Ultratransparentne in raztegljive grafenske elektrode

Dvodimenzionalni materiali, kot je grafen, so privlačni tako za običajne polprevodniške aplikacije kot za nastajajoče aplikacije v prilagodljivi elektroniki. Vendar pa visoka natezna trdnost grafena povzroči lomljenje pri nizki obremenitvi, 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 plastmi grafena, ki jih imenujemo večplastni grafen/grafenski zvitki (MGG). Pod obremenitvijo so nekateri zvitki premostili razdrobljene domene grafena, da bi ohranili prepustno mrežo, ki je omogočila odlično prevodnost pri velikih obremenitvah. Trislojni MGG, podprti na elastomerih, so ohranili 65 % svoje prvotne prevodnosti pri 100 % deformaciji, ki je pravokotna na smer toka toka, medtem ko so trislojni filmi grafena brez nanosvitkov ohranili le 25 % svoje začetne prevodnosti. Raztegljiv povsem ogljikov tranzistor, izdelan z uporabo MGG kot elektrod, je pokazal prepustnost >90 % in obdržal 60 % prvotnega izhodnega toka pri 120 % napetosti (vzporedno s smerjo transporta naboja). Ti zelo raztegljivi in ​​pregledni vse-ogljikovi tranzistorji bi lahko omogočili sofisticirano raztegljivo optoelektroniko.
Raztegljiva prosojna elektronika je rastoče področje, ki ima pomembne aplikacije v naprednih biointegriranih sistemih (1, 2), pa tudi možnost integracije z raztegljivo optoelektroniko (3, 4) za izdelavo sofisticirane mehke robotike in zaslonov. Grafen ima zelo zaželene lastnosti atomske debeline, visoke preglednosti in visoke prevodnosti, vendar je njegovo uporabo v raztegljivih aplikacijah zavirala njegova nagnjenost k pokanju pri majhnih obremenitvah. Premagovanje mehanskih omejitev grafena bi lahko omogočilo novo funkcionalnost v raztegljivih prozornih napravah.
Zaradi edinstvenih lastnosti grafena je močan kandidat za naslednjo generacijo prozornih prevodnih elektrod (5, 6). V primerjavi z najpogosteje uporabljenim prozornim prevodnikom, indij-kositrovim oksidom [ITO; 100 ohmov/kvadrat (sq) pri 90-odstotni prosojnosti] ima enoslojni grafen, pridelan s kemičnim naparjevanjem (CVD), podobno kombinacijo odpornosti plošč (125 ohmov/sq) in prosojnosti (97,4 %) (5). Poleg tega imajo grafenske folije izjemno fleksibilnost v primerjavi z ITO (7). Na primer, na plastičnem substratu se njegova prevodnost lahko ohrani tudi pri upogibnem polmeru ukrivljenosti, ki je le 0,8 mm (8). Za nadaljnje izboljšanje njegove električne zmogljivosti kot prozornega upogljivega prevodnika so prejšnja dela razvila grafenske hibridne materiale z enodimenzionalnimi (1D) srebrovimi nanožicami ali ogljikovimi nanocevkami (CNT) (9–11). Poleg tega se je grafen uporabljal kot elektrode za mešane dimenzionalne heterostrukturne polprevodnike (kot so 2D masi Si, 1D nanožice/nanocevke in 0D kvantne pike) (12), upogljive 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 ravninsko togost 340 N/m in Youngov modul 0,5 TPa ( 26). Močna mreža ogljik-ogljik ne zagotavlja nobenih mehanizmov za disipacijo energije za uporabljeno obremenitev in zato zlahka poči pri manj kot 5% obremenitvi. Na primer, CVD grafen, prenesen na elastičen substrat iz polidimetilsiloksana (PDMS), lahko ohrani svojo prevodnost le pri manj kot 6 % napetosti (8). Teoretični izračuni kažejo, da bi moralo zmečkanje in medsebojno delovanje različnih plasti močno zmanjšati togost (26). Z zlaganjem grafena v več plasti poročajo, da je ta dvo- ali trislojni grafen raztegljiv do 30-odstotne deformacije, pri čemer kaže spremembo upora, ki je 13-krat manjša kot pri enoplastnem grafenu (27). Vendar je ta raztegljivost še vedno bistveno slabša od najsodobnejših raztegljivih prevodnikov (28, 29).
