Дводимензионални материјали, као што је графен, су атрактивни и за конвенционалне примене полупроводника и за нове апликације у флексибилној електроници.Међутим, висока затезна чврстоћа графена доводи до ломљења при ниском напрезању, што чини изазовом да се искористе његове изванредне електронске особине у растезљивој електроници.Да бисмо омогућили одличне перформансе зависне од напрезања провидних проводника графена, креирали смо графенске наносвитке између наслаганих слојева графена, који се називају вишеслојни графен/графенски свитци (МГГ).Под напрезањем, неки свитци су премостили фрагментиране домене графена да би одржали перколирајућу мрежу која је омогућила одличну проводљивост при високим напрезањима.Трослојни МГГ-ови ослоњени на еластомере задржали су 65% своје оригиналне проводљивости при 100% деформацији, што је окомито на смер струјног тока, док су трослојни филмови од графена без наноскролова задржали само 25% своје почетне проводљивости.Растезљиви транзистор са пуним угљеником произведен коришћењем МГГ-а као електрода показао је пропусност од >90% и задржао 60% своје оригиналне излазне струје при 120% деформације (паралелно са смером транспорта наелектрисања).Ови високо растезљиви и транспарентни транзистори са пуним угљеником могу омогућити софистицирану растезљиву оптоелектронику.
Растезљива провидна електроника је растућа област која има важне примене у напредним биоинтегрисаним системима (1, 2) као и потенцијал за интеграцију са растезљивом оптоелектроником (3, 4) за производњу софистициране меке роботике и дисплеја.Графен показује веома пожељна својства атомске дебљине, високе транспарентности и високе проводљивости, али је његова примена у растезљивим апликацијама инхибирана због његове тенденције пуцања при малим напрезањима.Превазилажење механичких ограничења графена могло би омогућити нову функционалност у растезљивим транспарентним уређајима.
Јединствена својства графена чине га јаким кандидатом за следећу генерацију провидних проводних електрода (5, 6).У поређењу са најчешће коришћеним провидним проводником, индијум калај оксидом [ИТО;100 ома/квадрат (ск) при 90% прозирности], монослојни графен узгајан хемијским таложењем из паре (ЦВД) има сличну комбинацију отпорности плоче (125 ома/ск) и транспарентности (97,4%) (5).Поред тога, графенски филмови имају изузетну флексибилност у поређењу са ИТО (7).На пример, на пластичној подлози, његова проводљивост може да се задржи чак и за полупречник савијања од само 0,8 мм (8).Да би додатно побољшали своје електричне перформансе као провидног флексибилног проводника, претходни радови су развили хибридне материјале графена са једнодимензионалним (1Д) сребрним наножицама или угљеничним наноцевима (ЦНТ) (9–11).Штавише, графен је коришћен као електроде за хетероструктурне полупроводнике мешовитих димензија (као што су 2Д масивни Си, 1Д наножице/наноцеви и 0Д квантне тачке) (12), флексибилне транзистори, соларне ћелије и диоде које емитују светлост (ЛЕД) (13 –23).
Иако је графен показао обећавајуће резултате за флексибилну електронику, његова примена у растезљивој електроници је ограничена његовим механичким својствима (17, 24, 25);графен има крутост у равни од 340 Н/м и Јангов модул од 0,5 ТПа (26).Јака мрежа угљеник-угљеник не обезбеђује никакве механизме дисипације енергије за примењену деформацију и стога лако пуца при напрезању испод 5%.На пример, ЦВД графен пренет на еластичну подлогу од полидиметилсилоксана (ПДМС) може да одржи своју проводљивост само на напрезању мањем од 6% (8).Теоријски прорачуни показују да би гужвање и интеракција између различитих слојева требало да значајно смање крутост (26).Слагањем графена у више слојева, пријављено је да је овај двослојни или трослојни графен растезљив до 30% деформације, показујући промену отпора 13 пута мању од оне код једнослојног графена (27).Међутим, ова растезљивост је и даље значајно инфериорна у односу на најсавременије растезљиве ц проводнике (28, 29).
