Materialele bidimensionale, cum ar fi grafenul, sunt atractive atât pentru aplicațiile semiconductoare convenționale, cât și pentru aplicațiile în curs de dezvoltare în electronica flexibilă.Cu toate acestea, rezistența mare la tracțiune a grafenului are ca rezultat fracturarea la deformare scăzută, ceea ce face dificil să profitați de proprietățile sale electronice extraordinare în electronicele extensibile.Pentru a permite o performanță excelentă, dependentă de efort, a conductorilor de grafen transparent, am creat nanoscrolluri de grafen între straturi de grafen stivuite, denumite volute multistrat de grafen/grafen (MGG).Sub tensiune, unele suluri au realizat o punte între domeniile fragmentate ale grafenului pentru a menține o rețea de percolare care a permis o conductivitate excelentă la solicitări mari.MGG-urile tristrat susținute pe elastomeri și-au păstrat 65% din conductanța lor inițială la 100% deformare, care este perpendiculară pe direcția fluxului curent, în timp ce filmele tristrat de grafen fără nanoscroll-uri au păstrat doar 25% din conductanța lor inițială.Un tranzistor extensibil din carbon fabricat folosind MGG-uri ca electrozi a prezentat o transmisie de > 90% și a reținut 60% din curentul său original de ieșire la 120% deformare (paralel cu direcția de transport al sarcinii).Acești tranzistori din carbon extrem de elastici și transparente ar putea permite optoelectronice extensibile sofisticate.
Electronica transparentă extensibilă este un domeniu în creștere care are aplicații importante în sistemele biointegrate avansate (1, 2), precum și potențialul de a se integra cu optoelectronica extensibilă (3, 4) pentru a produce robotică și afișaje soft sofisticate.Grafenul prezintă proprietăți foarte dorite de grosime atomică, transparență ridicată și conductivitate ridicată, dar implementarea sa în aplicații extensibile a fost inhibată de tendința sa de a crapa la deformații mici.Depășirea limitărilor mecanice ale grafenului ar putea permite noi funcționalități în dispozitivele transparente extensibile.
Proprietățile unice ale grafenului îl fac un candidat puternic pentru următoarea generație de electrozi conductivi transparenți (5, 6).Comparativ cu cel mai frecvent utilizat conductor transparent, oxidul de indiu staniu [ITO;100 ohmi/pătrat (sq) la 90% transparență], grafenul monostrat crescut prin depunere chimică de vapori (CVD) are o combinație similară de rezistență a foii (125 ohmi/sq) și transparență (97,4%) (5).În plus, filmele cu grafen au o flexibilitate extraordinară în comparație cu ITO (7).De exemplu, pe un substrat din plastic, conductanța acestuia poate fi reținută chiar și pentru o rază de curbură de curbură de 0,8 mm (8).Pentru a-și îmbunătăți și mai mult performanța electrică ca conductor transparent flexibil, lucrările anterioare au dezvoltat materiale hibride de grafen cu nanofire de argint unidimensionale (1D) sau nanotuburi de carbon (CNT) (9-11).Mai mult, grafenul a fost folosit ca electrozi pentru semiconductori heterostructurali cu dimensiuni mixte (cum ar fi 2D bulk Si, nanofire/nanotuburi 1D și puncte cuantice 0D) (12), tranzistori flexibili, celule solare și diode emițătoare de lumină (LED-uri) (13) –23).
Deși grafenul a arătat rezultate promițătoare pentru electronicele flexibile, aplicarea sa în electronicele extensibile a fost limitată de proprietățile sale mecanice (17, 24, 25);grafenul are o rigiditate în plan de 340 N/m și un modul Young de 0,5 TPa ( 26).Rețeaua puternică carbon-carbon nu oferă niciun mecanism de disipare a energiei pentru solicitarea aplicată și, prin urmare, se fisurează ușor la mai puțin de 5% deformare.De exemplu, grafenul CVD transferat pe un substrat elastic de polidimetilsiloxan (PDMS) își poate menține conductivitatea doar la o tensiune mai mică de 6% (8).Calculele teoretice arată că mototolirea și interacțiunea dintre diferitele straturi ar trebui să scadă puternic rigiditatea (26).Prin stivuirea grafenului în mai multe straturi, se raportează că acest grafen bi- sau tristrat este extensibil la 30% deformare, prezentând o schimbare a rezistenței de 13 ori mai mică decât cea a grafenului monostrat (27).Cu toate acestea, această extensibilitate este încă semnificativ inferioară conductoarelor extensibile de ultimă generație (28, 29).