Tranzistorji so pomembni pri raztegljivih aplikacijah, ker omogočajo sofisticirano odčitavanje senzorjev in analizo signalov (30, 31). Tranzistorji na PDMS z večslojnim grafenom kot izvorno/odvodno elektrodo in kanalskim materialom lahko ohranijo električno funkcijo do 5 % napetosti (32), kar je občutno pod minimalno zahtevano vrednostjo (~50 %) za nosljive senzorje za spremljanje zdravja in elektronsko kožo ( 33, 34). Pred kratkim so raziskali grafenski kirigami pristop in tranzistor, ki ga zapira tekoči elektrolit, je mogoče raztegniti do 240 % (35). Vendar ta metoda zahteva suspendirani grafen, kar oteži postopek izdelave.
Tukaj dosežemo visoko raztegljive grafenske naprave z vstavljanjem grafenskih zvitkov (~ 1 do 20 μm dolgih, ~ 0,1 do 1 μm širokih in ~ 10 do 100 nm visokih) med plasti grafena. Predvidevamo, da bi ti grafenski zvitki lahko zagotovili prevodne poti za premostitev razpok v grafenskih ploščah in tako ohranili visoko prevodnost pod obremenitvijo. Zvitki grafena ne zahtevajo dodatne sinteze ali postopka; naravno nastanejo med postopkom mokrega prenosa. Z uporabo večplastnih G/G (grafen/grafen) zvitkov (MGG), grafenskih raztegljivih elektrod (izvor/odvod in vrata) in polprevodniških CNT smo lahko prikazali zelo prosojne in zelo raztegljive ogljikove tranzistorje, ki jih je mogoče raztegniti na 120 % deformacije (vzporedno s smerjo transporta naboja) in ohranijo 60 % svojega prvotnega izhodnega toka. To je najbolj raztegljiv transparenten tranzistor na osnovi ogljika doslej in zagotavlja zadosten tok za pogon anorganske LED.
Da bi omogočili prosojne raztegljive grafenske elektrode z veliko površino, smo izbrali grafen, vzgojen s CVD, na Cu foliji. Cu folija je bila obešena na sredino kvarčne cevi CVD, da je omogočila rast grafena na obeh straneh, pri čemer so nastale strukture G/Cu/G. Za prenos grafena smo najprej centrifugirano premazali tanko plast poli(metil metakrilata) (PMMA), da zaščitimo eno stran grafena, ki smo jo poimenovali topside graphene (obratno za drugo stran grafena), nato pa celoten film (PMMA/zgornji grafen/Cu/spodnji grafen) je bil namočen v raztopino (NH4)2S2O8, da se jedka stran Cu folije. Grafen na spodnji strani brez prevleke iz PMMA bo imel neizogibno razpoke in napake, ki omogočajo, da jedkano sredstvo prodre skozi (36, 37). Kot je prikazano na sliki 1A, so se pod vplivom površinske napetosti sproščene grafenske domene zvile v zvitke in nato pritrdile na preostali top-G/PMMA film. Top-G/G svitke je mogoče prenesti na katero koli podlago, kot je SiO2/Si, steklo ali mehki polimer. Večkratna ponovitev tega postopka prenosa na isti substrat daje strukture MGG.
(A) Shematski prikaz postopka izdelave MGG kot raztegljive elektrode. Med prenosom grafena je bil zadnji grafen na bakreni foliji zlomljen na mejah in napakah, zvit v poljubne oblike in tesno pritrjen na zgornje filme, ki tvorijo nanosvitke. Četrta risanka prikazuje zloženo strukturo MGG. (B in C) Karakterizacije TEM z visoko ločljivostjo enoslojnega MGG, ki se osredotočajo na enoslojni grafen (B) oziroma območje zvitka (C). Vložek (B) je slika z majhno povečavo, ki prikazuje celotno morfologijo enoslojnih MGG na mreži TEM. Vstavki (C) so profili intenzivnosti, vzeti vzdolž pravokotnih polj, navedenih na sliki, kjer so razdalje med atomskimi ravninami 0,34 in 0,41 nm. (D ) Ogljikov K-robni EEL spekter z označenima značilnima grafitnima vrhovoma π* in σ*. (E) Presek AFM slike enoslojnih zvitkov G/G s profilom višine vzdolž rumene pikčaste črte. (F do I) Optična mikroskopija in AFM slike trislojnega G brez (F in H) oziroma z zvitki (G in I) na substratih SiO2/Si debeline 300 nm. Reprezentativni zvitki in gube so bili označeni, da bi poudarili njihove razlike.
