Dvodimenzionalni materiali, kot je grafen, so privlačni tako za konvencionalne polprevodniške aplikacije kot za nastajajoče aplikacije v fleksibilni elektroniki. Vendar pa visoka natezna trdnost grafena povzroči lomljenje pri nizki napetosti, zaradi česar je težko izkoristiti njegove izjemne elektronske lastnosti v raztegljivi elektroniki. Da bi omogočili odlično delovanje prozornih grafenskih prevodnikov, odvisno od napetosti, smo ustvarili grafenske nanosvitke med zloženimi grafenskimi plastmi, imenovane večplastne grafenske/grafenske svitke (MGG). Pod napetostjo so nekatere svitke premostile fragmentirane domene grafena, da bi ohranile perkolacijsko mrežo, ki je omogočila odlično prevodnost pri visokih napetostih. Triplastni MGG, podprti z elastomeri, so ohranili 65 % svoje prvotne prevodnosti pri 100 % napetosti, ki je pravokotna na smer pretoka toka, medtem ko so triplastne folije grafena brez nanosvitkov ohranile le 25 % svoje začetne prevodnosti. Raztegljiv tranzistor iz ogljika, izdelan z uporabo MGG kot elektrod, je pokazal prepustnost > 90 % in ohranil 60 % svojega prvotnega izhodnega toka pri 120 % napetosti (vzporedno s smerjo prenosa naboja). Ti zelo raztegljivi in prozorni tranzistorji iz ogljika bi lahko omogočili izdelavo sofisticirane raztegljive optoelektronike.
Raztegljiva prozorna elektronika je rastoče področje, ki ima pomembne aplikacije v naprednih biointegriranih sistemih (1, 2), pa tudi potencial za integracijo z raztegljivo optoelektroniko (3, 4) za izdelavo sofisticirane mehke robotike in zaslonov. Grafen kaže zelo zaželene lastnosti atomske debeline, visoke prozornosti in visoke prevodnosti, vendar je njegovo uporabo v raztegljivih aplikacijah ovirala njegova nagnjenost k razpokanju pri majhnih deformacijah. Premagovanje mehanskih omejitev grafena bi lahko omogočilo nove funkcionalnosti v raztegljivih prozornih napravah.
Zaradi edinstvenih lastnosti je grafen močan kandidat za naslednjo generacijo prozornih prevodnih elektrod (5, 6). V primerjavi z najpogosteje uporabljenim prozornim prevodnikom, indijevim kositrovim oksidom [ITO; 100 ohmov/kvadrat (m²) pri 90 % prozornosti], ima enoslojni grafen, vzgojen s kemičnim nanašanjem iz pare (CVD), podobno kombinacijo upornosti plošče (125 ohmov/m²) in prozornosti (97,4 %) (5). Poleg tega imajo grafenski filmi izjemno prožnost v primerjavi z ITO (7). Na primer, na plastični podlagi se lahko njegova prevodnost ohrani tudi pri polmeru ukrivljenosti, ki je majhen le 0,8 mm (8). Za nadaljnje izboljšanje njegove električne zmogljivosti kot prozornega fleksibilnega prevodnika so bila v prejšnjih delih razvita grafenska hibridna gradiva z enodimenzionalnimi (1D) srebrnimi nanožicami ali ogljikovimi nanocevkami (CNT) (9–11). Poleg tega se grafen uporablja kot elektrode za mešanodimenzionalne heterostrukturne polprevodnike (kot so 2D silicij v razsutem stanju, 1D nanožice/nanocevke in 0D kvantne pike) (12), fleksibilne tranzistorje, sončne celice in svetleče diode (LED) (13–23).
Čeprav je grafen pokazal obetavne rezultate za fleksibilno elektroniko, je bila njegova uporaba v raztegljivi elektroniki omejena zaradi njegovih mehanskih lastnosti (17, 24, 25); grafen ima togost v ravnini 340 N/m in Youngov modul 0,5 TPa (26). Močna ogljik-ogljikova mreža ne zagotavlja nobenih mehanizmov za disipacijo energije pri uporabljeni deformaciji in zato zlahka razpoka pri manj kot 5 % deformaciji. Na primer, CVD grafen, prenesen na elastično podlago iz polidimetilsiloksana (PDMS), lahko ohrani svojo prevodnost le pri manj kot 6 % deformaciji (8). Teoretični izračuni kažejo, da bi moralo zmečkanje in medsebojno delovanje med različnimi plastmi močno zmanjšati togost (26). Z zlaganjem grafena v več plasti je bilo ugotovljeno, da se ta dvo- ali trislojni grafen raztegne do 30 % deformacije, kar kaže na 13-krat manjšo spremembo upora kot pri enoslojnem grafenu (27). Vendar je ta razteznost še vedno bistveno slabša od najsodobnejših raztegljivih prevodnikov (28, 29).
