Dvourozměrné materiály, jako je grafen, jsou atraktivní jak pro konvenční polovodičové aplikace, tak pro vznikající aplikace ve flexibilní elektronice. Vysoká pevnost grafenu v tahu však vede k lomu při nízkém napětí, což ztěžuje využití jeho mimořádných elektronických vlastností v roztažitelné elektronice. Abychom umožnili vynikající výkon transparentních grafenových vodičů závislý na namáhání, vytvořili jsme grafenové nanosvitky mezi naskládanými grafenovými vrstvami, označované jako vícevrstvé grafenové/grafenové svitky (MGG). Při namáhání některé svitky přemostily fragmentované domény grafenu, aby udržely perkolační síť, která umožnila vynikající vodivost při vysokých napětích. Třívrstvé MGG podporované na elastomerech si zachovaly 65 % své původní vodivosti při 100% napětí, které je kolmé ke směru toku proudu, zatímco třívrstvé filmy z grafenu bez nanosrolů si zachovaly pouze 25 % své počáteční vodivosti. Roztažitelný celokarbonový tranzistor vyrobený s použitím MGG jako elektrod vykazoval propustnost > 90 % a zachoval si 60 % svého původního proudového výstupu při 120 % namáhání (paralelně se směrem transportu náboje). Tyto vysoce roztažitelné a transparentní celokarbonové tranzistory by mohly umožnit sofistikovanou roztažnou optoelektroniku.
Roztažitelná transparentní elektronika je rostoucí obor, který má důležité aplikace v pokročilých biointegrovaných systémech (1, 2), stejně jako potenciál pro integraci s roztažnou optoelektronikou (3, 4) pro výrobu sofistikované měkké robotiky a displejů. Grafen vykazuje vysoce žádoucí vlastnosti atomové tloušťky, vysoké průhlednosti a vysoké vodivosti, ale jeho implementace v roztažitelných aplikacích byla brzděna jeho tendencí praskat při malých deformacích. Překonání mechanických omezení grafenu by mohlo umožnit nové funkce v roztažitelných průhledných zařízeních.
Jedinečné vlastnosti grafenu z něj dělají silného kandidáta pro další generaci transparentních vodivých elektrod (5, 6). Ve srovnání s nejběžněji používaným průhledným vodičem, oxidem india a cínu [ITO; 100 ohmů/čtverec (sq) při 90% průhlednosti ], jednovrstvý grafen pěstovaný chemickou depozicí z plynné fáze (CVD) má podobnou kombinaci plošného odporu (125 ohmů/sq) a průhlednosti (97,4 %) (5). Grafenové fólie mají navíc ve srovnání s ITO mimořádnou flexibilitu (7). Například na plastovém substrátu může být jeho vodivost zachována i pro poloměr ohybu zakřivení tak malý, jako je 0,8 mm (8). Aby se dále zlepšil jeho elektrický výkon jako transparentního flexibilního vodiče, předchozí práce vyvinuly grafenové hybridní materiály s jednorozměrnými (1D) stříbrnými nanodrátky nebo uhlíkovými nanotrubičkami (CNT) (9–11). Kromě toho se grafen používá jako elektrody pro heterostrukturní polovodiče se smíšenými rozměry (jako jsou 2D objemové Si, 1D nanodrátky/nanotrubice a 0D kvantové tečky) (12), flexibilní tranzistory, solární články a diody emitující světlo (LED) (13 –23).
Ačkoli grafen ukázal slibné výsledky pro flexibilní elektroniku, jeho použití v roztažitelné elektronice bylo omezeno jeho mechanickými vlastnostmi (17, 24, 25); grafen má v rovině tuhost 340 N/m a Youngův modul 0,5 TPa ( 26). Silná uhlík-uhlíková síť neposkytuje žádné mechanismy rozptylu energie pro aplikovanou deformaci, a proto snadno praská při méně než 5% deformaci. Například CVD grafen přenesený na polydimethylsiloxanový (PDMS) elastický substrát si může udržet svou vodivost pouze při napětí menším než 6 % (8). Teoretické výpočty ukazují, že zmačkání a souhra mezi různými vrstvami by měla výrazně snížit tuhost (26). Naskládáním grafenu do více vrstev se uvádí, že tento dvou- nebo třívrstvý grafen je roztažitelný na 30% napětí, přičemž vykazuje změnu odporu 13krát menší než u jednovrstvého grafenu (27). Tato roztažitelnost je však stále výrazně nižší než u nejmodernějších roztažitelných vodičů (28, 29).