Da bi preverili, ali so zvitki po naravi zvit grafen, smo izvedli študije transmisijske elektronske mikroskopije z visoko ločljivostjo (TEM) in spektroskopije izgube elektronske energije (EEL) na enoslojnih top-G/G zvitkih strukturah. Slika 1B prikazuje heksagonalno strukturo enoslojnega grafena, vložek pa je splošna morfologija filma, prekritega z eno samo ogljikovo luknjo mreže TEM. Enoslojni grafen obsega večino mreže in pojavi se nekaj kosmičev grafena v prisotnosti več nizov šesterokotnih obročev (slika 1B). S povečavo posameznega zvitka (slika 1C) smo opazili veliko količino grafenskih mrežnih robov z razmikom mreže v območju od 0,34 do 0,41 nm. Te meritve kažejo, da so kosmiči naključno zviti in niso popolni grafit, ki ima razmik med mrežo 0,34 nm v zlaganju plasti "ABAB". Slika 1D prikazuje spekter EEL ogljikovega K-roba, kjer vrh pri 285 eV izvira iz orbitale π*, drugi pri 290 eV pa je posledica prehoda orbitale σ*. Vidimo lahko, da v tej strukturi prevladuje vezava sp2, kar potrjuje, da so zvitki zelo grafitni.
Slike z optično mikroskopijo in mikroskopijo z atomsko silo (AFM) nudijo vpogled v porazdelitev grafenskih nanosvitkov v MGG (slika 1, E do G in 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), so zvitki znatno večji od gub, kar vodi do veliko bolj grobega vmesnika med plastmi grafena.
Za merjenje električnih lastnosti smo z uporabo fotolitografije oblikovali grafenske filme z ali brez drsnih struktur in zlaganjem plasti v 300 μm široke in 2000 μm dolge trakove. Odpornost dveh sond kot funkcija deformacije je bila izmerjena v okoljskih pogojih. Prisotnost zvitkov je zmanjšala upornost enoslojnega grafena za 80 % s samo 2,2 % zmanjšanjem prepustnosti (slika S4). To potrjuje, da imajo nanosvitki, ki imajo visoko gostoto toka do 5 × 107 A/cm2 (38, 39), zelo pozitiven električni prispevek k MGG. Med vsemi eno-, dvo- in trislojnimi navadnimi grafeni in MGG ima trislojni MGG najboljšo prevodnost s skoraj 90-odstotno preglednostjo. Za primerjavo z drugimi viri grafena, navedenimi v literaturi, smo izmerili tudi upornost pločevine s štirimi sondami (slika S5) in jih navedli kot funkcijo prepustnosti pri 550 nm (slika S6) na sliki 2A. MGG kaže primerljivo ali večjo prevodnost in prosojnost kot umetno zložen večplastni navadni grafen in reduciran grafenov oksid (RGO) (6, 8, 18). Upoštevajte, da so odpornosti plošč umetno zloženega večplastnega navadnega grafena iz literature nekoliko višje kot pri našem MGG, verjetno zaradi njihovih neoptimiziranih pogojev rasti in metode prenosa.
(A) Odpornost pločevine s štirimi sondami v primerjavi s prepustnostjo pri 550 nm za več vrst grafena, kjer črni kvadratki označujejo eno-, dvo- in trislojne MGG; rdeči krogi in modri trikotniki ustrezajo večplastnemu navadnemu grafenu, gojenemu na Cu in Ni iz študij Li et al. (6) in Kim et al. (8) in nato prenese na SiO2/Si ali kremen; in zeleni trikotniki so vrednosti za RGO pri različnih redukcijskih stopnjah iz študije Bonaccorso et al. ( 18). (B in C) Normalizirana sprememba upora eno-, dvo- in trislojnih MGG in G kot funkcija pravokotne (B) in vzporedne (C) napetosti na smer toka toka. (D) Normalizirana sprememba odpornosti dvosloja G (rdeča) in MGG (črna) pod ciklično deformacijo do 50% pravokotne deformacije. (E) Normalizirana sprememba odpornosti trisloja G (rdeča) in MGG (črna) pod ciklično deformacijo do 90 % vzporedne deformacije. (F) Normalizirana sprememba kapacitivnosti eno-, dvo- in trislojnih G ter dvo- in trislojnih MGG kot funkcija napetosti. Vložek je struktura kondenzatorja, kjer je polimerni substrat SEBS, polimerna dielektrična plast pa je 2 μm debel SEBS.