Tranzistorji so pomembni v raztegljivih aplikacijah, ker omogočajo sofisticirano odčitavanje senzorjev in analizo signalov (30, 31). Tranzistorji na PDMS z večplastnim grafenom kot izvornimi/odtočnimi elektrodami in kanalskim materialom lahko ohranijo električno funkcijo do 5 % deformacije (32), kar je bistveno pod minimalno zahtevano vrednostjo (~50 %) za nosljive senzorje za spremljanje zdravja in elektronsko kožo (33, 34). Nedavno je bil raziskan pristop grafenskega kirigamija, tranzistor, ki ga odpira tekoči elektrolit, pa se lahko raztegne do 240 % (35). Vendar pa ta metoda zahteva suspendiran grafen, kar otežuje postopek izdelave.
Tukaj dosegamo zelo raztegljive grafenske naprave z vstavljanjem grafenskih zvitkov (dolgih ~1 do 20 μm, širokih ~0,1 do 1 μm in visokih ~10 do 100 nm) med plasti grafena. Domnevamo, da bi ti grafenski zvitki lahko zagotovili prevodne poti za premostitev razpok v grafenskih listih in tako ohranili visoko prevodnost pod napetostjo. Grafenski zvitki ne zahtevajo dodatne sinteze ali obdelave; naravno nastanejo med postopkom mokrega prenosa. Z uporabo večplastnih grafenskih raztegljivih elektrod (izvor/odtok in vrata) iz grafena (MGG) G/G (grafen/grafen) zvitkov in polprevodniških ogljikovih nanocevk smo lahko prikazali zelo prozorne in zelo raztegljive tranzistorje iz ogljika, ki jih je mogoče raztegniti do 120 % napetosti (vzporedno s smerjo prenosa naboja) in ohraniti 60 % prvotnega izhodnega toka. To je doslej najbolj raztegljiv prozoren tranzistor na osnovi ogljika, ki zagotavlja zadosten tok za pogon anorganske LED diode.
Da bi omogočili izdelavo prozornih raztegljivih grafenskih elektrod z veliko površino, smo izbrali grafen, vzgojen s CVD-jem, na Cu foliji. Cu folija je bila obešena na sredino CVD kremenčeve cevi, da je omogočila rast grafena na obeh straneh in tvorila strukture G/Cu/G. Za prenos grafena smo najprej s centrifugiranjem nanesli tanko plast poli(metilmetakrilata) (PMMA), da bi zaščitili eno stran grafena, ki smo jo poimenovali zgornji grafen (obratno za drugo stran grafena), nato pa smo celotno folijo (PMMA/zgornji grafen/Cu/spodnji grafen) namočili v raztopini (NH4)2S2O8, da bi odstranili Cu folijo. Spodnji grafen brez PMMA prevleke bo neizogibno imel razpoke in napake, ki omogočajo prodiranje jedkalnega sredstva (36, 37). Kot je prikazano na sliki 1A, so se sproščene grafenske domene pod vplivom površinske napetosti zvile v splice in nato pritrdile na preostalo zgornjo G/PMMA folijo. Zvitke Top-G/G je mogoče prenesti na kateri koli substrat, kot je SiO2/Si, steklo ali mehki polimer. Če ta postopek prenosa večkrat ponovimo na isti substrat, dobimo strukture MGG.
(A) Shematski prikaz postopka izdelave MGG kot raztegljive elektrode. Med prenosom grafena je bil grafen na hrbtni strani Cu folije prelomljen na mejah in defektih, zvit v poljubne oblike in tesno pritrjen na zgornje filme, pri čemer so nastali nanosvitki. Četrta risanka prikazuje zloženo strukturo MGG. (B in C) Visokoločljivostne TEM karakterizacije enoslojnega MGG, s poudarkom na enoslojnem grafenu (B) oziroma območju zvitka (C). Vstavek (B) je slika z majhno povečavo, ki prikazuje celotno morfologijo enoslojnih MGG na TEM mreži. Vstavki (C) so profili intenzivnosti, posneti vzdolž pravokotnih polj, označenih na sliki, kjer sta razdalji med atomskimi ravninami 0,34 in 0,41 nm. (D) Spekter EEL na robu ogljika K z označenimi značilnimi grafitnimi vrhovi π* in σ*. (E) Prerezna AFM slika enoslojnih G/G zvitkov z višinskim profilom vzdolž rumene pikčaste črte. (F do I) Optična mikroskopija in AFM slika trisloja G brez (F in H) in z zvitki (G in I) na 300 nm debelih SiO2/Si substratih. Reprezentativni zvitki in gube so bili označeni, da bi poudarili njihove razlike.