Транзистори су важни у растегљивим апликацијама јер омогућавају софистицирано очитавање сензора и анализу сигнала (30, 31).Транзистори на ПДМС-у са вишеслојним графеном као електродама извора/одвода и материјалом канала могу одржати електричну функцију до 5% деформације (32), што је значајно испод минималне потребне вредности (~50%) за сензоре за праћење здравља који се могу носити и електронску кожу ( 33, 34).Недавно је истражен приступ графенском киригамију, а транзистор затворен течним електролитом може се растегнути до чак 240% (35).Међутим, овај метод захтева суспендовани графен, што компликује процес производње.
Овде постижемо високо растезљиве графенске уређаје интеркалацијом графенских свитака (~ 1 до 20 μм дужине, ~ 0,1 до 1 μм широке и ~ 10 до 100 нм висине) између слојева графена.Претпостављамо да би ови графенски свитци могли да обезбеде проводне путеве за премошћавање пукотина у графенским листовима, одржавајући тако високу проводљивост под напрезањем.Свитцима од графена није потребна додатна синтеза или процес;природно се формирају током поступка влажног преноса.Коришћењем вишеслојних Г/Г (графенских/графенских) свитака (МГГ), графенских растезљивих електрода (извор/одвод и капија) и полупроводничких ЦНТ-а, успели смо да демонстрирамо веома транспарентне и веома растезљиве транзисторе са пуним угљеником, који се могу растегнути до 120 % напрезања (паралелно са смером транспорта наелектрисања) и задржавају 60 % своје оригиналне излазне струје.Ово је до сада најрастегљивији прозирни транзистор базиран на угљенику и обезбеђује довољну струју за покретање неорганске ЛЕД диоде.
Да бисмо омогућили провидне растезљиве графенске електроде велике површине, изабрали смо графен узгојен ЦВД-ом на Цу фолији.Цу фолија је суспендована у центру ЦВД кварцне цеви да би се омогућио раст графена са обе стране, формирајући Г/Цу/Г структуре.Да бисмо пренели графен, прво смо центрифугирали танак слој поли(метил метакрилата) (ПММА) да бисмо заштитили једну страну графена, који смо назвали горња страна графена (обрнуто за другу страну графена), а затим, цео филм (ПММА/горњи графен/Цу/доњи графен) је натопљен раствором (НХ4)2С2О8 да би се уклонила Цу фолија.Графен са доње стране без ПММА премаза ће неизбежно имати пукотине и дефекте који омогућавају продирању нагризајућег материјала (36, 37).Као што је илустровано на слици 1А, под дејством површинског напона, ослобођени домени графена су се смотали у свитке и затим причврстили на преостали горњи Г/ПММА филм.Горњи Г/Г свитци могу се пренети на било коју подлогу, као што је СиО2/Си, стакло или меки полимер.Понављање овог процеса преноса неколико пута на исту подлогу даје МГГ структуре.
(А) Шематска илустрација поступка производње за МГГ као растезљиву електроду.Током преноса графена, графен са задње стране на Цу фолији је сломљен на границама и дефектима, умотан у произвољне облике и чврсто причвршћен за горње филмове, формирајући наносвитке.Четврти цртани филм приказује наслагану МГГ структуру.(Б и Ц) ТЕМ карактеризације високе резолуције једнослојног МГГ-а, фокусирајући се на једнослојни графен (Б) и област скроловања (Ц), респективно.Уметак (Б) је слика са малим увећањем која приказује укупну морфологију једнослојних МГГ на ТЕМ мрежи.Уметци (Ц) су профили интензитета узети дуж правоугаоних кутија назначених на слици, где су растојања између атомских равни 0,34 и 0,41 нм.(Д) ЕЕЛ спектар угљеника на К-ивици са означеним карактеристичним графитним π* и σ* врховима.(Е) Пресечна АФМ слика једнослојних Г/Г свитака са профилом висине дуж жуте испрекидане линије.(Ф до И) Оптичка микроскопија и АФМ слике трослојног Г без (Ф и Х) и са свитцима (Г и И) на СиО2/Си подлогама дебљине 300 нм, респективно.Репрезентативни свитци и боре су означени како би се истакле њихове разлике.