Da bi ocenili delovanje MGG, odvisno od deformacije, smo prenesli grafen na substrate iz termoplastičnega elastomera stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) (~2 cm širok in ~5 cm dolg) in prevodnost smo izmerili, ko je bil substrat raztegnjen (glejte Materiali in metode) pravokotno in vzporedno s smerjo toka (sl. 2, B in C). Električno obnašanje, odvisno od deformacije, se je izboljšalo z vključitvijo nanosvitkov in naraščajočim številom grafenskih plasti. Na primer, ko je deformacija pravokotna na tok toka, je za enoslojni grafen dodatek zvitkov povečal deformacijo pri električnem prelomu s 5 na 70 %. Toleranca na deformacijo trislojnega grafena je prav tako znatno izboljšana v primerjavi z enoslojnim grafenom. Z nanosvitki, pri 100-odstotni pravokotni deformaciji, se je odpornost trislojne strukture MGG povečala le za 50 % v primerjavi s 300 % za trislojni grafen brez zvitkov. Raziskovali smo spremembo upora pri ciklični deformacijski obremenitvi. Za primerjavo (slika 2D) se je upornost navadnega dvoslojnega grafenskega filma povečala približno 7,5-krat po ~700 ciklih pri 50-odstotni pravokotni deformaciji in je naraščala z deformacijo v vsakem ciklu. Po drugi strani pa se je odpornost dvoslojnega MGG povečala le približno 2, 5-krat po ~ 700 ciklih. Z uporabo do 90 % deformacije vzdolž vzporedne smeri se je odpornost trislojnega grafena povečala ~100-krat po 1000 ciklih, medtem ko je le ~8-krat v trislojni MGG (slika 2E). Rezultati kolesarjenja so prikazani na sl. S7. Relativno hitrejše povečanje upora vzdolž vzporedne smeri deformacije je posledica tega, da je orientacija razpok pravokotna na smer toka toka. Odstopanje upora med obremenitvijo in razbremenitvijo je posledica viskoelastične obnovitve elastomernega substrata SEBS. Stabilnejša odpornost trakov MGG med kroženjem je posledica prisotnosti velikih zvitkov, ki lahko premostijo razpokane dele grafena (kot je opazil AFM), kar pomaga vzdrževati perkolacijsko pot. O tem pojavu ohranjanja prevodnosti s perkolacijsko potjo so že poročali za razpokane kovinske ali polprevodniške filme na elastomernih substratih (40, 41).
Za ovrednotenje teh filmov na osnovi grafena kot vratnih elektrod v raztegljivih napravah smo prekrili grafensko plast z dielektrično plastjo SEBS (debeline 2 μm) in spremljali spremembo dielektrične kapacitivnosti kot funkcijo napetosti (glej sliko 2F in dopolnilne materiale za podrobnosti). Opazili smo, da so se kapacitivnosti z navadnimi enoslojnimi in dvoslojnimi grafenskimi elektrodami hitro zmanjšale zaradi izgube prevodnosti grafena v ravnini. V nasprotju s tem so kapacitivnosti, ki jih prekrivajo 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 pomeni, da je MGG primeren kot zaporna elektroda za raztegljive tranzistorje.
