafena (crni kvadrati), MGG (crveni krugovi) i CNT (plavi trokut).
sl.S7.Normalizirana promjena otpora jednoslojnih i dvoslojnih MGG-ova (crni) i G (crveni) pod ~1000 cikličkog opterećenja do 40 odnosno 90% paralelnog naprezanja.
sl.S10.SEM slika troslojnog MGG-a na SEBS elastomeru nakon naprezanja, prikazuje dugi križić preko nekoliko pukotina.
sl.S12.AFM slika troslojnog MGG-a na vrlo tankom SEBS elastomeru pri 20% deformacije, koja pokazuje da je svitak prešao preko pukotine.
tablica S1.Pokretljivost dvoslojnih MGG tranzistora s jednom stijenkom ugljikovih nanocijevi na 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 želite da je vidi i da to nije neželjena pošta.Ne bilježimo nijednu adresu e-pošte.
Ovo je pitanje za testiranje jeste li ili ne posjetitelj i za sprječavanje automatiziranog slanja neželjene pošte.
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 Američka udruga za unapređenje 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