Да бисмо потврдили да су свитци по природи ваљани графен, спровели смо студије трансмисионе електронске микроскопије високе резолуције (ТЕМ) и спектроскопије губитка енергије електрона (ЕЕЛ) на једнослојним структурама врха Г/Г спирале.Слика 1Б приказује хексагоналну структуру једнослојног графена, а уметак је укупна морфологија филма прекривеног једном угљеничном рупом на ТЕМ мрежи.Једнослојни графен обухвата већи део мреже, а појављују се неке љуспице графена у присуству више наслага хексагоналних прстенова (слика 1Б).Зумирањем појединачног свитка (слика 1Ц), приметили смо велику количину ресица графенске решетке, са размаком решетке у опсегу од 0,34 до 0,41 нм.Ова мерења сугеришу да су љуспице насумично смотане и да нису савршени графит, који има размак решетке од 0,34 нм у слагању слојева „АБАБ“.Слика 1Д приказује ЕЕЛ спектар угљеника на К-ивици, где пик на 285 еВ потиче од π* орбитале, а други око 290 еВ је последица транзиције σ* орбитале.Може се видети да сп2 веза доминира у овој структури, потврђујући да су свитци веома графитни.
Слике оптичке микроскопије и микроскопије атомске силе (АФМ) пружају увид у дистрибуцију графенских наносвитака у МГГс (слика 1, Е до Г и слике С1 и С2).Свитци су насумично распоређени по површини, а њихова густина у равни расте пропорционално броју наслаганих слојева.Многи свици су заплетени у чворове и показују неуједначене висине у опсегу од 10 до 100 нм.Дуге су од 1 до 20 μм и широке од 0,1 до 1 μм, у зависности од величине њихових почетних графенских пахуљица.Као што је приказано на слици 1 (Х и И), свици имају знатно веће величине од бора, што доводи до много грубљег интерфејса између слојева графена.
Да бисмо измерили електрична својства, узорковали смо графенске филмове са или без спиралних структура и слагање слојева у траке ширине 300 μм и 2000 μм дуге помоћу фотолитографије.Отпори две сонде као функција деформације мерени су у амбијенталним условима.Присуство свитака је смањило отпор монослојног графена за 80% уз само 2,2% смањење пропустљивости (слика С4).Ово потврђује да наноскролови, који имају високу густину струје до 5 × 107 А/цм2 (38, 39), дају веома позитиван електрични допринос МГГ-овима.Међу свим моно-, дво- и трослојним обичним графеном и МГГ, трослојни МГГ има најбољу проводљивост са транспарентношћу од скоро 90%.Да бисмо упоредили са другим изворима графена који су пријављени у литератури, такође смо измерили отпоре плоча са четири сонде (слика С5) и навели их као функцију пропустљивости на 550 нм (слика С6) на слици 2А.МГГ показује упоредиву или већу проводљивост и транспарентност од вештачки наслаганог вишеслојног обичног графена и редукованог графен оксида (РГО) (6, 8, 18).Имајте на уму да су отпори листова вештачки наслаганог вишеслојног обичног графена из литературе нешто већи од отпора нашег МГГ-а, вероватно због њихових неоптимизованих услова раста и методе преноса.
(А) Отпори плоча са четири сонде у односу на пропустљивост на 550 нм за неколико типова графена, где црни квадрати означавају моно-, дво- и трослојне МГГ;црвени кругови и плави троуглови одговарају вишеслојном обичном графену узгајаном на Цу и Ни из студија Ли ет ал.(6) и Ким ет ал.(8), респективно, а затим пренети на СиО2/Си или кварц;и зелени троуглови су вредности за РГО на различитим степенима смањења из студије Бонаццорсо ет ал.( 18).(Б и Ц) Нормализована промена отпора једно-, дво- и трослојних МГГ и Г као функција управног (Б) и паралелног (Ц) деформације на смер струјања.(Д) Нормализована промена отпора двослоја Г (црвено) и МГГ (црно) под цикличним оптерећењем до 50% окомитог напрезања.(Е) Нормализована промена отпора трослоја Г (црвено) и МГГ (црно) под цикличним оптерећењем до 90% паралелног напрезања.(Ф) Нормализована промена капацитивности моно-, дво- и трослојних Г и дво- и трослојних МГГ као функција деформације.Уметак је структура кондензатора, где је полимерни супстрат СЕБС, а полимерни диелектрични слој је СЕБС дебљине 2 μм.