Tranzistorii sunt importanți în aplicațiile extensibile, deoarece permit citirea sofisticată a senzorului și analiza semnalului (30, 31).Tranzistoarele pe PDMS cu grafen multistrat ca electrozi sursă/dren și material canal pot menține funcția electrică cu până la 5% tensiune (32), care este semnificativ sub valoarea minimă necesară (~50%) pentru senzorii portabili de monitorizare a sănătății și pielea electronică ( 33, 34).Recent, a fost explorată o abordare cu grafen kirigami, iar tranzistorul încadrat de un electrolit lichid poate fi întins până la 240% (35).Cu toate acestea, această metodă necesită grafen suspendat, ceea ce complică procesul de fabricație.
Aici, obținem dispozitive cu grafen foarte extensibile prin intercalarea volutelor de grafen (~1 până la 20 μm lungime, ~0,1 până la 1 μm lățime și ~10 până la 100 nm înălțime) între straturile de grafen.Emitem ipoteza că aceste suluri de grafen ar putea oferi căi conductoare pentru a acoperi fisurile din foile de grafen, menținând astfel o conductivitate ridicată sub presiune.Pergamentele de grafen nu necesită sinteză sau proces suplimentar;se formează în mod natural în timpul procedurii de transfer umed.Folosind electrozi extensibili de grafen (sursă/dren și poartă) multistrat G/G (grafen/grafen) scroll (MGG) și CNT-uri semiconductoare, am putut demonstra tranzistori din carbon extrem de transparenți și foarte extensibili, care pot fi extinși la 120 % deformare (paralel cu direcția de transport a sarcinii) și păstrează 60 % din curentul de ieșire inițial.Acesta este cel mai extensibil tranzistor transparent pe bază de carbon de până acum și oferă suficient curent pentru a conduce un LED anorganic.
Pentru a permite electrozi de grafen extensibili transparenți de suprafață mare, am ales grafenul crescut cu CVD pe folie de Cu.Folia de Cu a fost suspendată în centrul unui tub de cuarț CVD pentru a permite creșterea grafenului pe ambele părți, formând structuri G/Cu/G.Pentru a transfera grafenul, mai întâi am acoperit prin centrifugare un strat subțire de poli(metacrilat de metil) (PMMA) pentru a proteja o parte a grafenului, pe care am numit-o partea superioară a grafenului (diversa pentru cealaltă parte a grafenului) și, ulterior, întregul film (PMMA/grafen superior/Cu/grafen inferior) a fost înmuiat în soluție de (NH4)2S2O8 pentru a grava folia de Cu.Grafenul din partea inferioară fără stratul de PMMA va avea inevitabil fisuri și defecte care permit pătrunderea unui agent de gravare (36, 37).După cum este ilustrat în Fig. 1A, sub efectul tensiunii superficiale, domeniile de grafen eliberate s-au rulat în suluri și s-au atașat ulterior pe filmul G/PMMA rămas.Volurile de sus-G/G pot fi transferate pe orice substrat, cum ar fi SiO2/Si, sticlă sau polimer moale.Repetarea acestui proces de transfer de mai multe ori pe același substrat dă structuri MGG.
(A) Ilustrare schematică a procedurii de fabricație pentru MGG-uri ca electrod extensibil.În timpul transferului de grafen, grafenul din spate de pe folia de Cu a fost spart la granițe și defecte, rulat în forme arbitrare și strâns atașat pe peliculele superioare, formând nanoscrolluri.Al patrulea desen animat prezintă structura MGG stivuită.(B și C) Caracterizări TEM de înaltă rezoluție ale unui MGG monostrat, concentrându-se pe grafenul monostrat (B) și, respectiv, pe regiunea scroll (C).Inserția lui (B) este o imagine cu mărire redusă care arată morfologia generală a MGG-urilor monostrat pe grila TEM.Inserturile lui (C) sunt profilele de intensitate luate de-a lungul casetelor dreptunghiulare indicate în imagine, unde distanțele dintre planurile atomice sunt 0,34 și 0,41 nm.(D) Spectrul EEL cu marginea K de carbon cu vârfurile grafitice caracteristice π* și σ* etichetate.(E) Imagine secțională AFM a defilărilor monostrat G/G cu un profil de înălțime de-a lungul liniei punctate galbene.(F la I) Microscopie optică și imagini AFM ale tristratului G fără (F și H) și cu suluri (G și I) pe substraturi SiO2/Si de 300 nm grosime, respectiv.Pergamentele și ridurile reprezentative au fost etichetate pentru a evidenția diferențele lor.