Za nadaljnjo raziskavo vloge 1D grafenskega zvitka na deformacijsko toleranco električne prevodnosti in boljši nadzor nad ločevanjem med plastmi grafena smo uporabili CNT, prevlečene z razpršilom, za zamenjavo grafenskih zvitkov (glejte Dodatni materiali). Za posnemanje struktur MGG smo nanesli tri gostote CNT (to je CNT1
(A do C) AFM slike treh različnih gostot CNT (CNT1
Za nadaljnje razumevanje njihove zmožnosti 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 karakterizacijski metodi, ker obe nimata barvnega kontrasta, SEM pa je podvržen artefaktom slike med skeniranjem elektronov, ko je grafen na polimernih substratih (sliki S9 in S10). Za opazovanje površine grafena pod obremenitvijo in situ smo zbrali meritve AFM na trislojnih MGG in navadnem grafenu po prenosu na zelo tanke (~0,1 mm debele) in elastične podlage SEBS. Zaradi intrinzičnih napak v grafenu CVD in zunanjih poškodb med postopkom prenosa se na raztegnjenem grafenu neizogibno ustvarijo razpoke, z naraščajočo obremenitvijo pa so razpoke postale gostejše (sl. 4, A do D). Odvisno od strukture zlaganja elektrod na osnovi ogljika imajo razpoke različne morfologije (slika S11) (27). Gostota območja razpoke (opredeljena kot območje razpoke/analizirano območje) večplastnega grafena je manjša od gostote enoslojnega grafena po deformaciji, kar je skladno s povečanjem električne prevodnosti za MGG. Po drugi strani pa se pogosto opazi, da zvitki premostijo razpoke, kar zagotavlja dodatne prevodne poti v napetem filmu. Na primer, kot je označeno na sliki na sliki 4B, je širok zvitek prečkal razpoko v trislojni MGG, vendar v navadnem grafenu ni bilo opaziti zvitka (sl. 4, E do H). Podobno so CNT-ji premostili tudi razpoke v grafenu (slika S11). Gostota območja razpok, gostota drsnega območja in hrapavost filmov so povzeti 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 elastomeru SEBS (~0,1 mm debeline) pri 0, 20, 60 in 100 % seva. Reprezentativne razpoke in zvitki so označeni s puščicami. Vse slike AFM so na območju 15 μm × 15 μm, z uporabo iste barvne lestvice, kot je označena. (I) Simulacijska geometrija vzorčastih enoslojnih grafenskih elektrod na substratu SEBS. (J) Simulacijski konturni zemljevid največje glavne logaritemske deformacije v enoplastnem grafenu in substratu SEBS pri 20% zunanji deformaciji. (K) Primerjava gostote območja razpok (rdeč stolpec), gostote območja drsenja (rumeni stolpec) in hrapavosti površine (modri stolpec) za različne strukture grafena.
Ko so filmi MGG raztegnjeni, obstaja pomemben dodaten mehanizem, s katerim lahko zvitki premostijo razpokana področja grafena in tako ohranijo perkolacijsko mrežo. Zvitki iz grafena so obetavni, ker so lahko dolgi več deset mikrometrov in zato lahko premostijo razpoke, ki so običajno do mikrometrske velikosti. Ker so zvitki sestavljeni iz več plasti grafena, se pričakuje, da bodo imeli nizko odpornost. Za primerjavo so razmeroma gosta (nižja prepustnost) omrežja CNT potrebna za zagotavljanje primerljive prevodne premostitvene zmogljivosti, saj so CNT manjši (običajno nekaj mikrometrov v dolžino) in manj prevodni kot svitki. Po drugi strani, kot je prikazano na sl. S12, medtem ko grafen poči med raztezanjem, da se prilagodi napetosti, zvitki ne počijo, kar kaže, da slednji morda drsijo po spodnjem grafenu. Razlog, da ne počijo, je verjetno zvita struktura, sestavljena iz številnih plasti grafena (~1 do 20 μm dolgih, ~0,1 do 1 μm širokih in ~10 do 100 nm visokih), ki ima višji efektivni modul kot enoslojni grafen. Kot sta poročala Green in Hersam (42), lahko kovinske CNT mreže (premer cevi 1,0 nm) dosežejo nizke ploščate upore <100 ohmov/sq kljub velikemu spojnemu uporu med CNT. Glede na to, da imajo naši zvitki iz grafena širine od 0,1 do 1 μm in da imajo zvitki G/G veliko večjo kontaktno površino kot CNT, kontaktni upor in kontaktna površina med grafenom in zvitki iz grafena ne bi smela biti omejujoča dejavnika za ohranjanje visoke prevodnosti.
Grafen ima veliko višji modul kot substrat SEBS. Čeprav je dejanska debelina grafenske elektrode veliko nižja od debeline substrata, je togost grafena, pomnožena z njegovo debelino, primerljiva s togostjo substrata (43, 44), kar ima za posledico zmeren učinek togega otoka. Simulirali smo deformacijo 1-nm debelega grafena na substratu SEBS (za podrobnosti glejte dodatne materiale). Glede na rezultate simulacije je povprečna deformacija grafena pri 20-odstotni deformaciji na substrat SEBS ~6,6 % (sl. 4J in sl. S13D), kar je skladno z eksperimentalnimi opazovanji (glej sl. S13). . Z optično mikroskopijo smo primerjali napetost v vzorčastih regijah grafena in substrata in ugotovili, da je napetost v regiji substrata vsaj dvakrat večja od napetosti v regiji grafena. To kaže, da bi lahko bila napetost, uporabljena na vzorcih grafenskih elektrod, znatno omejena in tvorila grafenske toge otoke na vrhu SEBS (26, 43, 44).
