Дводимензионални материјали, попут графена, атрактивни су како за конвенционалне полупроводничке примене, тако и за нове примене у флексибилној електроници. Међутим, висока затезна чврстоћа графена доводи до ломљења при ниском напрезању, што отежава искоришћавање његових изванредних електронских својстава у растегљивој електроници. Да бисмо омогућили одличне перформансе транспарентних графенских проводника зависне од напрезања, креирали смо графенске наноспирале између наслаганих графенских слојева, названих вишеслојни графен/графенски спирали (МГГ). Под напоном, неки спирали су премошћивали фрагментиране домене графена како би одржали перколирајућу мрежу која је омогућила одличну проводљивост при високим напрезањима. Трослојни МГГ на еластомерима задржали су 65% своје оригиналне проводљивости при 100% напрезања, што је нормално на смер протока струје, док су трослојни филмови графена без наноспирала задржали само 25% своје почетне проводљивости. Растегљиви транзистор од угљеника направљен коришћењем МГГ-ова као електрода показао је пропустљивост од >90% и задржао је 60% свог оригиналног излаза струје при 120% напрезања (паралелно са смером транспорта наелектрисања). Ови високо растегљиви и транспарентни транзистори од угљеника могли би омогућити софистицирану растегљиву оптоелектронику.
Истегљива транспарентна електроника је област у развоју која има важне примене у напредним биоинтегрисаним системима (1, 2), као и потенцијал за интеграцију са растегљивом оптоелектроником (3, 4) ради производње софистицираних меких роботика и дисплеја. Графен показује веома пожељна својства атомске дебљине, високе транспарентности и високе проводљивости, али његова примена у растегљивим применама је отежана његовом тенденцијом ка пуцању при малим напрезањима. Превазилажење механичких ограничења графена могло би омогућити нову функционалност у растегљивим транспарентним уређајима.
Јединствена својства графена чине га јаким кандидатом за следећу генерацију транспарентних проводљивих електрода (5, 6). У поређењу са најчешће коришћеним транспарентним проводником, индијум-калај оксидом [ITO; 100 ома/квадрат (м²) при 90% транспарентности], једнослојни графен узгајан хемијским таложењем из паре (CVD) има сличну комбинацију отпора слоја (125 ома/м²) и транспарентности (97,4%) (5). Поред тога, графенски филмови имају изузетну флексибилност у поређењу са ITO (7). На пример, на пластичној подлози, његова проводљивост може бити задржана чак и за радијус савијања кривине од само 0,8 мм (8). Да би се додатно побољшале његове електричне перформансе као транспарентног флексибилног проводника, претходни радови су развили графенске хибридне материјале са једнодимензионалним (1D) сребрним наножицама или угљеничним наноцевима (CNT) (9–11). Штавише, графен је коришћен као електроде за мешовите димензионалне хетероструктурне полупроводнике (као што су 2D Si, 1D наножице/наноцеви и 0D квантне тачке) (12), флексибилне транзисторе, соларне ћелије и светлосне диоде (LED) (13–23).
Иако је графен показао обећавајуће резултате за флексибилну електронику, његова примена у растегљивој електроници је ограничена његовим механичким својствима (17, 24, 25); графен има крутост у равни од 340 N/m и Јангов модул еластичности од 0,5 TPa (26). Јака мрежа угљеник-угљеник не пружа никакве механизме за дисипацију енергије за примењено напрезање и стога лако пуца при мање од 5% напрезања. На пример, CVD графен пренет на еластичну подлогу од полидиметилсилоксана (PDMS) може одржати своју проводљивост само при мање од 6% напрезања (8). Теоријски прорачуни показују да би гужвање и међусобно деловање између различитих слојева требало значајно да смање крутост (26). Слагањем графена у више слојева, објављено је да се овај дво- или трослојни графен растеже до 30% напрезања, показујући промену отпора 13 пута мању од оне код једнослојног графена (27). Међутим, ова растегљивост је и даље значајно инфериорна у односу на најсавременије растегљиве проводнике (28, 29).