Da bi preverili, ali so zvitki v naravi zviti grafen, smo izvedli študije visokoločljivostne transmisijske elektronske mikroskopije (TEM) in spektroskopije izgube energije elektronov (EEL) na enoslojnih zgornjih G/G zvitih strukturah. Slika 1B prikazuje heksagonalno strukturo enoslojnega grafena, vložek pa celotno morfologijo filma, prekritega z eno samo ogljikovo luknjo TEM mreže. Enoslojni grafen se razteza čez večji del mreže, v prisotnosti več skladov heksagonalnih obročev pa se pojavijo nekateri grafenski kosmiči (slika 1B). S povečavo posameznega zvitka (slika 1C) smo opazili veliko količino grafenskih mrežnih resic z razmikom med mrežami v območju od 0,34 do 0,41 nm. Te meritve kažejo, da so kosmiči naključno zviti in niso popoln grafit, ki ima pri zlaganju plasti "ABAB" razmik med mrežami 0,34 nm. Slika 1D prikazuje spekter EEL na robu ogljika K, kjer vrh pri 285 eV izvira iz π* orbitale, drugi okoli 290 eV pa je posledica prehoda σ* orbitale. Vidimo lahko, da v tej strukturi prevladuje sp2 vez, kar potrjuje, da so zvitki zelo grafitni.
Slike optične mikroskopije in mikroskopije atomskih sil (AFM) omogočajo vpogled v porazdelitev grafenskih nanosvitkov v MGG (slika 1, E do G ter sliki S1 in S2). Zvitki so naključno razporejeni po površini, njihova gostota v ravnini pa se povečuje sorazmerno s številom zloženih plasti. Številni zvitki so zapleteni v vozle in kažejo neenakomerne višine v območju od 10 do 100 nm. Dolgi so od 1 do 20 μm in široki od 0,1 do 1 μm, odvisno od velikosti njihovih začetnih grafenskih kosmičev. Kot je prikazano na sliki 1 (H in I), imajo zvitki bistveno večje velikosti kot gube, kar vodi do veliko bolj grobega vmesnika med plastmi grafena.
Za merjenje električnih lastnosti smo z uporabo fotolitografije oblikovali grafenske filme z ali brez spiralnih struktur in zlaganjem plasti v trakove širine 300 μm in dolžine 2000 μm. Upornost dveh sond kot funkcijo deformacije smo merili v okoljskih pogojih. Prisotnost zvitkov je zmanjšala upornost enoslojnega grafena za 80 %, pri čemer se je prepustnost zmanjšala le za 2,2 % (slika S4). To potrjuje, da nanosvitki, ki imajo visoko gostoto toka do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), zelo pozitivno prispevajo k električnim lastnostim MGG. Med vsemi eno-, dvo- in trislojnimi navadnimi grafeni in MGG ima trislojni MGG najboljšo prevodnost s prosojnostjo skoraj 90 %. Za primerjavo z drugimi viri grafena, o katerih poročajo v literaturi, smo izmerili tudi upornost štirislojnih plošč (slika S5) in jo na sliki 2A navedli kot funkcijo prepustnosti pri 550 nm (slika S6). MGG kaže primerljivo ali višjo prevodnost in prosojnost kot umetno zložen večplastni navadni grafen in reducirani grafenov oksid (RGO) (6, 8, 18). Upoštevajte, da so upornosti plasti umetno zloženega večplastnega navadnega grafena iz literature nekoliko višje od upornosti našega MGG, verjetno zaradi njihovih neoptimiziranih pogojev rasti in metode prenosa.
(A) Upornost štirih sond glede na prepustnost pri 550 nm za več vrst grafena, kjer črni kvadratki označujejo eno-, dvo- in trislojne MGG; rdeči krogi in modri trikotniki ustrezajo večslojnemu navadnemu grafenu, vzgojenemu na Cu in Ni iz študij Li et al. (6) oziroma Kima et al. (8), ki je bil nato prenesen na SiO2/Si ali kremen; zeleni trikotniki pa so vrednosti za RGO pri različnih stopnjah redukcije iz študije Bonaccorsa et al. (18). (B in C) Normalizirana sprememba upornosti eno-, dvo- in trislojnih MGG in G kot funkcija pravokotne (B) in vzporedne (C) deformacije na smer toka. (D) Normalizirana sprememba upornosti dvosloja G (rdeča) in MGG (črna) pri ciklični obremenitvi do 50 % pravokotne deformacije. (E) Normalizirana sprememba upornosti trisloja G (rdeča) in MGG (črna) pri ciklični obremenitvi do 90 % vzporedne deformacije. (F) Normalizirana sprememba kapacitivnosti eno-, dvo- in trislojnega G ter dvo- in trislojnih MGG kot funkcija deformacije. Vstavljena slika prikazuje strukturo kondenzatorja, kjer je polimerni substrat SEBS, polimerna dielektrična plast pa 2 μm debel SEBS.