Да бисмо проценили перформансе зависне од деформације МГГ-а, пренели смо графен на термопластичне еластомерне подлоге стирен-етилен-бутадиен-стирен (СЕБС) (~ 2 цм широке и ~ 5 цм дугачке), а проводљивост је мерена док се супстрат растезао (види материјале и методе) и управно и паралелно са смером струјања (сл. 2, Б и Ц).Електрично понашање зависно од деформације побољшано је уградњом наноскролова и повећаним бројем слојева графена.На пример, када је деформација окомита на струјни ток, за једнослојни графен, додавање свитака повећало је деформацију при електричном лому са 5 на 70%.Толеранција деформације трослојног графена је такође значајно побољшана у поређењу са једнослојним графеном.Са наносвојцима, при 100% управном напрезању, отпор трослојне МГГ структуре се повећао само за 50%, у поређењу са 300% за трослојни графен без свитака.Испитивана је промена отпора при цикличном оптерећењу деформацијом.Поређења ради (слика 2Д), отпори обичног двослојног графенског филма су се повећали око 7,5 пута након ~700 циклуса при 50% управном напрезању и наставили да расту са напрезањем у сваком циклусу.С друге стране, отпор двослојног МГГ-а се повећао само око 2,5 пута након ~700 циклуса.Применом до 90% напрезања у паралелном правцу, отпор трослојног графена се повећао ~100 пута након 1000 циклуса, док је само ~8 пута у трослојном МГГ (слика 2Е).Резултати бициклизма су приказани на сл.С7.Релативно брже повећање отпора дуж паралелног правца деформације је због тога што је оријентација пукотина окомита на смер струјања.Девијација отпора током напрезања оптерећења и растерећења је последица вискоеластичног опоравка СЕБС еластомерне подлоге.Стабилнији отпор МГГ трака током циклуса је због присуства великих свитака који могу премостити напукле делове графена (као што је приметио АФМ), помажући да се одржи перколациони пут.Овај феномен одржавања проводљивости путем перколационог пута је раније забележен за напукле металне или полупроводничке филмове на еластомерним подлогама (40, 41).
Да бисмо проценили ове филмове засноване на графену као електроде капије у растегљивим уређајима, покрили смо слој графена са СЕБС диелектричним слојем (дебљине 2 μм) и пратили промену диелектричне капацитивности као функцију напрезања (види слику 2Ф и додатне материјале за детаљи).Приметили смо да су се капацитети са обичним једнослојним и двослојним графенским електродама брзо смањили због губитка проводљивости графена у равни.Насупрот томе, капацитивности које су гајили МГГ као и обични трослојни графен показали су повећање капацитивности са деформацијом, што се очекује због смањења дебљине диелектрика са напрезањем.Очекивани пораст капацитивности се веома добро поклапао са МГГ структуром (слика С8).Ово указује да је МГГ погодан као електрода капије за растезљиве транзисторе.
Да бисмо даље истражили улогу 1Д графенског свитка на толеранцију напрезања електричне проводљивости и бољу контролу раздвајања између слојева графена, користили смо ЦНТ-ове обложене спрејом да заменимо графенске свитке (погледајте Додатни материјали).Да бисмо опонашали МГГ структуре, депоновали смо три густине ЦНТ-а (то јест, ЦНТ1
(А до Ц) АФМ слике три различите густине ЦНТ-а (ЦНТ1
Да бисмо даље разумели њихову способност као електроде за растезљиву електронику, систематски смо истраживали морфологије МГГ и Г-ЦНТ-Г под напрезањем.Оптичка микроскопија и скенирајућа електронска микроскопија (СЕМ) нису ефикасне методе карактеризације јер обема недостаје контраст боја и СЕМ је подложан артефактима слике током електронског скенирања када је графен на полимерним подлогама (слике С9 и С10).Да бисмо посматрали ин ситу површину графена под напрезањем, прикупили смо АФМ мерења на трослојним МГГ и обичном графену након преношења на веома танке (~ 0,1 мм дебљине) и еластичне СЕБС подлоге.Због унутрашњих дефеката у ЦВД графену и спољашњих оштећења током процеса преноса, пукотине се неизбежно стварају на напрегнутом графену, а са повећањем напрезања, пукотине су постајале све гушће (Слика 4, А до Д).У зависности од структуре слагања електрода на бази угљеника, пукотине показују различите морфологије (слика С11) (27).Густина површине пукотине (дефинисана као површина пукотине/анализирана област) вишеслојног графена је мања од оне код једнослојног графена након напрезања, што је у складу са повећањем електричне проводљивости за МГГ.С друге стране, често се примећују свитци да премосте пукотине, обезбеђујући додатне проводне путеве у напетом филму.На пример, као што је означено на слици на слици 4Б, широки свитак је прешао преко пукотине у трослојном МГГ, али у обичном графену није примећен свитак (слика 4, Е до Х).Слично, ЦНТ-ови су такође премостили пукотине у графену (слика С11).Густина подручја пукотина, густина подручја скроловања и храпавост филмова сумирани су на слици 4К.