Транзистори су важни у растегљивим применама јер омогућавају софистицирано очитавање сензора и анализу сигнала (30, 31). Транзистори на PDMS-у са вишеслојним графеном као изворним/одводним електродама и материјалом канала могу да одрже електричну функцију до 5% напрезања (32), што је значајно испод минималне потребне вредности (~50%) за носиве сензоре за праћење здравља и електронску кожу (33, 34). Недавно је истражен графенски киригами приступ, а транзистор затворен течним електролитом може се растегнути до чак 240% (35). Међутим, ова метода захтева суспендовани графен, што компликује процес израде.
Овде постижемо високо растегљиве графенске уређаје интеркалацијом графенских спирала (дужине ~1 до 20 μм, ширине ~0,1 до 1 μм и висине ~10 до 100 nm) између слојева графена. Претпостављамо да би ове графенске спирале могле да обезбеде проводне путеве за премостивање пукотина у графенским плочама, чиме се одржава висока проводљивост под напоном. Графенске спирале не захтевају додатну синтезу или процес; оне се природно формирају током поступка влажног преноса. Коришћењем вишеслојних G/G (графен/графен) спирала (MGG), графенских растегљивих електрода (извор/одвод и капија) и полупроводничких угљеничних нанотрубица, успели смо да демонстрирамо високо транспарентне и високо растегљиве транзисторе од потпуно угљеника, који се могу растегнути до 120% напрезања (паралелно са смером транспорта наелектрисања) и задржати 60% своје оригиналне излазне струје. Ово је до сада најистезљивији транспарентни транзистор на бази угљеника, и обезбеђује довољну струју за погон неорганске ЛЕД диоде.
Да бисмо омогућили транспарентне растегљиве графенске електроде велике површине, изабрали смо графен узгајан CVD методом на Cu фолији. Cu фолија је била окачена у средини CVD кварцне цеви како би се омогућио раст графена са обе стране, формирајући G/Cu/G структуре. Да бисмо пренели графен, прво смо центрифугирањем нанели танак слој поли(метилметакрилата) (PMMA) да бисмо заштитили једну страну графена, коју смо назвали горњи графен (обрнуто за другу страну графена), а потом је цео филм (PMMA/горњи графен/Cu/доњи графен) натопљен раствором (NH4)2S2O8 да би се нагризала Cu фолија. Доњи графен без PMMA премаза ће неизбежно имати пукотине и дефекте који омогућавају продирање средства за нагризање (36, 37). Као што је илустровано на слици 1А, под дејством површинске напетости, ослобођени графенски домени су се смотали у спирале и потом причврстили на преостали горњи G/PMMA филм. Горњи G/G спирале могу се пренети на било коју подлогу, као што је SiO2/Si, стакло или меки полимер. Понављање овог процеса преноса неколико пута на исту подлогу даје MGG структуре.
(А) Шематски приказ поступка израде МГГ-а као растегљиве електроде. Током преноса графена, графен са задње стране на Cu фолији је био ломљен на границама и дефектима, смотан у произвољне облике и чврсто причвршћен за горње филмове, формирајући наносвијке. Четврти цртеж приказује наслагану МГГ структуру. (Б и Ц) ТЕМ карактеризације монослојног МГГ-а високе резолуције, фокусирајући се на монослојни графен (Б) и регион спирале (Ц), респективно. Уметање (Б) је слика са малим увећањем која приказује укупну морфологију монослојних МГГ-а на ТЕМ мрежи. Уметања (Ц) су профили интензитета снимљени дуж правоугаоних кутија назначених на слици, где су растојања између атомских равни 0,34 и 0,41 nm. (Д) ЕЕЛ спектар угљеника на К-ивици са означеним карактеристичним графитним π* и σ* врховима. (Е) Секциона АФМ слика монослојних Г/Г спирала са профилом висине дуж жуте испрекидане линије. (F до I) Слике добијене оптичком микроскопијом и AFM методом трослоја G без (F и H) и са спиралама (G и I) на SiO2/Si подлогама дебљине 300 nm, респективно. Репрезентативне спирале и набори су означени да би се истакле њихове разлике.