Zato je zmožnost elektrod MGG, da ohranijo visoko prevodnost pod velikimi obremenitvami, verjetno omogočena z dvema glavnima mehanizmoma: (i) zvitki lahko premostijo nepovezana območja, da ohranijo prevodno perkolacijsko pot, in (ii) večplastne grafenske plošče/elastomer lahko zdrsnejo druga čez drugo, kar ima za posledico zmanjšano obremenitev grafenskih elektrod. Za več plasti prenesenega grafena na elastomeru plasti niso močno pritrjene med seboj, kar lahko zdrsne kot odziv na napetost (27). Zvitki so povečali tudi hrapavost grafenskih plasti, kar lahko pomaga povečati ločitev med grafenskimi plastmi in tako omogoči drsenje grafenskih plasti.
Popolnoma ogljikove naprave se navdušeno zasledujejo zaradi nizkih stroškov in visoke zmogljivosti. V našem primeru so bili popolnoma ogljikovi tranzistorji izdelani z uporabo spodnjih grafenskih vrat, zgornjega grafenskega kontakta izvor/odvod, razvrščenega polprevodnika CNT in SEBS kot dielektrika (slika 5A). Kot je prikazano na sliki 5B, je popolnoma ogljikova naprava s CNT kot virom/odtokom in vrati (spodnja naprava) bolj neprozorna kot naprava z grafenskimi elektrodami (zgornja naprava). To je zato, ker omrežja CNT zahtevajo večje debeline in posledično nižjo optično prepustnost, da bi dosegli odpornost pločevine, podobno kot pri grafenu (slika S4). Slika 5 (C in D) prikazuje reprezentativne krivulje prenosa in izhoda pred deformacijo za tranzistor, narejen z dvoslojnimi elektrodami MGG. Širina kanala in dolžina nenapetega tranzistorja sta bili 800 oziroma 100 μm. Izmerjeno razmerje vklop/izklop je večje od 103 z vklopnimi in izklopnimi tokovi na nivojih 10−5 oziroma 10−8 A. Izhodna krivulja kaže idealne linearne in nasičene režime z jasno odvisnostjo od napetosti vrat, kar kaže na idealen stik med CNT in grafenskimi elektrodami (45). Ugotovljeno je bilo, da je kontaktni upor z grafenskimi elektrodami nižji kot z uparjenim Au filmom (glej sliko S14). Mobilnost nasičenja raztegljivega tranzistorja je približno 5,6 cm2/Vs, podobno kot pri istih polimerno razvrščenih CNT tranzistorjih na togih Si substratih s 300-nm SiO2 kot dielektrično plastjo. Nadaljnje izboljšanje mobilnosti je možno 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 preglednosti 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, vklopno/izklopno razmerje in mobilnost tranzistorja na osnovi grafena pri različnih napetostih.
Ko je bila prozorna naprava iz ogljika raztegnjena v smeri, ki je vzporedna s smerjo transporta naboja, je bila opažena minimalna degradacija do 120 % deformacije. Med raztezanjem se je gibljivost stalno zmanjševala s 5,6 cm2/Vs pri 0 % deformaciji na 2,5 cm2/Vs pri 120 % deformaciji (slika 5F). Primerjali smo tudi zmogljivost tranzistorja za različne dolžine kanala (glej tabelo S1). Predvsem pri deformaciji, veliki kot 105 %, so vsi ti tranzistorji še vedno pokazali visoko razmerje vklop/izklop (>103) in mobilnost (>3 cm2/Vs). Poleg tega smo povzeli vse nedavno delo o popolnoma ogljikovih tranzistorjih (glej tabelo S2) (47–52). Z optimizacijo izdelave naprav na elastomerih in uporabo MGG kot kontaktov naši popolnoma ogljikovi tranzistorji kažejo dobro zmogljivost v smislu mobilnosti in histereze ter so zelo raztegljivi.
Kot aplikacijo popolnoma prozornega in raztegljivega tranzistorja smo ga uporabili za nadzor preklopa LED (slika 6A). Kot je prikazano na sliki 6B, je zelena LED jasno vidna skozi raztegljivo karbonsko napravo, nameščeno neposredno zgoraj. Med raztezanjem na ~100 % (sl. 6, C in D) se intenzivnost svetlobe LED ne spremeni, kar je skladno z zgoraj opisano zmogljivostjo tranzistorja (glejte film S1). To je prvo poročilo o raztegljivih krmilnih enotah, izdelanih z uporabo grafenskih elektrod, ki prikazujejo novo možnost za grafensko raztegljivo elektroniko.