(А до Х) Ин ситу АФМ слике трослојних Г/Г свитака (А до Д) и трослојних Г структура (Е до Х) на веома танком СЕБС (~0,1 мм дебљине) еластомеру на 0, 20, 60 и 100 % напрезања.Репрезентативне пукотине и свици су уперени стрелицама.Све АФМ слике су у области од 15 μм × 15 μм, користећи исту траку скале боја као што је означено.(И) Симулација геометрије узоркованих једнослојних графенских електрода на СЕБС супстрату.(Ј) Симулација контурне мапе максималног главног логаритамског напрезања у једнослојном графену и СЕБС супстрату при 20% спољне деформације.(К) Поређење густине површине пукотина (црвена колона), густине области померања (жута колона) и храпавости површине (плава колона) за различите структуре графена.
Када се МГГ филмови растегну, постоји важан додатни механизам да свитци могу премостити напукле делове графена, одржавајући перколирајућу мрежу.Графенски свитци обећавају јер могу бити десетине микрометара у дужини и стога способни да премосте пукотине које су типично до микрометарске скале.Штавише, пошто се свици састоје од више слојева графена, очекује се да ће имати низак отпор.За поређење, релативно густе (ниже пропусне) ЦНТ мреже су потребне да обезбеде упоредиву проводну способност премошћавања, пошто су ЦНТ мањи (обично неколико микрометара у дужини) и мање проводљиви од скролова.С друге стране, као што је приказано на сл.С12, док графен пуца током истезања како би се прилагодио напрезању, свитци не пуцају, што указује да би потоњи могао клизити по графену испод.Разлог зашто не пуцају је вероватно због смотане структуре, састављене од много слојева графена (~1 до 20 μм дужине, ~0,1 до 1 μм широке и ~10 до 100 нм висине), која има виши ефективни модул од једнослојног графена.Како су известили Греен и Херсам (42), металне ЦНТ мреже (пречник цеви од 1,0 нм) могу постићи ниске отпоре плоча <100 ома/ск упркос великом отпору споја између ЦНТ-а.Узимајући у обзир да наши графенски свитци имају ширину од 0,1 до 1 μм и да Г/Г свитци имају много веће контактне површине од ЦНТ-а, контактни отпор и контактна површина између графена и графенских свитака не би требало да буду ограничавајући фактори за одржавање високе проводљивости.
Графен има много већи модул од СЕБС супстрата.Иако је ефективна дебљина графенске електроде много нижа од дебљине супстрата, крутост графена помножена са његовом дебљином је упоредива са дебљином супстрата (43, 44), што резултира умереним ефектом крутог острва.Симулирали смо деформацију графена дебљине 1 нм на СЕБС супстрату (погледајте додатне материјале за детаље).Према резултатима симулације, када се 20% деформација примени на СЕБС супстрат споља, просечна деформација у графену је ~6,6% (слика 4Ј и слика С13Д), што је у складу са експерименталним запажањима (види слику С13) .Упоредили смо сој у областима графена и супстрата помоћу оптичке микроскопије и открили да је сој у региону супстрата најмање двоструко већи од соја у региону графена.Ово указује да би напрезање примењено на узорцима графенских електрода могло бити значајно ограничено, формирајући графенска крута острва на врху СЕБС-а (26, 43, 44).