Да бисмо потврдили да су спирале по природи ваљани графен, спровели смо студије трансмисионе електронске микроскопије (ТЕМ) високе резолуције и спектроскопије губитка енергије електрона (ЕЕЛ) на структурама спирала монослоја горњег Г/Г слоја. Слика 1Б приказује хексагоналну структуру монослојног графена, а уметак је укупна морфологија филма прекривеног једном угљеничном рупом ТЕМ мреже. Монослој графена обухвата већи део мреже, а појављују се и неке љуспице графена у присуству више наслага хексагоналних прстенова (Сл. 1Б). Зумирањем појединачне спирале (Сл. 1Ц), уочили смо велику количину решеткастих пруга графена, са размаком решетке у опсегу од 0,34 до 0,41 nm. Ова мерења сугеришу да су љуспице насумично увијене и да нису савршен графит, који има размак решетке од 0,34 nm у слагању слојева „ABAB“. Слика 1Д приказује EEL спектар угљеника на K-ивици, где врх на 285 eV потиче са π* орбитале, а други око 290 eV је последица преласка σ* орбитале. Може се видети да sp2 веза доминира у овој структури, што потврђује да су спирале високо графитасте.
Слике добијене оптичком микроскопијом и атомском силовом микроскопијом (АСМ) пружају увид у расподелу графенских наноспирала у MGG-овима (слике 1, E до G, и слике S1 и S2). Спритали су насумично распоређени по површини, а њихова густина у равни расте пропорционално броју наслаганих слојева. Многи спирали су испреплетени у чворове и показују неуједначене висине у опсегу од 10 до 100 nm. Дуги су од 1 до 20 μm и широки од 0,1 до 1 μm, у зависности од величине њихових почетних графенских љуспица. Као што је приказано на слици 1 (H и I), спирали имају знатно веће величине од бора, што доводи до много грубљег међусобног споја између слојева графена.
Да бисмо измерили електрична својства, обликовали смо графенске филмове са или без спиралних структура и слагањем слојева у траке ширине 300 μm и дужине 2000 μm користећи фотолитографију. Отпори са две сонде, као функција напрезања, мерени су под амбијенталним условима. Присуство спирала смањило је отпорност једнослојног графена за 80%, са смањењем трансмитансе од само 2,2% (слика S4). Ово потврђује да наноспирале, које имају високу густину струје до 5 × 107 A/cm2 (38, 39), дају веома позитиван електрични допринос MGG-овима. Међу свим једно-, дво- и трослојним обичним графеном и MGG-овима, трослојни MGG има најбољу проводљивост са транспарентношћу од скоро 90%. Да бисмо упоредили са другим изворима графена објављеним у литератури, такође смо измерили отпоре слојева са четири сонде (слика S5) и навели их као функцију трансмитансе на 550 nm (слика S6) на слици 2А. МГГ показује упоредиву или већу проводљивост и транспарентност од вештачки сложеног вишеслојног обичног графена и редукованог графен оксида (РГО) (6, 8, 18). Треба напоменути да су отпори слојева вештачки сложеног вишеслојног обичног графена из литературе нешто већи од отпора нашег МГГ, вероватно због њихових неоптимизованих услова раста и методе преноса.
(А) Отпори четворослојних плоча у односу на трансмитансу на 550 nm за неколико врста графена, где црни квадрати означавају моно-, дво- и трослојне MGG; црвени кругови и плави троуглови одговарају вишеслојном обичном графену узгајаном на Cu и Ni из студија Ли и др. (6) и Кима и др. (8), респективно, а потом пренетом на SiO2/Si или кварц; а зелени троуглови су вредности за RGO при различитим степенима редукције из студије Бонакорса и др. (18). (Б и Ц) Нормализована промена отпора моно-, дво- и трослојних MGG и G као функција управног (Б) и паралелног (Ц) напрезања у односу на смер протока струје. (Д) Нормализована промена отпора двослоја G (црвена) и MGG (црна) под цикличним оптерећењем напрезањем до 50% управног напрезања. (Е) Нормализована промена отпора трослоја G (црвена) и MGG (црна) под цикличним оптерећењем напрезањем до 90% паралелног напрезања. (F) Нормализована промена капацитета једно-, дво- и трослојног G и дво- и трослојних MGG-ова као функција напрезања. Уметнути део је структура кондензатора, где је полимерна подлога SEBS, а полимерни диелектрични слој је SEBS дебљине 2 μm.