Tranzistory jsou důležité v roztažitelných aplikacích, protože umožňují sofistikované čtení senzorů a analýzu signálu (30, 31). Tranzistory na PDMS s vícevrstvým grafenem jako zdrojovými/odvodnými elektrodami a materiálem kanálu mohou udržovat elektrickou funkci až do 5% namáhání (32), což je výrazně pod minimální požadovanou hodnotou (~50 %) pro nositelné senzory pro sledování zdraví a elektronickou pokožku ( 33, 34). Nedávno byl prozkoumán přístup grafenového kirigami a tranzistor hradlovaný kapalným elektrolytem může být natažen až na 240 % (35). Tato metoda však vyžaduje suspendovaný grafen, což komplikuje proces výroby.
Zde dosahujeme vysoce roztažitelných grafenových zařízení vložením grafenových svitků (~1 až 20 μm dlouhých, ~0,1 až 1 μm širokých a ~10 až 100 nm vysokých) mezi vrstvy grafenu. Předpokládáme, že tyto grafenové svitky by mohly poskytnout vodivé cesty k přemostění trhlin v grafenových listech, a tím zachovat vysokou vodivost pod napětím. Grafenové svitky nevyžadují další syntézu nebo proces; vznikají přirozeně během procesu mokrého přenosu. Použitím vícevrstvých G/G (grafen/grafen) svitků (MGG), grafenových roztažitelných elektrod (zdroj/odvod a hradlo) a polovodičových CNT jsme byli schopni demonstrovat vysoce transparentní a vysoce roztažitelné celouhlíkové tranzistory, které lze natáhnout na 120 % napětí (paralelně se směrem transportu náboje) a zachovají si 60 % svého původního proudového výstupu. Toto je dosud nejvíce roztažitelný transparentní tranzistor na bázi uhlíku a poskytuje dostatečný proud pro buzení anorganické LED.
Abychom umožnili velkoplošné průhledné roztažitelné grafenové elektrody, zvolili jsme CVD-pěstovaný grafen na Cu fólii. Cu fólie byla zavěšena ve středu křemenné trubice CVD, aby se umožnil růst grafenu na obou stranách, čímž se vytvořily struktury G/Cu/G. Abychom přenesli grafen, nejprve jsme potáhli tenkou vrstvou poly(methylmethakrylátu) (PMMA), abychom chránili jednu stranu grafenu, kterou jsme nazvali horní grafen (naopak pro druhou stranu grafenu), a následně celý film (PMMA/horní grafen/Cu/spodní grafen) byl namočen v roztoku (NH4)2S2O8, aby se odleptala Cu fólie. Spodní strana grafenu bez PMMA povlaku bude mít nevyhnutelně trhliny a defekty, které umožní leptadlu proniknout skrz (36, 37). Jak je znázorněno na obr. 1A, vlivem povrchového napětí se uvolněné grafenové domény srolovaly do svitků a následně se připevnily na zbývající vrchní G/PMMA film. Svitky top-G/G lze přenést na jakýkoli substrát, jako je Si02/Si, sklo nebo měkký polymer. Několikrát opakování tohoto procesu přenosu na stejný substrát poskytuje struktury MGG.
(A) Schematické znázornění postupu výroby MGG jako roztažitelné elektrody. Během přenosu grafenu byl zadní grafen na Cu fólii rozbit na hranicích a defektech, srolován do libovolných tvarů a těsně připojen k horním filmům, čímž se vytvořily nanosvitky. Čtvrtá karikatura zobrazuje skládanou strukturu MGG. (B a C) TEM charakterizace s vysokým rozlišením jednovrstvého MGG se zaměřením na jednovrstvou grafenovou (B) a rolovací oblast (C). Vložka (B) je obrázek s malým zvětšením ukazující celkovou morfologii monovrstvy MGG na mřížce TEM. Vložky (C) jsou profily intenzity pořízené podél obdélníkových rámečků naznačených na obrázku, kde vzdálenosti mezi atomovými rovinami jsou 0,34 a 0,41 nm. (D ) Uhlíkové spektrum EEL s K-hranou s charakteristickými grafitickými π* a σ* značenými píky. (E) Sekční snímek AFM jednovrstvého G/G se posouvá s výškovým profilem podél žluté tečkované čáry. (F až I) Optická mikroskopie a AFM snímky trojvrstvy G bez (F a H) a se spirálami (G a I) na substrátech SiO2/Si o tloušťce 300 nm. Reprezentativní svitky a vrásky byly označeny, aby byly zvýrazněny jejich rozdíly.