Za oceno od deformacije odvisne učinkovitosti MGG smo grafen prenesli na termoplastične elastomerne stiren-etilen-butadien-stirenske (SEBS) podlage (širine ~2 cm in dolžine ~5 cm), prevodnost pa smo merili med raztezanjem podlage (glej Materiali in metode) tako pravokotno kot vzporedno s smerjo pretoka toka (slika 2, B in C). Od deformacije odvisno električno obnašanje se je izboljšalo z vključitvijo nanosvitkov in povečanjem števila plasti grafena. Na primer, ko je deformacija pravokotna na pretok toka, je pri enoslojnem grafenu dodatek zvitkov povečal deformacijo pri električnem prelomu s 5 na 70 %. Toleranca deformacije trislojnega grafena se je v primerjavi z enoslojnim grafenom prav tako znatno izboljšala. Pri nanosvitkih se je pri 100 % pravokotni deformaciji upornost trislojne strukture MGG povečala le za 50 % v primerjavi s 300 % pri trislojnem grafenu brez zvitkov. Raziskali smo spremembo upornosti pri ciklični deformacijski obremenitvi. Za primerjavo (slika 2D) se je upornost navadne dvoslojne grafenske folije po ~700 ciklih pri 50 % pravokotni deformaciji povečala za približno 7,5-krat in se z deformacijo v vsakem ciklu še naprej povečevala. Po drugi strani pa se je upornost dvoslojne MGG po ~700 ciklih povečala le za približno 2,5-krat. Pri uporabi do 90 % deformacije vzdolž vzporedne smeri se je upornost trislojne grafene po 1000 ciklih povečala za ~100-krat, medtem ko se pri trislojni MGG poveča le za ~8-krat (slika 2E). Rezultati cikliranja so prikazani na sliki S7. Relativno hitrejše povečanje upornosti vzdolž vzporedne smeri deformacije je posledica orientacije razpok, ki je pravokotna na smer pretoka toka. Odstopanje upornosti med obremenitvijo in razbremenitvijo deformacije je posledica viskoelastičnega okrevanja elastomerne podlage SEBS. Stabilnejša upornost trakov MGG med cikliranjem je posledica prisotnosti velikih zvitkov, ki lahko premostijo razpokane dele grafena (kot je bilo opaženo z AFM) in pomagajo ohranjati perkolacijska pot. Ta pojav ohranjanja prevodnosti s perkolacijsko potjo je bil že prej opisan pri razpokanih kovinskih ali polprevodniških filmih na elastomernih substratih (40, 41).
Za oceno teh filmov na osnovi grafena kot vratnih elektrod v raztegljivih napravah smo plast grafena prekrili z dielektrično plastjo SEBS (debeline 2 μm) in spremljali spremembo dielektrične kapacitivnosti kot funkcijo deformacije (za podrobnosti glejte sliko 2F in dodatne materiale). Opazili smo, da se kapacitivnosti z navadnimi enoslojnimi in dvoslojnimi grafenskimi elektrodami hitro zmanjšajo zaradi izgube prevodnosti grafena v ravnini. Nasprotno pa so kapacitivnosti, ki jih odpirajo MGG, kot tudi navaden trislojni grafen, pokazale povečanje kapacitivnosti z deformacijo, kar je pričakovano zaradi zmanjšanja debeline dielektrika z deformacijo. Pričakovano povečanje kapacitivnosti se je zelo dobro ujemalo s strukturo MGG (slika S8). To kaže, da je MGG primeren kot vratna elektroda za raztegljive tranzistorje.
Za nadaljnjo raziskavo vloge 1D grafenskega zvitka na toleranco deformacije električne prevodnosti in boljši nadzor nad ločevanjem med plastmi grafena smo namesto grafenskih zvitkov uporabili CNT, prevlečene s pršenjem (glejte Dodatni materiali). Za posnemanje struktur MGG smo nanesli CNT v treh gostotah (torej CNT1
(A do C) AFM slike treh različnih gostot CNT (CNT1
Da bi bolje razumeli njihovo sposobnost kot elektrod za raztegljivo elektroniko, smo sistematično raziskali morfologijo MGG in G-CNT-G pod napetostjo. Optična mikroskopija in vrstična elektronska mikroskopija (SEM) nista učinkoviti metodi za karakterizacijo, ker obema primanjkuje barvnega kontrasta, SEM pa je podvržen slikovnim artefaktom med elektronskim skeniranjem, ko je grafen na polimernih substratih (sliki S9 in S10). Za opazovanje površine grafena pod napetostjo in situ smo zbrali meritve AFM na trislojnih MGG in navadnem grafenu po prenosu na zelo tanke (debeline ~0,1 mm) in elastične SEBS substrate. Zaradi intrinzičnih napak v CVD grafenu in zunanjih poškodb med postopkom prenosa se na napetem grafenu neizogibno pojavijo razpoke, z naraščajočo napetostjo pa razpoke postanejo gostejše (slika 4, od A do D). Razpoke kažejo različne morfologije, odvisno od strukture zlaganja elektrod na osnovi ogljika (slika S11) (27). Gostota površine razpok (definirana kot površina razpoke/analizirana površina) večplastnega grafena je po deformaciji manjša kot pri enoplastnem grafenu, kar je skladno s povečanjem električne prevodnosti MGG. Po drugi strani pa pogosto opazimo, da zvitki premostijo razpoke in zagotavljajo dodatne prevodne poti v napeti plasti. Na primer, kot je označeno na sliki 4B, je široka zvitek prečkal razpoko v triplastni MGG, v navadni grafeni pa zvitka ni bilo opaziti (slika 4, od E do H). Podobno so tudi ogljikove nanocevke premostile razpoke v grafenu (slika S11). Gostota površine razpok, gostota površine zvitkov in hrapavost plasti so povzete na sliki 4K.