Да бисмо проценили перформансе MGG-а зависне од напрезања, пренели смо графен на термопластичне еластомерне стирен-етилен-бутадиен-стиренске (SEBS) подлоге (ширине ~2 цм и дужине ~5 цм), а проводљивост је мерена док је подлога растегнута (видети Материјали и методе) и нормално и паралелно са смером протока струје (Сл. 2, Б и Ц). Електрично понашање зависно од напрезања побољшало се уградњом наноспирала и повећањем броја слојева графена. На пример, када је напрезање нормално на ток струје, за једнослојни графен, додавање спирала повећало је напрезање при електричном прекиду са 5 на 70%. Толеранција на напрезање трослојног графена је такође значајно побољшана у поређењу са једнослојним графеном. Са наноспирама, при 100% нормалном напрезању, отпор трослојне MGG структуре повећао се само за 50%, у поређењу са 300% за трослојни графен без спирала. Испитана је промена отпора под цикличним оптерећењем напрезањем. Поређења ради (Сл. 2Д), отпори обичног двослојног графенског филма повећали су се око 7,5 пута након ~700 циклуса при 50% нормалног напрезања и наставили су да расту са напрезањем у сваком циклусу. С друге стране, отпор двослојног MGG-а повећао се само око 2,5 пута након ~700 циклуса. Применом напрезања до 90% дуж паралелног правца, отпор трослојног графена повећао се ~100 пута након 1000 циклуса, док је код трослојног MGG-а само ~8 пута (Сл. 2Е). Резултати циклирања приказани су на слици С7. Релативно брже повећање отпора дуж паралелног правца напрезања је зато што је оријентација пукотина нормална на смер протока струје. Одступање отпора током оптерећења и растерећења напрезања је последица вискоеластичног опоравка SEBS еластомерне подлоге. Стабилнији отпор MGG трака током циклирања је последица присуства великих спирала које могу премостити напукле делове графена (што је примећено AFM-ом), помажући у одржавању путање перколације. Овај феномен одржавања проводљивости перколационим путем је раније забележен код напуклих металних или полупроводничких филмова на еластомерним подлогама (40, 41).
Да бисмо проценили ове филмове на бази графена као капијске електроде у растегљивим уређајима, прекрили смо слој графена SEBS диелектричним слојем (дебљине 2 μm) и пратили промену диелектричне капацитивности као функцију напрезања (видети слику 2F и додатне материјале за детаље). Приметили смо да се капацитивности са обичним једнослојним и двослојним графенским електродама брзо смањују због губитка проводљивости графена у равни. Насупрот томе, капацитивности са капијама помоћу MGG-ова, као и обичан трослојни графен, показале су повећање капацитивности са напрезањем, што се и очекује због смањења дебљине диелектричног материјала са напрезањем. Очекивани пораст капацитивности се веома добро поклапа са MGG структуром (слика S8). Ово указује да је MGG погодан као капијска електрода за растегљиве транзисторе.
Да бисмо даље истражили улогу 1Д графенског спирала на толеранцију напрезања електричне проводљивости и боље контролисали раздвајање између слојева графена, користили смо CNT нанесене спрејом да заменимо графенске спирале (видети Додатне материјале). Да бисмо имитирали MGG структуре, депоновали смо три густине CNT-а (тј. CNT1
(А до Ц) AFM слике три различите густине угљеничних нанотрубки (CNT1
Да бисмо боље разумели њихову способност као електрода за растегљиву електронику, систематски смо истраживали морфологије MGG и G-CNT-G под напоном. Оптичка микроскопија и скенирајућа електронска микроскопија (SEM) нису ефикасне методе карактеризације јер обема недостаје контраст боја, а SEM је подложан артефактима слике током скенирања електронима када је графен на полимерним подлогама (слике S9 и S10). Да бисмо посматрали in situ површину графена под напоном, прикупили смо AFM мерења на трослојним MGG и обичном графену након преноса на веома танке (дебљине ~0,1 мм) и еластичне SEBS подлоге. Због унутрашњих дефеката у CVD графену и спољашњих оштећења током процеса преноса, неизбежно се стварају пукотине на напораном графену, а са повећањем напона, пукотине постају гушће (слика 4, од А до D). У зависности од структуре слагања електрода на бази угљеника, пукотине показују различите морфологије (слика S11) (27). Густина површине пукотина (дефинисана као површина пукотина/анализирана површина) вишеслојног графена је мања од оне код једнослојног графена након напрезања, што је у складу са повећањем електричне проводљивости за MGG. С друге стране, често се примећује да спирале премошћују пукотине, обезбеђујући додатне проводне путеве у напрегнутом филму. На пример, као што је означено на слици 4Б, широка спирала је прешла преко пукотине у трослојном MGG, али није примећена спирала у обичном графену (слика 4, од Е до Х). Слично томе, угљеничне натријум-црне цеви су такође премошћивале пукотине у графену (слика С11). Густина површине пукотина, густина површине спирала и храпавост филмова су сумиране на слици 4К.