Pentru a verifica dacă sulurile sunt grafen laminate în natură, am efectuat studii de microscopie electronică cu transmisie de înaltă rezoluție (TEM) și spectroscopie de pierdere a energiei electronice (EEL) pe structurile de rulare monostrat G/G.Figura 1B arată structura hexagonală a unui grafen monostrat, iar insertul este o morfologie generală a filmului acoperit pe o singură gaură de carbon a rețelei TEM.Grafenul monostrat se întinde pe cea mai mare parte a rețelei și apar niște fulgi de grafen în prezența mai multor stive de inele hexagonale (Fig. 1B).Făcând zoom într-un pergament individual (Fig. 1C), am observat o cantitate mare de franjuri ale rețelei de grafen, cu distanța dintre rețele în intervalul 0,34 până la 0,41 nm.Aceste măsurători sugerează că fulgii sunt rulați aleatoriu și nu sunt grafit perfect, care are o distanță între rețea de 0,34 nm în stivuirea stratului „ABAB”.Figura 1D prezintă spectrul de carbon K-edge EEL, unde vârful la 285 eV provine din orbitalul π*, iar celălalt în jurul a 290 eV se datorează tranziției orbitalului σ*.Se poate observa că legătura sp2 domină în această structură, verificând faptul că sulurile sunt foarte grafitice.
Imaginile de microscopie optică și de microscopie de forță atomică (AFM) oferă o perspectivă asupra distribuției nanoscroll-urilor de grafen în MGG-uri (Fig. 1, E la G și figurile S1 și S2).Scroll-urile sunt distribuite aleatoriu pe suprafață, iar densitatea lor în plan crește proporțional cu numărul de straturi stivuite.Multe suluri sunt încurcate în noduri și prezintă înălțimi neuniforme în intervalul de la 10 la 100 nm.Au 1 până la 20 μm lungime și 0,1 până la 1 μm lățime, în funcție de dimensiunile fulgilor inițiali de grafen.După cum se arată în Fig. 1 (H și I), sulurile au dimensiuni semnificativ mai mari decât ridurile, ceea ce duce la o interfață mult mai aspră între straturile de grafen.
Pentru a măsura proprietățile electrice, am modelat filme de grafen cu sau fără structuri de rulare și stivuirea straturilor în benzi de 300 μm lățime și 2000 μm lungime folosind fotolitografie.Rezistențele cu două sonde în funcție de deformare au fost măsurate în condiții ambientale.Prezența volutelor a redus rezistivitatea grafenului monostrat cu 80%, cu o scădere de doar 2,2% a transmitanței (fig. S4).Acest lucru confirmă faptul că nanoscroll-urile, care au o densitate mare de curent de până la 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), au o contribuție electrică foarte pozitivă la MGG.Dintre toate grafenul simplu și MGG mono-, bi- și tristrat, MGG-ul tristrat are cea mai bună conductanță, cu o transparență de aproape 90%.Pentru a compara cu alte surse de grafen raportate în literatură, am măsurat și rezistențele foilor cu patru sonde (fig. S5) și le-am enumerat în funcție de transmitanța la 550 nm (fig. S6) în Fig. 2A.MGG prezintă o conductivitate și o transparență comparabile sau mai mari decât grafenul simplu multistrat stivuit artificial și oxidul de grafen redus (RGO) (6, 8, 18).Rețineți că rezistențele foilor ale grafenului simplu multistrat stivuit artificial din literatură sunt ușor mai mari decât cele ale MGG-ului nostru, probabil din cauza condițiilor de creștere neoptimizate și a metodei de transfer.
(A) Rezistența foii cu patru sonde față de transmitanța la 550 nm pentru mai multe tipuri de grafen, unde pătratele negre denotă MGG mono-, bi- și tristrat;Cercurile roșii și triunghiurile albastre corespund cu grafenul simplu multistrat crescut pe Cu și Ni din studiile lui Li și colab.(6) și Kim și colab.(8), respectiv, și ulterior transferat pe SiO2/Si sau cuarț;iar triunghiurile verzi sunt valori pentru RGO la diferite grade reducătoare din studiul lui Bonaccorso et al.(18).(B și C) Schimbarea normalizată a rezistenței a MGG-urilor mono, bi- și tristraturilor și G ca o funcție a tensiunii perpendiculare (B) și paralele (C) pe direcția curgerii curentului.(D) Schimbarea normalizată a rezistenței a stratului dublu G (roșu) și MGG (negru) sub încărcare ciclică de până la 50% deformare perpendiculară.(E) Schimbare normalizată a rezistenței a tristratului G (roșu) și MGG (negru) sub încărcare ciclică de deformare până la 90% deformare paralelă.(F) Schimbarea normalizată a capacității a mono-, bi- și tristrat G și MGG-uri bi- și tristrat ca o funcție a deformarii.Inserția este structura condensatorului, unde substratul polimeric este SEBS și stratul dielectric polimeric este SEBS de 2 μm grosime.