Према томе, способност МГГ електрода да одрже високу проводљивост под великим напрезањем вероватно омогућавају два главна механизма: (и) свитци могу да премосте неповезане регионе да би одржали проводни пут перколације, и (ии) вишеслојни листови графена/еластомер могу клизити један преко другог, што резултира смањеним напрезањем на графенским електродама.За више слојева пренешеног графена на еластомеру, слојеви нису јако повезани један са другим, што може да клизи као одговор на напрезање (27).Свитци су такође повећали храпавост слојева графена, што може помоћи да се повећа раздвајање између слојева графена и стога омогући клизање слојева графена.
Потпуно угљенични уређаји се с ентузијазмом траже због ниске цене и велике пропусности.У нашем случају, потпуно угљенични транзистори су произведени коришћењем доње графенске капије, горњег контакта извора/одвода графена, сортираног ЦНТ полупроводника и СЕБС-а као диелектрика (слика 5А).Као што је приказано на слици 5Б, потпуно угљенични уређај са ЦНТ-овима као извором/дреном и капијом (доњи уређај) је непрозирнији од уређаја са графенским електродама (горњи уређај).То је зато што ЦНТ мреже захтевају веће дебљине и, последично, ниже оптичке пропустљивости да би се постигле отпорности плоча сличне онима код графена (слика С4).Слика 5 (Ц и Д) приказује репрезентативне криве преноса и излаза пре напрезања за транзистор направљен са двослојним МГГ електродама.Ширина канала и дужина ненапрегнутог транзистора биле су 800 и 100 μм, респективно.Измерени однос укључивања и искључивања је већи од 103 са укљученим и искљученим струјама на нивоима од 10−5 и 10−8 А, респективно.Излазна крива показује идеалне линеарне и режиме засићења са јасном зависношћу од напона капије, што указује на идеалан контакт између ЦНТ-а и графенских електрода (45).Уочено је да је контактни отпор са графенским електродама мањи него код испареног Ау филма (види слику С14).Покретљивост засићења растезљивог транзистора је око 5,6 цм2/Вс, слично као код истих полимерно сортираних ЦНТ транзистора на крутим Си супстратима са 300-нм СиО2 као диелектричним слојем.Даље побољшање мобилности могуће је са оптимизованом густином цеви и другим типовима цеви (46).
(А) Шема растезљивог транзистора на бази графена.СВНТ, угљеничне наноцеви са једним зидом.(Б) Фотографија растезљивих транзистора направљених од графенских електрода (горе) и ЦНТ електрода (доле).Разлика у транспарентности је јасно приметна.( Ц и Д) Криве преноса и излаза транзистора заснованог на графену на СЕБС пре напрезања.(Е и Ф) Криве преноса, укључена и искључена струја, однос укључивања и искључивања и мобилност транзистора заснованог на графену при различитим напонима.
Када је провидни, потпуно угљенични уређај растегнут у правцу паралелном са смером транспорта наелектрисања, примећена је минимална деградација до 120% деформације.Током истезања, покретљивост се континуирано смањивала са 5,6 цм2/Вс при 0% напрезању на 2,5 цм2/Вс при 120% напрезању (слика 5Ф).Такође смо упоредили перформансе транзистора за различите дужине канала (погледајте табелу С1).Приметно, при напрезању од чак 105%, сви ови транзистори су и даље показивали висок однос укључивања/искључивања (>103) и покретљивост (>3 цм2/Вс).Поред тога, сумирали смо све недавне радове на транзисторима који садрже потпуно угљеник (видети табелу С2) (47–52).Оптимизацијом производње уређаја на еластомерима и коришћењем МГГ-а као контаката, наши транзистори са потпуно угљеником показују добре перформансе у смислу мобилности и хистерезе, као и веома растезљиви.
Као примену потпуно провидног и растегљивог транзистора, користили смо га за контролу пребацивања ЛЕД диода (слика 6А).Као што је приказано на слици 6Б, зелена ЛЕД диода се може јасно видети кроз растезљиви потпуно угљенични уређај постављен директно изнад.Док се растеже до ~100% (слика 6, Ц и Д), интензитет ЛЕД светла се не мења, што је у складу са перформансама транзистора описаним изнад (погледајте филм С1).Ово је први извештај о растезљивим контролним јединицама направљеним коришћењем графенских електрода, демонстрирајући нову могућност за растезљиву електронику графена.