Abychom ověřili, že svitky jsou svou povahou válcované z grafenu, provedli jsme transmisní elektronovou mikroskopii s vysokým rozlišením (TEM) a spektroskopickou spektroskopii ztráty energie elektronů (EEL) na jednovrstvých strukturách svitků top-G/G. Obrázek 1B ukazuje hexagonální strukturu jednovrstvého grafenu a vložka je celkovou morfologií filmu pokrytého jedním uhlíkovým otvorem mřížky TEM. Jednovrstvý grafen pokrývá většinu mřížky a objevují se některé grafenové vločky v přítomnosti vícenásobných stohů šestiúhelníkových prstenců (obr. 1B). Přiblížením na jednotlivý svitek (obr. 1C) jsme pozorovali velké množství proužků mřížky grafenu s rozestupem mřížky v rozmezí 0,34 až 0,41 nm. Tato měření naznačují, že vločky jsou náhodně srolované a nejsou dokonalým grafitem, který má při vrstvení vrstev „ABAB“ vzdálenost mřížky 0,34 nm. Obrázek 1D ukazuje uhlíkové spektrum EEL na K-hraně, kde pík při 285 eV pochází z π* orbitalu a druhý kolem 290 eV je způsoben přechodem σ* orbitalu. Je vidět, že v této struktuře dominuje sp2 vazba, což ověřuje, že svitky jsou vysoce grafitické.
Snímky z optické mikroskopie a mikroskopie atomárních sil (AFM) poskytují pohled na distribuci nanosvitků grafenu v MGG (obr. 1, E až G a obr. S1 a S2). Svitky jsou náhodně rozmístěny po povrchu a jejich hustota v rovině se zvyšuje úměrně počtu naskládaných vrstev. Mnoho svitků je zamotaných do uzlů a vykazují nestejnoměrné výšky v rozmezí 10 až 100 nm. Jsou 1 až 20 μm dlouhé a 0,1 až 1 μm široké, v závislosti na velikosti jejich původních grafenových vloček. Jak je znázorněno na obr. 1 (H a I), svitky mají výrazně větší velikosti než vrásky, což vede k mnohem drsnějšímu rozhraní mezi vrstvami grafenu.
Pro měření elektrických vlastností jsme pomocí fotolitografie vzorovali grafenové filmy se spirálovými strukturami nebo bez nich a vrstvením do pásů o šířce 300 μm a délce 2000 μm. Odpory dvou sond jako funkce deformace byly měřeny za okolních podmínek. Přítomnost svitků snížila měrný odpor pro jednovrstvý grafen o 80 % s pouze 2,2 % snížením propustnosti (obr. S4). To potvrzuje, že nanoscrolly, které mají vysokou proudovou hustotu až 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), mají velmi pozitivní elektrický příspěvek k MGG. Mezi všemi mono-, bi- a třívrstvými prostými grafeny a MGG má třívrstvý MGG nejlepší vodivost s průhledností téměř 90 %. Pro srovnání s jinými zdroji grafenu uváděnými v literatuře jsme také měřili čtyřsondové plošné odpory (obr. S5) a uvedli je jako funkci propustnosti při 550 nm (obr. S6) na obr. 2A. MGG vykazuje srovnatelnou nebo vyšší vodivost a průhlednost než uměle naskládaný vícevrstvý prostý grafen a redukovaný oxid grafenu (RGO) (6, 8, 18). Všimněte si, že plošné odpory uměle naskládaného vícevrstvého obyčejného grafenu z literatury jsou mírně vyšší než u našeho MGG, pravděpodobně kvůli jejich neoptimalizovaným podmínkám růstu a metodě přenosu.
(A) Čtyři sondové plošné odpory versus propustnost při 550 nm pro několik typů grafenu, kde černé čtverce označují mono-, bi- a třívrstvé MGG; červené kruhy a modré trojúhelníky odpovídají vícevrstvému prostému grafenu pěstovanému na Cu a Ni ze studií Li et al. (6) a Kim a kol. (8) a následně převedeny na Si02/Si nebo křemen; a zelené trojúhelníky jsou hodnoty pro RGO v různých stupních redukce ze studie Bonaccorso et al. (18). (B a C) Normalizovaná změna odporu mono-, bi- a třívrstvých MGG a G jako funkce kolmého (B) a paralelního (C) napětí ke směru toku proudu. (D) Normalizovaná změna odporu dvojvrstvy G (červená) a MGG (černá) při cyklickém deformačním zatížení až do 50 % kolmého namáhání. (E) Normalizovaná změna odporu trojvrstvy G (červená) a MGG (černá) při cyklickém deformačním zatížení až do 90 % paralelního namáhání. (F) Normalizovaná změna kapacity mono-, bi- a třívrstvých G a dvou- a třívrstvých MGG jako funkce napětí. Vložkou je struktura kondenzátoru, kde polymerní substrát je SEBS a polymerní dielektrická vrstva je 2 μm silná SEBS.