(А до Х) In situ AFM слике трослојних G/G спирала (А до Д) и трослојних G структура (Е до Х) на веома танком SEBS (дебљине ~0,1 мм) еластомеру при 0, 20, 60 и 100% напрезања. Репрезентативне пукотине и спирале су означене стрелицама. Све AFM слике су у области од 15 μm × 15 μm, користећи исту скалу боја као што је означено. (И) Симулациона геометрија шарених монослојних графенских електрода на SEBS подлози. (Ј) Симулациона контурна мапа максималног главног логаритамског напрезања у монослојном графену и SEBS подлози при 20% спољашњег напрезања. (К) Поређење густине површине пукотина (црвена колона), густине површине спирала (жута колона) и храпавости површине (плава колона) за различите структуре графена.
Када се МГГ филмови растежу, постоји важан додатни механизам којим спирале могу да премосте напукле регионе графена, одржавајући перколирајућу мрежу. Графенске спирале су обећавајуће јер могу бити дужине десетине микрометара и стога су способне да премосте пукотине које су обично до микрометарске размере. Штавише, пошто се спирале састоје од вишеслојног графена, очекује се да имају низак отпор. Поређења ради, релативно густе (ниже пропустљивости) CNT мреже су потребне да би се обезбедио упоредиви капацитет проводљивог премошћавања, јер су CNT мање (обично неколико микрометара дужине) и мање проводљиве од спирала. С друге стране, као што је приказано на слици S12, док графен пуца током истезања да би се прилагодио напрезању, спирале не пуцају, што указује да би ове друге могле да клизе по графену који се налази испод њих. Разлог зашто не пуцају вероватно је због смотане структуре, састављене од много слојева графена (дужине ~1 до 20 μm, ширине ~0,1 до 1 μm и висине ~10 до 100 nm), који има већи ефективни модул од једнослојног графена. Како су известили Грин и Херсам (42), металне CNT мреже (пречник цеви од 1,0 nm) могу постићи ниске отпоре слоја <100 ома/м² упркос великом отпору споја између CNT. Узимајући у обзир да наши графенски спирали имају ширину од 0,1 до 1 μm и да G/G спирале имају много веће контактне површине од CNT, контактни отпор и контактна површина између графена и графенских спирала не би требало да буду ограничавајући фактори за одржавање високе проводљивости.
Графен има много већи модул еластичности од SEBS подлоге. Иако је ефективна дебљина графенске електроде много мања од дебљине подлоге, крутост графена помножена са дебљином подлоге је упоредива са крутошћу подлоге (43, 44), што резултира умереним ефектом крутог острва. Симулирали смо деформацију графена дебљине 1 nm на SEBS подлози (видети Додатне материјале за детаље). Према резултатима симулације, када се на SEBS подлогу споља примени напон од 20%, просечан напон у графену је ~6,6% (Сл. 4J и Сл. S13D), што је у складу са експерименталним запажањима (видети сл. S13). Упоредили смо напон у областима графена са шарама и подлоге користећи оптичку микроскопију и открили да је напон у области подлоге најмање двоструко већи од напона у области графена. Ово указује да напон примењен на обрасце графенске електроде може бити значајно ограничен, формирајући крута графенска острва на врху SEBS-а (26, 43, 44).
Стога, способност МГГ електрода да одрже високу проводљивост под великим напрезањем вероватно је омогућена два главна механизма: (i) Спирале могу премостити неповезане регионе како би одржале проводни перколациони пут, и (ii) вишеслојни графенски листови/еластомер могу клизити један преко другог, што резултира смањеним напрезањем графенских електрода. Код више слојева пренетог графена на еластомеру, слојеви нису чврсто повезани један са другим, што може клизити као одговор на напрезање (27). Спирале су такође повећале храпавост графенских слојева, што може помоћи у повећању размака између графенских слојева и самим тим омогућити клизање графенских слојева.