(А) Коло транзистора за покретање ЛЕД-а.ГНД, уземљење.(Б) Фотографија растезљивог и провидног транзистора са пуним угљеником при 0% напрезања постављеног изнад зелене ЛЕД диоде.(Ц) Прозирни и растезљиви транзистор од потпуно угљеника који се користи за пребацивање ЛЕД-а се монтира изнад ЛЕД диоде на 0% (лево) и ~100% напрезање (десно).Беле стрелице указују на жуте маркере на уређају како би приказале промену удаљености која се растеже.(Д) Поглед са стране на растегнути транзистор, са ЛЕД диодом гурнутим у еластомер.
У закључку, развили смо провидну проводну структуру графена која одржава високу проводљивост под великим напрезањима као растезљиве електроде, омогућену графенским наноскроловима између наслаганих слојева графена.Ове двослојне и трослојне МГГ електродне структуре на еластомеру могу да одржавају 21 односно 65%, респективно, од својих 0% проводљивости деформације при напрезању до 100%, у поређењу са потпуним губитком проводљивости при деформацији од 5% за типичне једнослојне графенске електроде .Додатне проводне путање графенских свитака, као и слаба интеракција између пренетих слојева доприносе супериорној стабилности проводљивости под напрезањем.Даље смо применили ову графенску структуру за производњу растезљивих транзистора од потпуно угљеника.До сада, ово је најрастегљивији транзистор заснован на графену са најбољом транспарентношћу без коришћења извијања.Иако је ова студија спроведена да би се омогућио графен за растезљиву електронику, верујемо да се овај приступ може проширити на друге 2Д материјале како би се омогућила растезљива 2Д електроника.
ЦВД графен велике површине је узгајан на суспендованим Цу фолијама (99,999%; Алфа Аесар) под константним притиском од 0,5 мторр са 50-СЦЦМ (стандардни кубни центиметар у минути) ЦХ4 и 20-СЦЦМ Х2 као прекурсорима на 1000 ° Ц.Обе стране Цу фолије биле су прекривене једнослојним графеном.Танак слој ПММА (2000 о/мин; А4, Мицроцхем) је центрифугиран на једној страни Цу фолије, формирајући ПММА/Г/Цу фолију/Г структуру.затим, цео филм је натопљен у 0,1 М раствор амонијум персулфата [(НХ4)2С2О8] око 2 сата да би се уклонила Цу фолија.Током овог процеса, незаштићени графен са задње стране је прво поцепао дуж граница зрна, а затим се смотао у свитке због површинске напетости.Свитци су причвршћени на горњи графенски филм подржан од ПММА, формирајући ПММА / Г / Г свитке.Филмови су затим неколико пута испрани у дејонизованој води и положени на циљну подлогу, као што је чврста СиО2/Си или пластична подлога.Чим се причвршћени филм осушио на подлози, узорак је узастопно натопљен ацетоном, 1:1 ацетон/ИПА (изопропил алкохол) и ИПА током 30 с да би се уклонио ПММА.Филмови су загревани на 100 ° Ц током 15 минута или држани у вакууму преко ноћи да би се потпуно уклонила заробљена вода пре него што је на њега пренет други слој Г/Г свитка.Овај корак је био да се избегне одвајање графенског филма од подлоге и обезбеди потпуна покривеност МГГ током ослобађања слоја ПММА носача.