(A do H) In situ AFM slike trislojnih G/G zvitkov (A do D) in trislojnih G struktur (E do H) na zelo tankem SEBS (debeline ~0,1 mm) elastomeru pri 0, 20, 60 in 100 % deformaciji. Reprezentativne razpoke in zvitki so označeni s puščicami. Vse AFM slike so na območju 15 μm × 15 μm, pri čemer je uporabljena ista barvna lestvica kot označena. (I) Simulacijska geometrija vzorčenih enoslojnih grafenskih elektrod na substratu SEBS. (J) Simulacijska konturna karta največje glavne logaritemske deformacije v enoslojnem grafenu in substratu SEBS pri 20 % zunanje deformaciji. (K) Primerjava gostote površine razpok (rdeči stolpec), gostote površine zvitkov (rumeni stolpec) in hrapavosti površine (modri stolpec) za različne grafenske strukture.
Ko se filmi MGG raztegnejo, obstaja pomemben dodaten mehanizem, s katerim lahko zvitki premostijo razpokana območja grafena in tako ohranijo perkolacijska mreža. Grafenski zvitki so obetavni, ker so lahko dolgi več deset mikrometrov in zato sposobni premostiti razpoke, ki so običajno do mikrometrske skale. Poleg tega se pričakuje, da bodo imeli zvitki nizko upornost, ker so sestavljeni iz več plasti grafena. V primerjavi s tem so za zagotavljanje primerljive prevodne premostitvene zmogljivosti potrebna relativno gosta (nižja prepustnost) omrežja iz ogljikovih nanodelcev (CNT), saj so CNT manjši (običajno dolgi nekaj mikrometrov) in manj prevodni kot zvitki. Po drugi strani pa, kot je prikazano na sliki S12, medtem ko grafen med raztezanjem, da se prilagodi napetosti, razpoka, zvitki ne razpokajo, kar kaže na to, da slednji morda drsijo po spodnjem grafenu. Razlog, da ne razpokajo, je verjetno v zviti strukturi, sestavljeni iz številnih plasti grafena (dolge ~1 do 20 μm, široke ~0,1 do 1 μm in visoke ~10 do 100 nm), ki ima višji efektivni modul kot enoslojni grafen. Kot poročata Green in Hersam (42), lahko kovinske mreže CNT (premer cevi 1,0 nm) dosežejo nizke upornosti plasti <100 ohmov/m² kljub veliki spojni upornosti med CNT. Glede na to, da imajo naši grafenski zvitki širino od 0,1 do 1 μm in da imajo zvitki G/G veliko večje kontaktne površine kot CNT, kontaktna upornost in kontaktna površina med grafenom in grafenskima zvitkoma ne bi smela biti omejujoča dejavnika za ohranjanje visoke prevodnosti.
Grafen ima veliko višji modul kot substrat SEBS. Čeprav je efektivna debelina grafenske elektrode veliko manjša od debeline substrata, je togost grafena, pomnožena z njegovo debelino, primerljiva s togostjo substrata (43, 44), kar povzroči zmeren učinek togega otoka. Simulirali smo deformacijo 1 nm debelega grafena na substratu SEBS (za podrobnosti glejte Dodatni materiali). Glede na rezultate simulacije je povprečna deformacija v grafenu pri 20-odstotni zunanji deformaciji v substratu SEBS ~6,6 % (slika 4J in slika S13D), kar je skladno z eksperimentalnimi opažanji (glej sliko S13). Primerjali smo deformacijo v vzorčastih območjih grafena in substrata z optično mikroskopijo in ugotovili, da je deformacija v območju substrata vsaj dvakrat večja od deformacije v območju grafena. To kaže, da bi lahko bila deformacija, ki se uporablja na vzorcih grafenskih elektrod, znatno omejena, kar bi lahko tvorilo toge otoke grafena na vrhu SEBS (26, 43, 44).