Abychom vyhodnotili výkon MGG závislý na namáhání, přenesli jsme grafen na termoplastické elastomerní styren-ethylen-butadien-styrenové (SEBS) substráty (~2 cm široké a ~5 cm dlouhé) a vodivost byla měřena, když byl substrát natažen. (viz Materiály a metody) jak kolmo, tak rovnoběžně se směrem toku proudu (obr. 2, B a C). Elektrické chování závislé na namáhání se zlepšilo začleněním nanosrolů a rostoucím počtem grafenových vrstev. Například, když je napětí kolmé k toku proudu, u jednovrstvého grafenu přidání svitků zvýšilo napětí při elektrickém rozbití z 5 na 70 %. Odolnost vůči namáhání třívrstvého grafenu je také výrazně zlepšena ve srovnání s jednovrstvým grafenem. S nanosvitky se při 100% kolmém namáhání zvýšila odolnost třívrstvé struktury MGG pouze o 50% ve srovnání s 300% u třívrstvého grafenu bez spirál. Byla zkoumána změna odporu při cyklickém deformačním zatížení. Pro srovnání (obr. 2D), odpory hladkého dvouvrstvého grafenového filmu se zvýšily asi 7,5krát po ~700 cyklech při 50% kolmém namáhání a neustále se zvyšovaly s namáháním v každém cyklu. Na druhé straně se odpor dvouvrstvého MGG zvýšil pouze asi 2,5krát po ~700 cyklech. Při aplikaci až 90% deformace podél paralelního směru se odolnost třívrstvého grafenu zvýšila ~100krát po 1000 cyklech, zatímco u třívrstvého MGG je to pouze ~8krát (obr. 2E). Výsledky cyklování jsou uvedeny na Obr. S7. Relativně rychlejší nárůst odporu podél paralelního směru deformace je způsoben tím, že orientace trhlin je kolmá ke směru toku proudu. Odchylka odporu během namáhání a odlehčování je způsobena viskoelastickou obnovou elastomerního substrátu SEBS. Stabilnější odolnost proužků MGG během cyklování je způsobena přítomností velkých svitků, které mohou přemostit popraskané části grafenu (jak pozoruje AFM), což pomáhá udržovat průsakovou dráhu. Tento jev udržování vodivosti perkolační cestou byl již dříve popsán u popraskaných kovových nebo polovodičových filmů na elastomerních substrátech (40, 41).
Abychom vyhodnotili tyto filmy na bázi grafenu jako hradlové elektrody v roztažitelných zařízeních, pokryli jsme vrstvu grafenu dielektrickou vrstvou SEBS (tloušťka 2 μm) a sledovali změnu dielektrické kapacity jako funkci napětí (viz obr. 2F a doplňkové materiály pro podrobnosti). Pozorovali jsme, že kapacity s jednovrstvými a dvouvrstvými grafenovými elektrodami rychle klesaly kvůli ztrátě vodivosti grafenu v rovině. Naproti tomu kapacity hradlované MGG stejně jako obyčejný třívrstvý grafen vykazovaly zvýšení kapacity s deformací, což se očekává kvůli snížení tloušťky dielektrika s deformací. Očekávané zvýšení kapacity velmi dobře odpovídalo struktuře MGG (obr. S8). To znamená, že MGG je vhodný jako hradlová elektroda pro roztažitelné tranzistory.
Abychom dále prozkoumali roli 1D grafenového svitku na toleranci napětí elektrické vodivosti a lepší kontrolu separace mezi grafenovými vrstvami, použili jsme CNT potažené sprejem k nahrazení grafenových svitků (viz doplňkové materiály). Abychom napodobili struktury MGG, uložili jsme tři hustoty CNT (tj. CNT1
(A až C) AFM snímky tří různých hustot CNT (CNT1
Abychom dále porozuměli jejich schopnosti jako elektrod pro roztažnou elektroniku, systematicky jsme zkoumali morfologie MGG a G-CNT-G pod napětím. Optická mikroskopie a rastrovací elektronová mikroskopie (SEM) nejsou účinné charakterizační metody, protože obě postrádají barevný kontrast a SEM podléhá obrazovým artefaktům během elektronového skenování, když je grafen na polymerních substrátech (obr. S9 a S10). Abychom pozorovali in situ povrch grafenu pod napětím, shromáždili jsme měření AFM na třívrstvých MGG a prostém grafenu po přenesení na velmi tenké (~0,1 mm tlusté) a elastické substráty SEBS. Kvůli vnitřním defektům v CVD grafenu a vnějším poškozením během procesu přenosu se na napjatém grafenu nevyhnutelně vytvářejí trhliny a se zvyšujícím se napětím se trhliny stávají hustšími (obr. 4, A až D). V závislosti na vrstvené struktuře elektrod na bázi uhlíku vykazují trhliny různé morfologie (obr. S11) (27). Hustota oblasti trhlin (definovaná jako plocha trhlin/analyzovaná plocha) vícevrstvého grafenu je po namáhání menší než hustota jednovrstvého grafenu, což je v souladu se zvýšením elektrické vodivosti pro MGG. Na druhé straně jsou často pozorovány spirály, které přemosťují trhliny a poskytují další vodivé cesty v napnutém filmu. Například, jak je označeno na obrázku na obr. 4B, široký svitek přešel přes trhlinu v trojvrstvě MGG, ale v prostém grafenu nebyl pozorován žádný svitek (obr. 4, E až H). Podobně CNT také překlenuly trhliny v grafenu (obr. S11). Plošná hustota trhlin, hustota plochy skrolování a drsnost filmů jsou shrnuty na obr. 4K.