(A) Vezje tranzistorja za pogon LED. GND, ozemljitev. (B) Fotografija raztegljivega in prozornega ogljikovega tranzistorja pri 0 % deformaciji, nameščenega nad zeleno LED. (C) Povsem ogljikov transparenten in raztegljiv tranzistor, ki se uporablja za preklop LED, je nameščen nad LED pri 0 % (levo) in ~100 % napetosti (desno). Bele puščice kažejo kot rumene oznake na napravi, ki prikazujejo raztegnjeno spremembo razdalje. (D) Stranski pogled na raztegnjen tranzistor z LED, potisnjeno v elastomer.
Za zaključek smo razvili prozorno prevodno strukturo grafena, ki ohranja visoko prevodnost pri velikih obremenitvah kot raztegljive elektrode, kar omogočajo grafenski nanosvitki med zloženimi plastmi grafena. Te dvo- in trislojne elektrodne strukture MGG na elastomeru lahko ohranijo 21 oziroma 65 % svojih 0 % prevodnosti deformacije pri deformaciji do 100 % v primerjavi s popolno izgubo prevodnosti pri deformaciji 5 % za tipične enoslojne grafenske elektrode. . Dodatne prevodne poti grafenskih zvitkov kot tudi šibka interakcija med prenesenimi plastmi prispevajo k vrhunski stabilnosti prevodnosti pod obremenitvijo. To strukturo grafena smo nadalje uporabili za izdelavo vse-ogljikovih raztegljivih tranzistorjev. Doslej je to najbolj raztegljiv tranzistor na osnovi grafena z najboljšo preglednostjo brez uporabe upogibanja. Čeprav je bila ta študija izvedena, da bi omogočila grafen za raztegljivo elektroniko, verjamemo, da je ta pristop mogoče razširiti na druge 2D materiale, da bi omogočili raztegljivo 2D elektroniko.
CVD grafen z velikimi površinami je bil gojen 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 prekurzorjema pri 1000 °C. Obe strani Cu folije sta bili prekriti z enoslojnim grafenom. Tanka plast PMMA (2000 vrt./min; A4, Microchem) je bila centrifugirano na eni strani Cu folije, pri čemer je nastala struktura PMMA/G/Cu folija/G. nato je bil celoten film namočen v 0,1 M raztopini amonijevega persulfata [(NH4)2S2O8] za približno 2 uri, da se jedka stran Cu folije. Med tem postopkom se je nezaščiten zadnji grafen najprej strgal vzdolž meja zrn in se nato zaradi površinske napetosti zvil v zvitke. Zvitki so bili pritrjeni na zgornji grafenski film, podprt s PMMA, in so tvorili zvitke PMMA/G/G. Filmi so bili nato večkrat oprani v deionizirani vodi in položeni na ciljni substrat, kot je togi SiO2/Si ali plastični substrat. Takoj, ko se je pritrjeni film posušil na substratu, smo vzorec zaporedoma namočili v aceton, 1:1 aceton/IPA (izopropil alkohol) in IPA za 30 s vsakega, da smo odstranili PMMA. Filme smo segrevali pri 100 °C 15 minut ali jih hranili v vakuumu čez noč, da smo popolnoma odstranili ujeto vodo, preden smo nanjo prenesli drugo plast zvitka G/G. Ta korak je bil preprečiti ločitev grafenskega filma od podlage in zagotoviti popolno pokritost MGG med sproščanjem nosilne plasti PMMA.