Zato sposobnost elektrod MGG, da ohranjajo visoko prevodnost pod visoko napetostjo, verjetno omogočata dva glavna mehanizma: (i) Zvitki lahko premostijo nepovezana območja, da ohranijo prevodno perkolacijsko pot, in (ii) večplastni grafenski listi/elastomer lahko drsijo druga čez drugo, kar ima za posledico manjšo napetost na grafenskih elektrodah. Pri več plasteh prenesenega grafena na elastomer plasti niso močno povezane druga z drugo, kar lahko zaradi napetosti zdrsne (27). Zvitki so povečali tudi hrapavost plasti grafena, kar lahko pomaga povečati razdaljo med plastmi grafena in s tem omogoči drsenje plasti grafena.
Naprave iz ogljika so deležne navdušenja zaradi nizkih stroškov in visoke prepustnosti. V našem primeru so bili tranzistorji iz ogljika izdelani z uporabo spodnjih grafenskih vrat, zgornjih grafenskih kontaktov izvor/odtok, sortiranega polprevodnika CNT in SEBS kot dielektrika (slika 5A). Kot je prikazano na sliki 5B, je naprava iz ogljika s CNT kot izvorom/odtokom in vrati (spodnja naprava) bolj neprozorna kot naprava z grafenskimi elektrodami (zgornja naprava). To je zato, ker CNT mreže zahtevajo večje debeline in posledično nižje optične prepustnosti za doseganje upornosti plasti, podobne tisti pri grafenu (slika S4). Slika 5 (C in D) prikazuje reprezentativne krivulje prenosa in izhoda pred deformacijo za tranzistor, izdelan z dvoslojnimi MGG elektrodami. Širina in dolžina kanala neobremenjenega tranzistorja sta bili 800 oziroma 100 μm. Izmerjeno razmerje vklop/izklop je večje od 103 z vklopnimi in izklopnimi tokovi na ravni 10−5 oziroma 10−8 A. Izhodna krivulja kaže idealne linearne in nasičene režime z jasno odvisnostjo od napetosti na vratih, kar kaže na idealen stik med ogljikovimi nanocevkami (CNT) in grafenskimi elektrodami (45). Ugotovljeno je bilo, da je kontaktna upornost z grafenskimi elektrodami nižja kot pri uparjenem zlatem filmu (glej sliko S14). Nasičena gibljivost raztegljivega tranzistorja je približno 5,6 cm2/Vs, kar je podobno kot pri istih polimerno sortiranih CNT tranzistorjih na togih silicijevih substratih s 300 nm SiO2 kot dielektrično plastjo. Nadaljnje izboljšanje gibljivosti je mogoče z optimizirano gostoto cevi in drugimi vrstami cevi (46).
(A) Shema raztegljivega tranzistorja na osnovi grafena. SWNT, enostenske ogljikove nanocevke. (B) Fotografija raztegljivih tranzistorjev iz grafenskih elektrod (zgoraj) in CNT elektrod (spodaj). Razlika v prosojnosti je jasno opazna. (C in D) Prenosne in izhodne krivulje tranzistorja na osnovi grafena na SEBS pred deformacijo. (E in F) Prenosne krivulje, vklopni in izklopni tok, razmerje vklop/izklop in mobilnost tranzistorja na osnovi grafena pri različnih deformacijah.
Ko je bila prozorna, v celoti ogljikova naprava raztegnjena v smeri, vzporedni s smerjo transporta naboja, je bila opažena minimalna degradacija do 120 % deformacije. Med raztezanjem se je gibljivost stalno zmanjševala od 5,6 cm2/Vs pri 0 % deformaciji do 2,5 cm2/Vs pri 120 % deformaciji (slika 5F). Primerjali smo tudi delovanje tranzistorjev za različne dolžine kanalov (glej tabelo S1). Omeniti velja, da so pri deformaciji do 105 % vsi ti tranzistorji še vedno kazali visoko razmerje vklop/izklop (> 103) in gibljivost (> 3 cm2/Vs). Poleg tega smo povzeli vse nedavno delo na v celoti ogljikovih tranzistorjih (glej tabelo S2) (47–52). Z optimizacijo izdelave naprav na elastomerih in uporabo MGG kot kontaktov naši v celoti ogljikovi tranzistorji kažejo dobro delovanje glede gibljivosti in histereze ter so zelo raztegljivi.