(A až H) In situ AFM snímky trojvrstvých G/G svitků (A až D) a trojvrstvých G struktur (E až H) na velmi tenkém SEBS (~0,1 mm tlustém) elastomeru při 0, 20, 60 a 100 % napětí. Reprezentativní trhliny a svitky jsou označeny šipkami. Všechny snímky AFM jsou v oblasti 15 μm × 15 μm, s použitím stejné barevné škály, jak je označeno. (I) Simulační geometrie vzorovaných jednovrstvých grafenových elektrod na substrátu SEBS. (J) Simulační obrysová mapa maximální hlavní logaritmické deformace v jednovrstvém grafenu a substrátu SEBS při 20% vnější deformaci. (K) Porovnání hustoty oblasti trhliny (červený sloupec), hustoty oblasti rolování (žlutý sloupec) a drsnosti povrchu (modrý sloupec) pro různé struktury grafenu.
Když jsou filmy MGG nataženy, existuje důležitý další mechanismus, který svitky dokážou přemostit popraskané oblasti grafenu a udržovat tak perkolační síť. Grafenové svitky jsou slibné, protože mohou být dlouhé desítky mikrometrů, a proto jsou schopny překlenout trhliny, které jsou obvykle v měřítku až mikrometrů. Navíc, protože svitky sestávají z více vrstev grafenu, očekává se, že budou mít nízký odpor. Pro srovnání, relativně husté (nižší propustnost) sítě CNT jsou vyžadovány, aby poskytovaly srovnatelnou schopnost vodivého přemostění, protože CNT jsou menší (obvykle několik mikrometrů na délku) a méně vodivé než spirály. Na druhé straně, jak je znázorněno na Obr. S12, zatímco grafen praská během natahování, aby se přizpůsobil napětí, svitky nepraskají, což naznačuje, že grafen může klouzat po podkladovém grafenu. Důvod, proč nepraskají, je pravděpodobně způsoben srolovanou strukturou, složenou z mnoha vrstev grafenu (~1 až 2 0 μm dlouhé, ~0,1 až 1 μm široké a ~10 až 100 nm vysoké), které mají vyšší efektivní modul než jednovrstvý grafen. Jak uvádí Green a Hersam (42), kovové sítě CNT (průměr trubky 1,0 nm) mohou dosáhnout nízkého plošného odporu <100 ohmů/sq navzdory velkému odporu přechodu mezi CNT. Vzhledem k tomu, že naše grafenové svitky mají šířky 0,1 až 1 μm a že svitky G/G mají mnohem větší kontaktní plochy než CNT, kontaktní odpor a kontaktní plocha mezi grafenovými a grafenovými svitky by neměly být omezujícími faktory pro udržení vysoké vodivosti.
Grafen má mnohem vyšší modul než substrát SEBS. Ačkoli efektivní tloušťka grafenové elektrody je mnohem nižší než tloušťka substrátu, tuhost grafenu krát jeho tloušťka je srovnatelná s tuhost substrátu (43, 44), což vede k mírnému efektu tuhého ostrůvku. Simulovali jsme deformaci grafenu o tloušťce 1 nm na substrátu SEBS (podrobnosti viz doplňkové materiály). Podle výsledků simulace, když je na substrát SEBS externě aplikováno 20% napětí, průměrné napětí v grafenu je ~6,6% (obr. 4J a obr. S13D), což je v souladu s experimentálními pozorováními (viz obr. S13). . Porovnali jsme kmen v oblastech vzorovaného grafenu a substrátu pomocí optické mikroskopie a zjistili jsme, že kmen v oblasti substrátu je alespoň dvojnásobkem kmene v oblasti grafenu. To naznačuje, že napětí aplikované na vzory grafenových elektrod by mohlo být výrazně omezeno a na vrchu SEBS by se vytvořily tuhé ostrůvky grafenu (26, 43, 44).