Morfologijo strukture MGG smo opazovali z optičnim mikroskopom (Leica) in vrstičnim elektronskim mikroskopom (1 kV; FEI). Mikroskop na atomsko silo (Nanoscope III, Digital Instrument) je deloval v načinu tapkanja, da bi opazoval podrobnosti G zvitkov. Transparentnost filma smo testirali z ultravijoličnim vidnim spektrometrom (Agilent Cary 6000i). Za teste, ko je bila deformacija vzdolž pravokotne smeri tokovnega toka, sta bili uporabljeni fotolitografija in O2 plazma za vzorčenje grafenskih struktur v trakove (~ 300 μm široke in ~ 2000 μm dolge), Au (50 nm) elektrode pa so bile termično deponirane z uporabo senčne maske na obeh koncih dolge stranice. Grafenske trakove smo nato postavili v stik z elastomerom SEBS (~2 cm širok in ~5 cm dolg), pri čemer je bila dolga os trakov vzporedna s krajšo stranjo SEBS, čemur je sledil BOE (jedkanje pufrskega oksida) (HF:H2O). 1:6) jedkanje in evtektični galij-indij (EGaIn) kot električni kontakti. Za vzporedne deformacijske teste so bile strukture grafena brez vzorca (~ 5 × 10 mm) prenesene na substrate SEBS z dolgimi osemi, vzporednimi z dolgo stranjo substrata SEBS. V obeh primerih je bil celoten G (brez G zvitkov)/SEBS raztegnjen vzdolž dolge stranice elastomera v ročnem aparatu in na kraju samem smo izmerili njihove spremembe upora pod napetostjo na sondni postaji s polprevodniškim analizatorjem (Keithley 4200 -SCS).
Zelo raztegljivi in ​​prozorni ogljikovi tranzistorji na elastičnem substratu so bili izdelani po naslednjih postopkih, da bi se izognili poškodbam polimernega dielektrika in substrata zaradi organskih topil. Strukture MGG so bile prenesene na SEBS kot zaporne elektrode. Da bi dobili enakomerno tankoplastno polimerno dielektrično plast (debeline 2 μm), smo raztopino SEBS toluena (80 mg/ml) centrifugirali na substrat SiO2/Si, modificiran z oktadeciltriklorosilanom (OTS) pri 1000 obratih na minuto 1 minuto. Tanek dielektrični film je mogoče enostavno prenesti s hidrofobne površine OTS na substrat SEBS, prekrit s pripravljenim grafenom. Kondenzator je mogoče izdelati z nanosom tekoče kovine (EGaIn; Sigma-Aldrich) na zgornjo elektrodo za določitev kapacitivnosti kot funkcije deformacije z uporabo merilnika LCR (induktivnost, kapacitivnost, upor) (Agilent). Drugi del tranzistorja je bil sestavljen iz polprevodniških CNT-jev, razvrščenih po polimerih, po predhodno opisanih postopkih (53). Vzorčaste izvorne/odvodne elektrode so bile izdelane na togih substratih SiO2/Si. Nato sta bila oba dela, dielektrični/G/SEBS in CNT/vzorčasti G/SiO2/Si, laminirana drug na drugega in namočena v BOE, da se odstrani togi substrat SiO2/Si. Tako so bili izdelani popolnoma prozorni in raztegljivi tranzistorji. Električno testiranje pod napetostjo je bilo izvedeno na ročni raztezni napravi kot prej omenjena metoda.
Dodatno gradivo za ta članek je na voljo na http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Optične mikroskopske slike enoslojnega MGG na substratih SiO2/Si pri različnih povečavah.
fig. S4. Primerjava odpornosti plošče z dvema sondama in prepustnosti pri 550 nm eno-, dvo- in trislojnega navadnega grafena (črni kvadrati), MGG (rdeči krogi) in CNT (modri trikotnik).
fig. S7. Normalizirana sprememba odpornosti eno- in dvoslojnih MGG (črna) in G (rdeča) pod ~1000 ciklično deformacijo do 40 oziroma 90 % vzporedne deformacije.
fig. S10. SEM slika trislojnega MGG na SEBS elastomeru po deformaciji, ki prikazuje dolg drsni križ čez več razpok.
fig. S12. Slika AFM trislojnega MGG na zelo tankem elastomeru SEBS pri 20 % deformaciji, ki kaže, da je zvitek prečkal razpoko.
tabela S1. Gibljivost dvoslojnih MGG-enostenskih tranzistorjev ogljikovih nanocevk pri različnih dolžinah kanala pred in po deformaciji.
To je članek z odprtim dostopom, ki se distribuira pod pogoji licence Creative Commons Attribution-NonCommercial, ki dovoljuje uporabo, distribucijo in reprodukcijo v katerem koli mediju, če posledična uporaba ni v komercialne namene in če je izvirno delo pravilno citirano.
OPOMBA: Vaš e-poštni naslov zahtevamo samo zato, da oseba, ki ji priporočate stran, ve, da ste želeli, da jo vidi, in da to ni neželena pošta. Ne zajemamo nobenega e-poštnega naslova.
To vprašanje je namenjeno preverjanju, ali ste človeški obiskovalec ali ne, in preprečevanju samodejnega pošiljanja 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.