Kot aplikacijo popolnoma prozornega in raztegljivega tranzistorja smo ga uporabili za krmiljenje preklapljanja LED diod (slika 6A). Kot je prikazano na sliki 6B, je zelena LED dioda jasno vidna skozi raztegljivo napravo iz ogljika, ki je nameščena neposredno nad njo. Med raztezanjem do ~100 % (slika 6, C in D) se intenzivnost svetlobe LED diode ne spremeni, kar je skladno z zgoraj opisanim delovanjem tranzistorja (glejte film S1). To je prvo poročilo o raztegljivih krmilnih enotah, izdelanih z uporabo grafenskih elektrod, kar dokazuje novo možnost za raztegljivo grafensko elektroniko.
(A) Vezje tranzistorja za krmiljenje LED diode. GND, ozemljitev. (B) Fotografija raztegljivega in prozornega tranzistorja iz ogljika pri 0 % napetosti, nameščenega nad zeleno LED diodo. (C) Prozoren in raztegljiv tranzistor iz ogljika, ki se uporablja za preklapljanje LED diode, je nameščen nad LED diodo pri 0 % (levo) in ~100 % napetosti (desno). Bele puščice kažejo kot rumeni označevalci na napravi, ki prikazujejo spremembo razdalje med raztezanjem. (D) Stranski pogled na raztegnjen tranzistor, pri čemer je LED dioda potisnjena v elastomer.
Skratka, razvili smo prozorno prevodno grafensko strukturo, ki ohranja visoko prevodnost pri velikih deformacijah kot raztegljive elektrode, kar omogočajo grafenski nanosvitki med zloženimi grafenskimi plastmi. Te dvo- in trislojne MGG elektrodne strukture na elastomeru lahko ohranijo 21 oziroma 65 % svoje 0-odstotne deformacijske prevodnosti pri deformaciji do 100 %, v primerjavi s popolno izgubo prevodnosti pri 5-odstotni deformaciji za tipične enoslojne grafenske elektrode. Dodatne prevodne poti grafenskih zvitkov in šibka interakcija med prenesenimi plastmi prispevajo k vrhunski stabilnosti prevodnosti pri deformaciji. To grafensko strukturo smo nadalje uporabili za izdelavo raztegljivih tranzistorjev iz ogljika. Do sedaj je to najbolj raztegljiv tranzistor na osnovi grafena z najboljšo prosojnostjo brez uporabe upogibanja. Čeprav je bila ta študija izvedena z namenom, da bi omogočili grafen za raztegljivo elektroniko, menimo, da se lahko ta pristop razširi na druge 2D-materiale, da bi omogočili raztegljivo 2D-elektroniko.
Velikopovršinski CVD grafen je bil vzgojen na suspendiranih Cu folijah (99,999 %; Alfa Aesar) pod konstantnim tlakom 0,5 mtorr s 50–SCCM (standardni kubični centimeter na minuto) CH4 in 20–SCCM H2 kot predhodniki pri 1000 °C. Obe strani Cu folije sta bili prekriti z enoslojnim grafenom. Na eno stran Cu folije je bila s centrifugiranjem nanesena tanka plast PMMA (2000 vrt/min; A4, Microchem), pri čemer je nastala struktura PMMA/G/Cu folija/G. Nato je bila celotna folija približno 2 uri namočena v 0,1 M raztopini amonijevega persulfata [(NH4)2S2O8], da se je Cu folija odstranila. Med tem postopkom se je nezaščiten grafen na zadnji strani najprej strgal vzdolž meja zrn in nato zaradi površinske napetosti zvil v zvitke. Zvitki so bili pritrjeni na zgornji grafenski film, podprt s PMMA, in tako so nastali zvitki PMMA/G/G. Filme smo nato večkrat oprali v deionizirani vodi in položili na ciljni substrat, kot je tog SiO2/Si ali plastični substrat. Takoj ko se je pritrjeni film posušil na substratu, smo vzorec zaporedno po 30 sekund namočili v acetonu, 1:1 acetonu/IPA (izopropil alkoholu) in IPA, da smo odstranili PMMA. Filme smo segrevali pri 100 °C 15 minut ali jih čez noč držali v vakuumu, da bi popolnoma odstranili ujeto vodo, preden smo nanje nanesli naslednjo plast G/G zvitka. Ta korak je bil namenjen preprečitvi odtrganja grafenskega filma od substrata in zagotavljanju popolne pokritosti MGG med sproščanjem nosilne plasti PMMA.