Schopnost elektrod MGG udržovat vysokou vodivost při vysokém namáhání je tedy pravděpodobně umožněna dvěma hlavními mechanismy: (i) Svitky mohou přemostit odpojené oblasti, aby byla zachována vodivá perkolační dráha, a (ii) vícevrstvé grafenové listy/elastomer mohou klouzat. přes sebe, což vede ke snížení namáhání grafenových elektrod. U více vrstev přeneseného grafenu na elastomer nejsou vrstvy navzájem pevně spojeny, což může klouzat v reakci na napětí (27). Svitky také zvýšily drsnost grafenových vrstev, což může pomoci zvýšit separaci mezi vrstvami grafenu a umožnit tak klouzání grafenových vrstev.
Celokarbonová zařízení jsou nadšeně prosazována kvůli nízkým nákladům a vysoké propustnosti. V našem případě byly celouhlíkové tranzistory vyrobeny pomocí spodního grafenového hradla, horního kontaktu zdroje/odvodu grafenu, tříděného polovodiče CNT a SEBS jako dielektrika (obr. 5A). Jak je znázorněno na obr. 5B, celouhlíkové zařízení s CNT jako zdrojem/odtokem a hradlem (spodní zařízení) je neprůhlednější než zařízení s grafenovými elektrodami (horní zařízení). Je to proto, že sítě CNT vyžadují větší tloušťky a v důsledku toho nižší optické propustnosti, aby se dosáhlo plošného odporu podobného jako u grafenu (obr. S4). Obrázek 5 (C a D) ukazuje reprezentativní přenosové a výstupní křivky před deformací pro tranzistor vyrobený s dvouvrstvými elektrodami MGG. Šířka kanálu a délka nenapjatého tranzistoru byly 800 a 100 μm, v daném pořadí. Naměřený poměr zapnutí/vypnutí je větší než 103 při spínacích a vypínacích proudech na úrovních 10-5 a 10-8 A. Výstupní křivka vykazuje ideální lineární a saturační režimy s jasnou závislostí hradla na napětí, což ukazuje na ideální kontakt mezi CNT a grafenovými elektrodami (45). Kontaktní odpor u grafenových elektrod byl pozorován jako nižší než u odpařeného Au filmu (viz obr. S14). Saturační pohyblivost roztažitelného tranzistoru je asi 5,6 cm2/Vs, podobně jako u stejných polymerově tříděných tranzistorů CNT na tuhých Si substrátech s 300nm Si02 jako dielektrickou vrstvou. Další zlepšení mobility je možné s optimalizovanou hustotou trubek a jinými typy trubek ( 46).
(A) Schéma roztažitelného tranzistoru na bázi grafenu. SWNT, jednostěnné uhlíkové nanotrubice. (B) Fotografie roztažitelných tranzistorů vyrobených z grafenových elektrod (nahoře) a elektrod CNT (dole). Rozdíl v průhlednosti je jasně patrný. ( C a D) Přenosové a výstupní křivky tranzistoru na bázi grafenu na SEBS před napětím. (E a F) Přenosové křivky, proud zapnutí a vypnutí, poměr zapnutí/vypnutí a pohyblivost tranzistoru na bázi grafenu při různých napětích.
Když bylo průhledné, celouhlíkové zařízení nataženo ve směru rovnoběžném se směrem transportu náboje, byla pozorována minimální degradace až do 120% napětí. Během protahování pohyblivost plynule klesala z 5,6 cm2/Vs při 0% namáhání na 2,5 cm2/Vs při 120% namáhání (obr. 5F). Také jsme porovnali výkon tranzistoru pro různé délky kanálů (viz tabulka S1). Pozoruhodné je, že při napětí až 105% všechny tyto tranzistory stále vykazovaly vysoký poměr zapnutí/vypnutí (>103) a pohyblivost (>3 cm2/Vs). Kromě toho jsme shrnuli všechny nedávné práce na celouhlíkových tranzistorech (viz tabulka S2) (47–52). Díky optimalizaci výroby zařízení na elastomerech a použití MGG jako kontaktů naše celouhlíkové tranzistory vykazují dobrý výkon z hlediska mobility a hystereze a jsou také vysoce roztažitelné.