Уређаји од угљеника се са ентузијазмом траже због ниске цене и високог протока. У нашем случају, транзистори од угљеника су направљени коришћењем доње графенске капије, горњег графенског контакта извор/одвод, сортираног CNT полупроводника и SEBS као диелектрика (слика 5А). Као што је приказано на слици 5Б, уређај од угљеника са CNT-има као извором/одводом и капијом (доњи уређај) је непрозирнији од уређаја са графенским електродама (горњи уређај). То је зато што CNT мреже захтевају веће дебљине и, последично, ниже оптичке трансмитансе да би се постигли отпори слоја слични онима код графена (слика S4). Слика 5 (C и D) приказује репрезентативне криве преноса и излаза пре напрезања за транзистор направљен са двослојним MGG електродама. Ширина и дужина канала ненапрегнутог транзистора биле су 800 и 100 μм, респективно. Измерени однос укључивања/искључивања је већи од 103 са струјама укључивања и искључивања на нивоима од 10−5 и 10−8 A, респективно. Излазна крива показује идеалне линеарне и засићене режиме са јасном зависношћу од напона капије, што указује на идеалан контакт између угљеничних нанотрака (CNT) и графенских електрода (45). Примећено је да је контактни отпор са графенским електродама нижи него са испареним Au филмом (видети сл. S14). Покретљивост засићења растегљивог транзистора је око 5,6 cm²/Vs, слично оној код истих полимерно сортираних CNT транзистора на крутим Si подлогама са 300-nm SiO2 као диелектричним слојем. Даље побољшање покретљивости је могуће уз оптимизовану густину цеви и друге типове цеви (46).
(А) Шема растегљивог транзистора на бази графена. SWNT, једнозидне угљеничне наноцеви. (Б) Фотографија растегљивих транзистора направљених од графенских електрода (горе) и CNT електрода (доле). Разлика у транспарентности је јасно приметна. (Ц и Д) Криве преноса и излаза транзистора на бази графена на SEBS пре напрезања. (Е и Ф) Криве преноса, струја укључивања и искључивања, однос укључивања/искључивања и покретљивост транзистора на бази графена при различитим напрезањима.
Када је транспарентни, потпуно угљенични уређај растегнут у смеру паралелном смеру транспорта наелектрисања, примећена је минимална деградација до 120% напрезања. Током истезања, мобилност се континуирано смањивала са 5,6 цм²/Vs при 0% напрезања на 2,5 цм²/Vs при 120% напрезања (Сл. 5F). Такође смо упоредили перформансе транзистора за различите дужине канала (видети табелу S1). Приметно је да су при напрезању већем од 105%, сви ови транзистори и даље показивали висок однос укључено/искључено (>10³) и мобилност (>3 цм²/Vs). Поред тога, сумирали смо све недавне радове на потпуно угљеничним транзисторима (видети табелу S2) (47–52). Оптимизацијом израде уређаја на еластомерима и коришћењем MGG-а као контаката, наши потпуно угљенични транзистори показују добре перформансе у погледу мобилности и хистерезиса, као и високе растегљивости.
Као примену потпуно транспарентног и растегљивог транзистора, користили смо га за контролу пребацивања ЛЕД диоде (Сл. 6А). Као што је приказано на Сл. 6Б, зелена ЛЕД диода се јасно види кроз растегљиви уређај од угљеника постављен директно изнад. Док се растеже до ~100% (Сл. 6, Ц и Д), интензитет светлости ЛЕД диоде се не мења, што је у складу са перформансама транзистора описаним горе (видети филм С1). Ово је први извештај о растегљивим контролним јединицама направљеним коришћењем графенских електрода, што демонстрира нову могућност за растегљиву графенску електронику.
(А) Коло транзистора за погон ЛЕД диоде. GND, уземљење. (Б) Фотографија растегљивог и провидног транзистора од угљеника при 0% напрезања, постављеног изнад зелене ЛЕД диоде. (Ц) Провидни и растегљиви транзистор од угљеника који се користи за укључивање и искључивање ЛЕД диоде монтира се изнад ЛЕД диоде при 0% (лево) и ~100% напрезања (десно). Беле стрелице показују жуте маркере на уређају да би се показала промена растојања при истезању. (Д) Бочни поглед на растегнути транзистор, са ЛЕД диодом угураном у еластомер.