Морфологија МГГ структуре је посматрана помоћу оптичког микроскопа (Леица) и скенирајућег електронског микроскопа (1 кВ; ФЕИ).Микроскоп атомске силе (Наноскоп ИИИ, Дигитални инструмент) је коришћен у режиму тапкања да би се посматрали детаљи Г свитака.Транспарентност филма је тестирана ултраљубичастим спектрометром (Агилент Цари 6000и).За тестове када је деформација била дуж окомитог правца струјања, коришћена је фотолитографија и О2 плазма да се структуре графена обликују у траке (~300 μм широке и ~2000 μм дугачке), а Ау (50 нм) електроде су термички депоноване коришћењем маске сенке на оба краја дугачке стране.Графенске траке су затим стављене у контакт са СЕБС еластомером (~ 2 цм ширине и ~ 5 цм дужине), са дугом осом трака паралелно са кратком страном СЕБС-а, праћеном БОЕ (пуферованим оксидним јеткањем) (ХФ: Х2О 1:6) јеткање и еутектички галијум индијум (ЕГаИн) као електрични контакти.За тестове паралелних деформација, графенске структуре без узорка (~ 5 × 10 мм) су пренете на СЕБС супстрате, са дугим осама паралелним са дугом страном СЕБС супстрата.У оба случаја, цео Г (без Г скролова)/СЕБС је био растегнут дуж дугачке стране еластомера у ручном апарату, а на лицу места смо мерили њихове промене отпора под оптерећењем на сонди са полупроводничким анализатором (Кеитхлеи 4200). -СЦС).
Високо растезљиви и транспарентни транзистори са пуним угљеником на еластичној подлози произведени су следећим поступцима да би се избегло оштећење полимерног диелектрика и супстрата органским растварачем.МГГ структуре су пренете на СЕБС као електроде капије.Да би се добио униформни танкослојни полимерни диелектрични слој (дебљине 2 μм), раствор СЕБС толуена (80 мг/мл) је центрифугиран на октадецилтрихлоросилану (ОТС)-модификованом СиО2/Си супстрату на 1000 о/мин током 1 мин.Танак диелектрични филм се може лако пренети са хидрофобне ОТС површине на СЕБС супстрат прекривен припремљеним графеном.Кондензатор би се могао направити постављањем горње електроде од течног метала (ЕГаИн; Сигма-Алдрицх) да би се одредио капацитет као функција напрезања помоћу ЛЦР (индуктивност, капацитивност, отпор) мерача (Агилент).Други део транзистора се састојао од полимерно сортираних полупроводничких ЦНТ-ова, пратећи претходно наведене процедуре (53).Изворне/одводне електроде са узорком су произведене на крутим СиО2/Си подлогама.Након тога, два дела, диелектрик/Г/СЕБС и ЦНТс/сликани Г/СиО2/Си, ламинирани су један на други и натопљени у БОЕ да би се уклонила крута СиО2/Си подлога.Тако су произведени потпуно провидни и растезљиви транзистори.Електрично испитивање под напрезањем изведено је на ручној поставци истезања као горе поменута метода.
Додатни материјал за овај чланак доступан је на хттп://адванцес.сциенцемаг.орг/цги/цонтент/фулл/3/9/е1700159/ДЦ1
шипак.С1.Оптички микроскопски снимци монослојног МГГ на СиО2/Си супстратима при различитим увећањима.
шипак.С4.Поређење отпора и пропустљивости плоча са две сонде @550 нм моно-, дво- и трослојног обичног графена (црни квадрати), МГГ (црвени кругови) и ЦНТ (плави троугао).
шипак.С7.Нормализована промена отпора једнослојних и двослојних МГГ (црних) и Г (црвених) под ~1000 цикличног оптерећења до 40 и 90% паралелног напрезања, респективно.
шипак.С10.СЕМ слика трослојног МГГ-а на СЕБС еластомеру након напрезања, приказује дугачак померљиви крст преко неколико пукотина.
шипак.С12.АФМ слика трослојног МГГ на веома танком СЕБС еластомеру при 20% деформације, показујући да је свитак прешао преко пукотине.
табела С1.Покретљивости двослојних МГГ-транзистора од угљеничних наноцеви са једним зидом на различитим дужинама канала пре и после напрезања.
Ово је чланак отвореног приступа који се дистрибуира под условима лиценце Цреативе Цоммонс Аттрибутион-НонЦоммерциал, која дозвољава употребу, дистрибуцију и репродукцију у било ком медију, све док резултирајућа употреба није у комерцијалне сврхе и под условом да је оригинално дело исправно навео.
НАПОМЕНА: Вашу адресу е-поште захтевамо само да би особа којој препоручујете страницу знала да сте желели да је види и да то није нежељена пошта.Не хватамо ниједну адресу е-поште.
Ово питање је за тестирање да ли сте човек или не и за спречавање аутоматизованог слања нежељене поште.
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 поста: 28.01.2021