Jako aplikaci plně transparentního a roztažitelného tranzistoru jsme jej použili k ovládání spínání LED (obr. 6A). Jak je znázorněno na obr. 6B, zelená LED může být jasně vidět přes roztažitelné celouhlíkové zařízení umístěné přímo nahoře. Při natažení na ~100 % (obr. 6, C a D) se intenzita světla LED nemění, což je v souladu s výše popsaným výkonem tranzistoru (viz film S1). Toto je první zpráva o roztažitelných řídicích jednotkách vyrobených pomocí grafenových elektrod, které demonstrují novou možnost pro grafenovou roztažnou elektroniku.
(A) Obvod tranzistoru k buzení LED. GND, zem. (B) Fotografie roztažitelného a průhledného celouhlíkového tranzistoru při 0% napětí namontovaného nad zelenou LED. (C) Celuhlíkový průhledný a roztažitelný tranzistor používaný ke spínání LED je namontován nad LED při 0% (vlevo) a ~100% napětí (vpravo). Bílé šipky ukazují jako žluté značky na zařízení a ukazují natahovanou změnu vzdálenosti. (D) Boční pohled na natažený tranzistor s LED zasunutou do elastomeru.
Na závěr jsme vyvinuli transparentní vodivou grafenovou strukturu, která si zachovává vysokou vodivost při velkém namáhání jako roztažitelné elektrody, což umožňují grafenové nanosvitky mezi naskládanými grafenovými vrstvami. Tyto dvouvrstvé a třívrstvé elektrodové struktury MGG na elastomeru si mohou udržet 21 a 65 % z jejich 0 % vodivosti namáhání při namáhání až 100 %, ve srovnání s úplnou ztrátou vodivosti při namáhání 5 % u typických jednovrstvých grafenových elektrod. . Dodatečné vodivé dráhy grafenových svitků a také slabá interakce mezi přenesenými vrstvami přispívají k vynikající stabilitě vodivosti při zatížení. Tuto grafenovou strukturu jsme dále použili k výrobě celouhlíkových roztažitelných tranzistorů. Zatím se jedná o nejvíce roztažitelný tranzistor na bázi grafenu s nejlepší průhledností bez použití vyboulení. Ačkoli tato studie byla provedena s cílem umožnit grafen pro roztažnou elektroniku, věříme, že tento přístup lze rozšířit na další 2D materiály, aby se umožnila roztažitelná 2D elektronika.
Velkoplošný CVD grafen byl pěstován na suspendovaných Cu fóliích (99,999 %; Alfa Aesar) pod konstantním tlakem 0,5 mtorr s 50–SCCM (standardní kubický centimetr za minutu) CH4 a 20–SCCM H2 jako prekurzory při 1000 °C. Obě strany Cu fólie byly pokryty monovrstvou grafenu. Tenká vrstva PMMA (2000 ot./min; A4, Microchem) byla nanesena na jednu stranu Cu fólie, čímž se vytvořila struktura PMMA/G/Cu fólie/G. následně se celý film namočil do 0,1 M roztoku persíranu amonného [(NH4)2S2O8] po dobu asi 2 hodin, aby se odleptala Cu fólie. Během tohoto procesu se nechráněný grafen na zadní straně nejprve roztrhl podél hranic zrn a poté se sroloval do svitků kvůli povrchovému napětí. Svitky byly připevněny k hornímu grafenovému filmu podporovanému PMMA, čímž vznikly svitky PMMA/G/G. Fólie byly následně několikrát promyty v deionizované vodě a položeny na cílový substrát, jako je tuhý Si02/Si nebo plastový substrát. Jakmile připojený film zaschl na substrátu, vzorek se postupně namočil do acetonu, 1:1 aceton/IPA (isopropylalkohol) a IPA po dobu 30 s, aby se odstranil PMMA. Filmy byly zahřívány na 100 °C po dobu 15 minut nebo udržovány ve vakuu přes noc, aby se zcela odstranila zachycená voda, než se na ni přenese další vrstva G/G scroll. Tento krok měl zabránit oddělení grafenového filmu od substrátu a zajistit plné pokrytí MGG během uvolňování nosné vrstvy PMMA.