Pentru a evalua performanța dependentă de deformare a MGG, am transferat grafenul pe substraturi din elastomer termoplastic stiren-etilenă-butadienă-stiren (SEBS) (~2 cm lățime și ~5 cm lungime), iar conductivitatea a fost măsurată pe măsură ce substratul a fost întins. (vezi Materiale și metode) atât perpendiculare cât și paralele pe direcția fluxului de curent (Fig. 2, B și C).Comportamentul electric dependent de tulpină s-a îmbunătățit odată cu încorporarea nanoscroll-urilor și creșterea numărului de straturi de grafen.De exemplu, când deformarea este perpendiculară pe curgerea curentului, pentru grafenul monostrat, adăugarea de volute a crescut deformarea la rupere electrică de la 5 la 70%.Toleranța la deformare a grafenului tristrat este, de asemenea, îmbunătățită semnificativ în comparație cu grafenul monostrat.Cu nanoscroll-uri, la o tensiune perpendiculară de 100%, rezistența structurii tristrat MGG a crescut doar cu 50%, în comparație cu 300% pentru grafenul tristrat fără suluri.S-a investigat modificarea rezistenței sub sarcină ciclică de deformare.Pentru comparație (Fig. 2D), rezistențele unui film simplu de grafen cu două straturi au crescut de aproximativ 7,5 ori după ~ 700 de cicluri la 50% deformare perpendiculară și au continuat să crească cu deformarea în fiecare ciclu.Pe de altă parte, rezistența unui MGG cu două straturi a crescut doar de aproximativ 2,5 ori după ~700 de cicluri.Aplicând o tensiune de până la 90% de-a lungul direcției paralele, rezistența grafenului tristrat a crescut de ~100 de ori după 1000 de cicluri, în timp ce este de numai ~8 ori într-un MGG tristrat (Fig. 2E).Rezultatele ciclismului sunt prezentate în fig.S7.Creșterea relativ mai rapidă a rezistenței de-a lungul direcției de deformare paralelă se datorează faptului că orientarea fisurilor este perpendiculară pe direcția curgerii curentului.Abaterea rezistenței în timpul solicitării de încărcare și descărcare se datorează recuperării vâscoelastice a substratului elastomer SEBS.Rezistența mai stabilă a benzilor MGG în timpul ciclării se datorează prezenței unor suluri mari care pot acoperi părțile fisurate ale grafenului (așa cum a observat AFM), ajutând la menținerea unei căi de percolare.Acest fenomen de menținere a conductibilității printr-o cale de percolare a fost raportat anterior pentru metale fisurate sau filmele semiconductoare pe substraturi elastomerice (40, 41).
Pentru a evalua aceste filme pe bază de grafen ca electrozi de poartă în dispozitive extensibile, am acoperit stratul de grafen cu un strat dielectric SEBS (2 μm gros) și am monitorizat modificarea capacității dielectrice în funcție de deformare (vezi Fig. 2F și Materialele suplimentare pentru Detalii).Am observat că capacitățile cu electrozi simple de grafen monostrat și dublu strat au scăzut rapid din cauza pierderii conductivității în plan a grafenului.Spre deosebire de aceasta, capacitățile determinate de MGG-uri, precum și grafenul simplu tristrat au arătat o creștere a capacității cu deformare, care este de așteptat din cauza reducerii grosimii dielectricului cu deformare.Creșterea așteptată a capacității s-a potrivit foarte bine cu structura MGG (fig. S8).Acest lucru indică faptul că MGG este potrivit ca electrod de poartă pentru tranzistoarele extensibile.
Pentru a investiga în continuare rolul scroll-ului de grafen 1D asupra toleranței la deformare a conductivității electrice și pentru a controla mai bine separarea dintre straturile de grafen, am folosit CNT-uri acoperite cu pulverizare pentru a înlocui sulurile de grafen (a se vedea Materiale suplimentare).Pentru a imita structurile MGG, am depus trei densități de CNT (adică CNT1
(A la C) Imagini AFM cu trei densități diferite de CNT (CNT1
Pentru a înțelege în continuare capacitatea lor ca electrozi pentru electronice extensibile, am investigat sistematic morfologiile MGG și G-CNT-G sub tensiune.Microscopia optică și microscopia electronică cu scanare (SEM) nu sunt metode eficiente de caracterizare, deoarece ambele lipsesc contrastul de culoare, iar SEM este supusă artefactelor de imagine în timpul scanării electronice atunci când grafenul se află pe substraturi polimerice (fig. S9 și S10).Pentru a observa in situ suprafața grafenului sub tensiune, am colectat măsurători AFM pe MGG-uri tristrat și grafen simplu după transferul pe substraturi SEBS foarte subțiri (~ 0,1 mm grosime) și elastice.Datorită defectelor intrinseci ale grafenului CVD și daunelor extrinseci în timpul procesului de transfer, fisurile sunt generate inevitabil pe grafenul tensionat și, odată cu creșterea tensiunii, fisurile au devenit mai dense (Fig. 4, A la D).În funcție de structura de stivuire a electrozilor pe bază de carbon, fisurile prezintă morfologii diferite (fig. S11) (27).Densitatea zonei de fisuri (definită ca zonă de fisuri/zona analizată) a grafenului multistrat este mai mică decât cea a grafenului monostrat după deformare, ceea ce este în concordanță cu creșterea conductibilității electrice pentru MGG.Pe de altă parte, se observă adesea suluri care unesc fisurile, oferind căi conductoare suplimentare în filmul tensionat.De exemplu, așa cum este etichetat în imaginea din Fig. 4B, un pergament larg s-a încrucișat peste o fisură din MGG tristrat, dar nu a fost observat nici un pergament în grafenul simplu (Fig. 4, E la H).În mod similar, CNT-urile au acoperit, de asemenea, fisurile din grafen (fig. S11).Densitatea zonei de fisurare, densitatea zonei de scroll și rugozitatea filmelor sunt rezumate în Fig. 4K.