У закључку, развили смо транспарентну проводљиву структуру графена која одржава високу проводљивост под великим напрезањима као растегљиве електроде, што је омогућено графенским наноспиралама између наслаганих слојева графена. Ове двослојне и трослојне МГГ електродне структуре на еластомеру могу да одрже 21% и 65%, респективно, своје проводљивости од 0% напрезања при напрезању и до 100%, у поређењу са потпуним губитком проводљивости при напрезању од 5% за типичне једнослојне графенске електроде. Додатни проводни путеви графенских спирала, као и слаба интеракција између пренетих слојева, доприносе супериорној стабилности проводљивости под напрезањем. Даље смо применили ову структуру графена за израду растегљивих транзистора од угљеника. До сада је ово најистезљивији транзистор на бази графена са најбољом транспарентношћу без употребе извијања. Иако је ова студија спроведена како би се омогућио графен за растегљиву електронику, верујемо да се овај приступ може проширити на друге 2Д материјале како би се омогућила растегљива 2Д електроника.
Графен велике површине добијен CVD методом је узгајан на суспендованим Cu фолијама (99,999%; Alfa Aesar) под константним притиском од 0,5 mtorr са 50–SCCM (стандардни кубни центиметар по минути) CH4 и 20–SCCM H2 као прекурсорима на 1000°C. Обе стране Cu фолије су биле прекривене једнослојним графеном. Танки слој PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) је центрифугирано пресвучен на једну страну Cu фолије, формирајући структуру PMMA/G/Cu фолија/G. Након тога, цео филм је натопљен у 0,1 M раствору амонијум персулфата [(NH4)2S2O8] око 2 сата да би се Cu фолија уклонила нагризањем. Током овог процеса, незаштићени графен са задње стране се прво поцепао дуж граница зрна, а затим се смотао у спирале због површинске напетости. Спирале су причвршћене на горњи графенски филм ослоњен на PMMA, формирајући PMMA/G/G спирале. Филмови су потом неколико пута испрани у дејонизованој води и положени на циљну подлогу, као што је крута SiO2/Si или пластична подлога. Чим се причвршћени филм осуши на подлози, узорак је секвенцијално натопљен ацетоном, 1:1 ацетоном/IPA (изопропил алкохолом) и IPA по 30 секунди да би се уклонио PMMA. Филмови су загревани на 100°C током 15 минута или држани у вакууму преко ноћи да би се потпуно уклонила заробљена вода пре него што је на њега пренет још један слој G/G спирале. Овај корак је био да се избегне одвајање графенског филма од подлоге и да се обезбеди потпуно покривање MGG-а током ослобађања PMMA носећег слоја.
Морфологија MGG структуре је посматрана помоћу оптичког микроскопа (Leica) и скенирајућег електронског микроскопа (1 kV; FEI). Атомски силови микроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) је коришћен у режиму тапкања како би се посматрали детаљи G спирала. Транспарентност филма је тестирана ултраљубичасто-видљивим спектрометром (Agilent Cary 6000i). За тестове када је напрезање било дуж нормалног смера протока струје, коришћени су фотолитографија и O2 плазма за обликовање графенских структура у траке (ширине ~300 μm и дужине ~2000 μm), а Au (50 nm) електроде су термички депоноване коришћењем маски за сенчење на оба краја дуге стране. Графенске траке су затим стављене у контакт са SEBS еластомером (ширине ~2 cm и дужине ~5 cm), са дугом осом трака паралелном са кратком страном SEBS, након чега је примењено BOE (пуферовано оксидно нагризање) (HF:H2O 1:6) нагризање и еутектички галијум индијум (EGaIn) као електрични контакти. За паралелне тестове напрезања, нешаблонске графенске структуре (~5 × 10 mm) су пренете на SEBS подлоге, са дугим осама паралелним са дужом страном SEBS подлоге. У оба случаја, цео G (без G спирала)/SEBS је растегнут дуж дуге стране еластомера у ручном апарату, а in situ смо мерили њихове промене отпора под напрезањем на станици за испитивање помоћу полупроводничког анализатора (Keithley 4200-SCS).