Morfologie struktury MGG byla pozorována pomocí optického mikroskopu (Leica) a rastrovacího elektronového mikroskopu (1 kV; FEI). Mikroskop atomární síly (Nanoscope III, Digital Instrument) byl provozován v režimu klepání, aby bylo možné pozorovat detaily svitků G. Průhlednost filmu byla testována ultrafialovým spektrometrem (Agilent Cary 6000i). Pro testy, kdy napětí bylo v kolmém směru toku proudu, byla použita fotolitografie a O2 plazma k vzorování grafenových struktur do pásů (~300 μm široký a ~2000 μm dlouhý) a Au (50 nm) elektrody byly tepelně naneseny pomocí stínové masky na obou koncích dlouhé strany. Grafenové proužky byly poté uvedeny do kontaktu s elastomerem SEBS (~2 cm široký a ~5 cm dlouhý), přičemž dlouhá osa proužků byla rovnoběžná s krátkou stranou SEBS a následně BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) leptání a eutektické gallium indium (EGaIn) jako elektrické kontakty. Pro paralelní deformační testy byly grafenové struktury bez vzoru (~ 5 × 10 mm) přeneseny na substráty SEBS, s dlouhými osami rovnoběžnými s dlouhou stranou substrátu SEBS. V obou případech byl celý G (bez G svitků)/SEBS natažen podél dlouhé strany elastomeru v ručním přístroji a in situ jsme měřili jejich změny odporu pod napětím na sondové stanici s polovodičovým analyzátorem (Keithley 4200 -SCS).
Vysoce roztažitelné a transparentní celouhlíkové tranzistory na elastickém substrátu byly vyrobeny následujícími postupy, aby se zabránilo poškození polymerního dielektrika a substrátu organickým rozpouštědlem. MGG struktury byly přeneseny na SEBS jako hradlové elektrody. Pro získání stejnoměrné tenkovrstvé polymerní dielektrické vrstvy (tloušťka 2 μm) byl roztok SEBS toluenu (80 mg/ml) rotačně potažen na substrát SiO2/Si modifikovaný oktadecyltrichlorosilanem (OTS) při 1000 otáčkách za minutu po dobu 1 minuty. Tenký dielektrický film lze snadno přenést z hydrofobního povrchu OTS na substrát SEBS pokrytý takto připraveným grafenem. Kondenzátor by mohl být vyroben nanesením horní elektrody z tekutého kovu (EGaIn; Sigma-Aldrich) pro určení kapacity jako funkce napětí pomocí měřiče LCR (indukčnost, kapacita, odpor) (Agilent). Druhá část tranzistoru sestávala z polymerově tříděných polovodičových CNT podle postupů uvedených dříve (53). Vzorované zdrojové/drenážní elektrody byly vyrobeny na tuhých Si02/Si substrátech. Následně byly dvě části, dielektrikum/G/SEBS a CNT/vzorovaný G/SiO2/Si, vzájemně laminovány a napuštěny do BOE, aby se odstranil tuhý substrát Si02/Si. Tak byly vyrobeny plně průhledné a roztažitelné tranzistory. Elektrické testování pod napětím bylo provedeno na ručním natahovacím nastavení jako výše uvedený způsob.
Doplňkový materiál k tomuto článku je k dispozici na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Obr. S1. Snímky z optické mikroskopie monovrstvy MGG na SiO2/Si substrátech při různých zvětšeních.
Obr. S4. Porovnání dvousondových plošných odporů a propustností @550 nm mono-, bi- a třívrstvého prostého grafenu (černé čtverce), MGG (červené kruhy) a CNT (modrý trojúhelník).
Obr. S7. Normalizovaná změna odporu mono- a dvouvrstvých MGG (černá) a G (červená) při ~1000 cyklickém deformačním zatížení až do 40 a 90% paralelního namáhání.
Obr. S10. SEM snímek třívrstvého MGG na elastomeru SEBS po namáhání, ukazující dlouhý posuvný kříž přes několik trhlin.
Obr. S12. AFM snímek třívrstvého MGG na velmi tenkém elastomeru SEBS při 20% deformaci, který ukazuje, že svitek přešel přes trhlinu.
tabulka S1. Mobility dvouvrstvých MGG – jednostěnných uhlíkových nanotrubicových tranzistorů při různých délkách kanálů před a po namáhání.
Toto je článek s otevřeným přístupem distribuovaný za podmínek licence Creative Commons Attribution-NonCommercial, která umožňuje použití, distribuci a reprodukci na jakémkoli médiu, pokud výsledné použití není pro komerční výhodu a pokud je původní dílo správně citováno.
POZNÁMKA: Vaši e-mailovou adresu požadujeme pouze proto, aby osoba, které stránku doporučujete, věděla, že chcete, aby ji viděl, a že se nejedná o nevyžádanou poštu. Nezaznamenáváme žádnou e-mailovou adresu.
Tato otázka slouží k otestování, zda jste nebo nejste lidským návštěvníkem, a k zamezení automatického odesílání spamu.
Autor: 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
Autor: 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 American Association for the Advancement of Science. Všechna práva vyhrazena. AAAS je partnerem společností HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef a COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Čas odeslání: 28. ledna 2021