(A la H) Imagini AFM in situ ale rulourilor G/G tristrat (A la D) și structurilor G tristrat (E la H) pe un elastomer SEBS foarte subțire (~ 0,1 mm grosime) la 0, 20, 60 și 100 % încordare.Crăpăturile și sulurile reprezentative sunt ascuțite cu săgeți.Toate imaginile AFM sunt într-o zonă de 15 μm × 15 μm, folosind aceeași bară de scară de culoare așa cum este etichetată.(I) Geometria de simulare a electrozilor de grafen monostrat modelați pe substratul SEBS.(J) Harta de contur de simulare a tulpinii logaritmice principale maxime în grafenul monostrat și substratul SEBS la 20% deformare externă.(K) Comparație între densitatea zonei fisurii (coloană roșie), densitatea zonei de defilare (coloană galbenă) și rugozitatea suprafeței (coloana albastră) pentru diferite structuri de grafen.
Când filmele MGG sunt întinse, există un mecanism suplimentar important prin care sulurile pot acoperi regiunile fisurate ale grafenului, menținând o rețea de percolare.Volurile de grafen sunt promițătoare, deoarece pot avea o lungime de zeci de micrometri și, prin urmare, pot acoperi fisurile care sunt de obicei la scară micrometrică.În plus, deoarece sulurile constau din mai multe straturi de grafen, se așteaptă ca acestea să aibă o rezistență scăzută.În comparație, rețelele CNT relativ dense (de transmisie mai scăzută) sunt necesare pentru a oferi o capacitate de legătură conductivă comparabilă, deoarece CNT-urile sunt mai mici (de obicei câțiva micrometri lungime) și mai puțin conductoare decât scroll-urile.Pe de altă parte, așa cum se arată în fig.S12, în timp ce grafenul se crăpă în timpul întinderii pentru a se adapta la efort, sulurile nu se crăpă, ceea ce indică faptul că acesta din urmă ar putea aluneca pe grafenul subiacent.Motivul pentru care nu se crăpă se datorează probabil structurii rulate, compuse din multe straturi de grafen (~1 până la 20 μm lungime, ~0,1 până la 1 μm lățime și ~10 până la 100 nm înălțime), care are un modul efectiv mai mare decât grafenul cu un singur strat.După cum au raportat Green și Hersam (42), rețelele metalice CNT (diametrul tubului de 1,0 nm) pot obține rezistențe scăzute ale foii <100 ohmi/mp, în ciuda rezistenței mari de joncțiune dintre CNT.Având în vedere că sulurile noastre de grafen au lățimi de 0,1 până la 1 μm și că sulurile G/G au zone de contact mult mai mari decât CNT-urile, rezistența de contact și aria de contact dintre sulurile de grafen și grafen nu ar trebui să fie factori limitatori pentru a menține o conductivitate ridicată.
Grafenul are un modul mult mai mare decât substratul SEBS.Deși grosimea efectivă a electrodului de grafen este mult mai mică decât cea a substratului, rigiditatea grafenului înmulțit cu grosimea sa este comparabilă cu cea a substratului (43, 44), rezultând un efect moderat de insulă rigidă.Am simulat deformarea unui grafen cu grosimea de 1 nm pe un substrat SEBS (a se vedea Materiale suplimentare pentru detalii).Conform rezultatelor simulării, atunci când tulpina de 20% este aplicată extern pe substratul SEBS, tulpina medie în grafen este de ~ 6,6% (Fig. 4J și fig. S13D), ceea ce este în concordanță cu observațiile experimentale (a se vedea fig. S13) .Am comparat tulpina din grafenul modelat și regiunile substrat folosind microscopia optică și am constatat că tulpina din regiunea substratului este de cel puțin două ori tulpina din regiunea grafenului.Acest lucru indică faptul că tensiunea aplicată pe modelele de electrozi de grafen ar putea fi limitată în mod semnificativ, formând insule rigide de grafen deasupra SEBS (26, 43, 44).