Morfologijo strukture MGG smo opazovali z optičnim mikroskopom (Leica) in vrstičnim elektronskim mikroskopom (1 kV; FEI). Za opazovanje podrobnosti G-zvitkov smo uporabili atomski silovni mikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) v načinu tapkanja. Prosojnost filma smo preizkusili z ultravijolično-vidnim spektrometrom (Agilent Cary 6000i). Za teste, ko je bila deformacija vzdolž pravokotne smeri toka, smo uporabili fotolitografijo in O2 plazmo za oblikovanje grafenskih struktur v trakove (širine ~300 μm in dolžine ~2000 μm), Au (50 nm) elektrode pa smo termično nanesli z uporabo senčnih mask na obeh koncih dolge strani. Grafenski trakovi so bili nato postavljeni v stik z elastomerom SEBS (širine ~2 cm in dolžine ~5 cm), pri čemer je bila dolga os trakov vzporedna s kratko stranjo SEBS, nato pa smo uporabili jedkanje z BOE (pufersko oksidno jedkanje) (HF:H2O 1:6) in evtektični galij-indij (EGaIn) kot električne kontakte. Za vzporedne teste deformacije so bile na SEBS substrate prenesene nevzorčene grafenske strukture (~5 × 10 mm), pri čemer so bile dolge osi vzporedne z dolgo stranjo SEBS substrata. V obeh primerih je bil celoten G (brez G zvitkov)/SEBS raztegnjen vzdolž dolge strani elastomera v ročni napravi, in situ pa smo izmerili spremembe njihove upornosti pod obremenitvijo na merilni postaji s polprevodniškim analizatorjem (Keithley 4200-SCS).
Visoko raztegljivi in prozorni tranzistorji iz ogljika na elastičnem substratu so bili izdelani po naslednjih postopkih, da se prepreči poškodba polimernega dielektrika in substrata z organskimi topili. Strukture MGG so bile prenesene na SEBS kot elektrode vrat. Za pridobitev enakomerne tankoplastne polimerne dielektrične plasti (debeline 2 μm) je bila raztopina SEBS toluena (80 mg/ml) nanesena s centrifugiranjem na substrat SiO2/Si, modificiran z oktadeciltriklorosilanom (OTS), pri 1000 vrt/min 1 minuto. Tanko dielektrično plast je mogoče enostavno prenesti s hidrofobne površine OTS na substrat SEBS, prekrit s pripravljenim grafenom. Kondenzator bi lahko izdelali z nanašanjem zgornje elektrode iz tekoče kovine (EGaIn; Sigma-Aldrich) za določitev kapacitivnosti kot funkcije deformacije z uporabo LCR (induktivnost, kapacitivnost, upornost) merilnika (Agilent). Drugi del tranzistorja je bil sestavljen iz polimerno sortiranih polprevodniških CNT, po postopkih, opisanih prej (53). Vzorčaste elektrode izvora/odtoka so bile izdelane na togih substratih SiO2/Si. Nato sta bila oba dela, dielektrik/G/SEBS in CNT/vzorec G/SiO2/Si, laminirana drug na drugega in namočena v BOE, da se odstrani togi SiO2/Si substrat. Tako so bili izdelani popolnoma prozorni in raztegljivi tranzistorji. Električno testiranje pod napetostjo je bilo izvedeno na ročni raztezni napravi po zgoraj omenjeni metodi.
Dodatno gradivo za ta članek je na voljo na spletni strani http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
slika S1. Optičnomikroskopske slike monoslojnega MGG na SiO2/Si substratih pri različnih povečavah.
slika S4. Primerjava upornosti in prepustnosti dvoslojnih plošč pri 550 nm eno-, dvo- in trislojnega navadnega grafena (črni kvadratki), MGG (rdeči krogi) in CNT (modri trikotniki).
Slika S7. Normalizirana sprememba upornosti enoslojnih in dvoslojnih MGG (črna) in G (rdeča) pri ciklični obremenitvi ~1000 do 40 % oziroma 90 % vzporedne deformacije.
slika S10. SEM slika trislojnega MGG na SEBS elastomeru po deformaciji, ki prikazuje dolg prečni prerez zvitka čez več razpok.
slika S12. AFM slika trislojnega MGG na zelo tankem SEBS elastomeru pri 20 % deformaciji, ki kaže, da je zvitek prečkal razpoko.
Tabela S1. Mobilnosti dvoslojnih tranzistorjev MGG–enostenske ogljikove nanocevke pri različnih dolžinah kanalov pred in po deformaciji.
To je članek z odprtim dostopom, distribuiran pod pogoji licence Creative Commons Priznanje avtorstva-Nekomercialno, ki dovoljuje uporabo, distribucijo in reprodukcijo v katerem koli mediju, če nastala uporaba ni namenjena komercialni koristi in če je izvirno delo pravilno citirano.
OPOMBA: Vaš e-poštni naslov zahtevamo le zato, da oseba, ki ji priporočate stran, ve, da ste ji jo želeli pokazati in da ne gre za neželeno pošto. Ne zbiramo nobenega e-poštnega naslova.
To vprašanje je namenjeno preverjanju, ali ste človeški obiskovalec, in preprečevanju samodejnih pošiljanj neželene pošte.
Avtor: 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
Avtor: 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 Ameriško združenje za napredek znanosti. Vse pravice pridržane. AAAS je partner HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef in COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Čas objave: 28. januar 2021