Високо растегљиви и транспарентни транзистори од угљеника на еластичној подлози су направљени следећим поступцима како би се избегло оштећење полимерног диелектрика и подлоге органским растварачима. MGG структуре су пренете на SEBS као капијске електроде. Да би се добио једноличан танкослојни полимерни диелектрични слој (дебљине 2 μm), раствор SEBS толуена (80 mg/ml) је центрифугирано нанесен на октадецилтрихлоросилану (OTS)-модификовану SiO2/Si подлогу при 1000 о/мин током 1 мин. Танки диелектрични филм се може лако пренети са хидрофобне OTS површине на SEBS подлогу прекривену припремљеним графеном. Кондензатор се може направити наношењем горње електроде од течног метала (EGaIn; Sigma-Aldrich) да би се одредио капацитет у функцији напрезања коришћењем LCR (индуктивност, капацитет, отпор) метра (Agilent). Други део транзистора се састојао од полимерно сортираних полупроводничких CNT, пратећи поступке који су претходно објављени (53). Образац сорс/дрена електрода је направљен на крутим SiO2/Si подлогама. Након тога, два дела, диелектрик/G/SEBS и угљеничне нанотрубке/шаблони G/SiO2/Si, су ламинирани један за други и натопљени у BOE да би се уклонила крута SiO2/Si подлога. Тако су направљени потпуно транспарентни и растегљиви транзистори. Електрично испитивање под напоном је извршено на ручном уређају за растезање као и горе поменута метода.
Додатни материјал за овај чланак доступан је на http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Сл. S1. Слике оптичке микроскопије монослојног MGG на SiO2/Si подлогама при различитим увећањима.
Сл. С4. Поређење отпора и трансмитанција двослојних слојева на 550 нм моно-, дво- и трослојног обичног графена (црни квадрати), MGG (црвени кругови) и CNT (плави троугао).
Сл. С7. Нормализована промена отпора једно- и двослојних MGG-ова (црни) и G (црвени) под цикличним оптерећењем од ~1000 до 40 и 90% паралелног напрезања, респективно.
Сл. С10. СЕМ слика трослојног MGG на SEBS еластомеру након напрезања, која приказује дугачак спирални прелаз преко неколико пукотина.
Сл. С12. AFM слика трослојног MGG на веома танком SEBS еластомеру при напрезању од 20%, која показује да је спирала прешла преко пукотине.
табела С1. Покретљивости двослојних МГГ–једнозидних угљеничних наноцеви транзистора на различитим дужинама канала пре и после напрезања.
Ово је чланак отвореног приступа дистрибуиран под условима лиценце Creative Commons Attribution-NonCommercial, која дозвољава употребу, дистрибуцију и репродукцију у било ком медијуму, све док резултујућа употреба није у комерцијалне сврхе и под условом да је оригинални рад правилно цитиран.
НАПОМЕНА: Потребна нам је ваша имејл адреса само да би особа којој препоручујете страницу знала да желите да је види и да се не ради о нежељеној пошти. Не бележимо никакве имејл адресе.
Ово питање служи за проверу да ли сте људски посетилац и да би се спречило аутоматско слање спама.
Аутори: Нан Лиу, Алек Цхортос, Тинг Леи, Лихуа Јин, Таехо Рои Ким, Вон-Гиу Бае, Цхенкин Зху, Сихонг Ванг, Рапхаел Пфаттнер, Ксииуан Цхен, Роберт Синцлаир, Зхенан Бао
Аутори: Нан Лиу, Алек Цхортос, Тинг Леи, Лихуа Јин, Таехо Рои Ким, Вон-Гиу Бае, Цхенкин Зху, Сихонг Ванг, Рапхаел Пфаттнер, Ксииуан Цхен, Роберт Синцлаир, Зхенан Бао
© 2021 Америчко удружење за унапређење науке. Сва права задржана. АААС је партнер ХИНАРИ, АГОРА, ОАРЕ, ЦХОРУС, ЦЛОЦКСС, ЦроссРеф и ЦОУНТЕР.Сциенце Адванцес ИССН 2375-2548.
Време објаве: 28. јануар 2021.