Prin urmare, capacitatea electrozilor MGG de a menține o conductivitate ridicată în condiții de solicitare ridicată este probabil posibilă de două mecanisme majore: (i) Sroll-urile pot face punte între regiunile deconectate pentru a menține o cale de percolare conductivă și (ii) foile de grafen/elastomerul multistrat pot aluneca unul peste altul, rezultând o tensiune redusă asupra electrozilor de grafen.Pentru mai multe straturi de grafen transferat pe elastomer, straturile nu sunt puternic atașate între ele, ceea ce poate aluneca ca răspuns la efort (27).Scroll-urile au crescut, de asemenea, rugozitatea straturilor de grafen, ceea ce poate ajuta la creșterea separației dintre straturile de grafen și, prin urmare, poate permite alunecarea straturilor de grafen.
Dispozitivele din carbon sunt urmărite cu entuziasm din cauza costului scăzut și a randamentului ridicat.În cazul nostru, tranzistoarele din carbon au fost fabricate folosind o poartă inferioară de grafen, un contact de sus sursă/dren de grafen, un semiconductor CNT sortat și SEBS ca dielectric (Fig. 5A).După cum se arată în Fig. 5B, un dispozitiv din carbon cu CNT-uri ca sursă/dren și poartă (dispozitiv de jos) este mai opac decât dispozitivul cu electrozi de grafen (dispozitiv de sus).Acest lucru se datorează faptului că rețelele CNT necesită grosimi mai mari și, în consecință, transmitanțe optice mai mici pentru a obține rezistențe de foi similare cu cea a grafenului (fig. S4).Figura 5 (C și D) prezintă curbele reprezentative de transfer și de ieșire înainte de deformare pentru un tranzistor realizat cu electrozi MGG dublu strat.Lățimea și lungimea canalului tranzistorului netensionat au fost de 800, respectiv 100 μm.Raportul pornit/oprit măsurat este mai mare de 103 cu curenți de pornire și oprire la niveluri de 10−5 și, respectiv, 10−8 A.Curba de ieșire prezintă regimuri liniare și de saturație ideale, cu dependență clară de tensiunea de poartă, indicând contactul ideal între CNT-uri și electrozii de grafen (45).S-a observat că rezistența de contact cu electrozii de grafen este mai mică decât cea cu filmul Au evaporat (vezi fig. S14).Mobilitatea de saturație a tranzistorului extensibil este de aproximativ 5,6 cm2/Vs, similară cu aceea a acelorași tranzistori CNT sortați de polimeri pe substraturi rigide de Si cu SiO2 de 300 nm ca strat dielectric.O îmbunătățire suplimentară a mobilității este posibilă cu densitatea optimizată a tubului și alte tipuri de tuburi ( 46).
(A) Schema tranzistorului extensibil pe bază de grafen.SWNT, nanotuburi de carbon cu un singur perete.(B) Fotografie a tranzistorilor extensibili din electrozi de grafen (sus) și electrozi CNT (jos).Diferența de transparență este clar vizibilă.(C și D) Curbele de transfer și de ieșire ale tranzistorului pe bază de grafen pe SEBS înainte de deformare.(E și F) Curbe de transfer, curent de pornire și oprire, raportul de pornire / oprire și mobilitatea tranzistorului pe bază de grafen la diferite tensiuni.
Când dispozitivul transparent, din carbon a fost întins în direcția paralelă cu direcția de transport a sarcinii, s-a observat o degradare minimă până la 120% deformare.În timpul întinderii, mobilitatea a scăzut continuu de la 5,6 cm2/Vs la 0% deformare la 2,5 cm2/Vs la 120% deformare (Fig. 5F).De asemenea, am comparat performanța tranzistorului pentru diferite lungimi de canal (a se vedea tabelul S1).În mod remarcabil, la o tensiune de până la 105%, toți acești tranzistori au încă prezentat un raport de pornire/oprire ridicat (>103) și mobilitate (>3 cm2/Vs).În plus, am rezumat toate lucrările recente privind tranzistoarele cu carbon complet (vezi tabelul S2) (47–52).Prin optimizarea fabricării dispozitivelor pe elastomeri și prin utilizarea MGG-urilor ca contacte, tranzistorii noștri din carbon prezintă o performanță bună în ceea ce privește mobilitatea și histerezis, precum și sunt foarte extensibili.
Ca o aplicație a tranzistorului complet transparent și extensibil, l-am folosit pentru a controla comutarea unui LED (Fig. 6A).După cum se arată în Fig. 6B, LED-ul verde poate fi văzut clar prin dispozitivul extensibil din carbon plasat direct deasupra.În timp ce se întinde la ~100% (Fig. 6, C și D), intensitatea luminii LED nu se modifică, ceea ce este în concordanță cu performanța tranzistorului descrisă mai sus (vezi filmul S1).Acesta este primul raport al unităților de control extensibile realizate folosind electrozi de grafen, care demonstrează o nouă posibilitate pentru electronicele extensibile de grafen.
(A) Circuitul unui tranzistor pentru a conduce LED-ul.GND, masă.(B) Fotografie cu tranzistorul extensibil și transparent din carbon la 0% tensiune montat deasupra unui LED verde.(C) Tranzistorul transparent și extensibil din carbon folosit pentru a comuta LED-ul este montat deasupra LED-ului la 0% (stânga) și ~100% tensiune (dreapta).Săgețile albe indică marcajele galbene de pe dispozitiv pentru a arăta modificarea distanței în curs de întindere.(D) Vedere laterală a tranzistorului întins, cu LED-ul împins în elastomer.
În concluzie, am dezvoltat o structură conductivă transparentă a grafenului care menține o conductivitate ridicată în cazul unor tensiuni mari ca electrozi extensibili, activați de nanoscrollurile de grafen între straturi de grafen stivuite.Aceste structuri de electrozi MGG bi- și tristrat pe un elastomer pot menține 21 și, respectiv, 65% din conductivitățile lor de deformare de 0% la o deformare de până la 100%, în comparație cu pierderea completă a conductibilității la deformarea de 5% pentru electrozii tipici de grafen monostrat. .Căile conductoare suplimentare ale rulourilor de grafen, precum și interacțiunea slabă dintre straturile transferate contribuie la stabilitatea superioară a conductivității sub presiune.Am aplicat în continuare această structură de grafen pentru a fabrica tranzistoare extensibile din carbon.Până acum, acesta este cel mai extensibil tranzistor pe bază de grafen, cu cea mai bună transparență, fără a utiliza flambaj.Deși studiul de față a fost realizat pentru a permite grafenul pentru electronice extensibile, credem că această abordare poate fi extinsă la alte materiale 2D pentru a permite electronicele 2D extensibile.
Grafenul CVD de suprafață mare a fost crescut pe folii de Cu suspendate (99,999%; Alfa Aesar) la o presiune constantă de 0,5 mtorr cu 50–SCCM (centimetru cub standard pe minut) CH4 și 20–SCCM H2 ca precursori la 1000°C.Ambele părți ale foliei de Cu au fost acoperite cu grafen monostrat.Un strat subțire de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) a fost acoperit prin centrifugare pe o parte a foliei de Cu, formând o structură PMMA/G/Cu folie/G.ulterior, întregul film a fost înmuiat în soluție de persulfat de amoniu 0,1 M [(NH4)2S2O8] timp de aproximativ 2 ore pentru a grava folia de Cu.În timpul acestui proces, grafenul din spate neprotejat s-a rupt mai întâi de-a lungul granițelor și apoi s-a rulat în suluri din cauza tensiunii superficiale.Volurile au fost atașate pe filmul superior de grafen susținut de PMMA, formând suluri PMMA/G/G.Filmele au fost ulterior spălate în apă deionizată de mai multe ori și așezate pe un substrat țintă, cum ar fi un substrat rigid de SiO2/Si sau plastic.De îndată ce filmul atașat s-a uscat pe substrat, proba a fost înmuiată succesiv în acetonă, 1:1 acetonă/IPA (alcool izopropilic) și IPA timp de 30 s fiecare pentru a îndepărta PMMA.Filmele au fost încălzite la 100°C timp de 15 minute sau ținute în vid peste noapte pentru a îndepărta complet apa prinsă înainte ca un alt strat de rulou G/G să fie transferat pe acesta.Acest pas a fost de a evita desprinderea filmului de grafen de pe substrat și de a asigura acoperirea completă a MGG-urilor în timpul eliberării stratului purtător de PMMA.
Morfologia structurii MGG a fost observată folosind un microscop optic (Leica) și un microscop electronic cu scanare (1 kV; FEI).Un microscop cu forță atomică (Nanoscope III, Instrument digital) a fost operat în modul de atingere pentru a observa detaliile sulurilor G.Transparența filmului a fost testată cu un spectrometru ultraviolet-vizibil (Agilent Cary 6000i).Pentru testele când deformarea a fost de-a lungul direcției perpendiculare a fluxului de curent, fotolitografia și plasmă de O2 au fost folosite pentru a modela structurile grafenului în benzi (~300 μm lățime și ~2000 μm lungime), iar electrozii Au (50 nm) au fost depuși termic folosind măști de umbră la ambele capete ale laturii lungi.Benzile de grafen au fost apoi puse în contact cu un elastomer SEBS (~2 cm lățime și ~5 cm lungime), cu axa lungă a benzilor paralelă cu partea scurtă a SEBS urmată de BOE (gravare cu oxid tamponat) (HF:H2O). 1:6) gravare și galiu indiu eutectic (EGaIn) ca contacte electrice.Pentru testele de deformare paralele, structurile de grafen fără model (~ 5 × 10 mm) au fost transferate pe substraturi SEBS, cu axe lungi paralele cu partea lungă a substratului SEBS.Pentru ambele cazuri, întregul G (fără volute G)/SEBS a fost întins de-a lungul părții lungi a elastomerului într-un aparat manual și, in situ, le-am măsurat modificările de rezistență sub presiune pe o stație de sondă cu un analizor de semiconductor (Keithley 4200). -SCS).
Tranzistoarele cu tot carbonul foarte extensibile și transparente pe un substrat elastic au fost fabricate prin următoarele proceduri pentru a evita deteriorarea dielectricului polimeric și a substratului prin solvent organic.Structurile MGG au fost transferate pe SEBS ca electrozi de poartă.Pentru a obține un strat dielectric uniform de polimer subțire (2 μm grosime), o soluție de toluen SEBS (80 mg/ml) a fost acoperită cu spin pe un substrat SiO2/Si modificat cu octadeciltriclorosilan (OTS) la 1000 rpm timp de 1 min.Filmul dielectric subțire poate fi ușor transferat de pe suprafața hidrofobă OTS pe substratul SEBS acoperit cu grafenul așa cum a fost preparat.Un condensator ar putea fi realizat prin depunerea unui electrod superior din metal lichid (EGaIn; Sigma-Aldrich) pentru a determina capacitatea în funcție de deformare folosind un contor LCR (inductanță, capacitate, rezistență) (Agilent).Cealaltă parte a tranzistorului a constat din CNT-uri semiconductoare sortate pe polimeri, urmând procedurile raportate anterior (53).Electrozii tip sursă/dren au fost fabricați pe substraturi rigide SiO2/Si.Ulterior, cele două părți, dielectric/G/SEBS și CNT/G/SiO2/Si cu model, au fost laminate una cu cealaltă și înmuiate în BOE pentru a îndepărta substratul rigid SiO2/Si.Astfel, au fost fabricate tranzistoarele complet transparente și extensibile.Testarea electrică sub tensiune a fost efectuată pe o configurație manuală de întindere ca metoda menționată mai sus.
Materialul suplimentar pentru acest articol este disponibil la http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Fig.S1.Imagini de microscopie optică ale MGG monostrat pe substraturi SiO2/Si la diferite măriri.
Fig.S4.Comparația rezistențelor și transmitanțelor cu două sonde la 550 nm ale grafenului simplu mono, bi- și tristrat (pătrate negre), MGG (cercuri roșii) și CNT (triunghi albastru).
Fig.S7.Schimbarea normalizată a rezistenței MGG-urilor mono și dublu (negru) și G (roșu) sub ~ 1000 de tulpini ciclice, până la 40 și, respectiv, 90% deformare paralelă.
Fig.S10.Imagine SEM a tristratului MGG pe elastomer SEBS după deformare, arătând o încrucișare lungă de rulare peste mai multe fisuri.
Fig.S12.Imagine AFM a tristratului MGG pe elastomer SEBS foarte subțire la 20% deformare, care arată că un scroll a trecut peste o fisură.
tabelul S1.Mobilități ale tranzistoarelor MGG cu nanotuburi de carbon cu un singur perete la diferite lungimi de canal înainte și după deformare.
Acesta este un articol cu acces deschis distribuit în conformitate cu termenii licenței Creative Commons Atribuire-NonComercial, care permite utilizarea, distribuția și reproducerea pe orice mediu, atâta timp cât utilizarea rezultată nu este în scop comercial și cu condiția ca lucrarea originală să fie corectă. citat.
NOTĂ: Solicităm adresa dvs. de e-mail doar pentru ca persoana căreia îi recomandați pagina să știe că ați dorit să o vadă și că nu este mail nedorită.Nu captăm nicio adresă de e-mail.
Această întrebare este pentru a testa dacă sunteți sau nu un vizitator uman și pentru a preveni trimiterile automate de spam.
De 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
De 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 Asociația Americană pentru Progresul Științei.Toate drepturile rezervate.AAAS este partener al HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef și COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Ora postării: 28-ian-2021