A kétdimenziós anyagok, mint például a grafén, vonzóak mind a hagyományos félvezető alkalmazásokhoz, mind a rugalmas elektronikai alkalmazásokhoz.A grafén nagy szakítószilárdsága azonban kis igénybevétel mellett is repedést eredményez, ami kihívást jelent rendkívüli elektronikus tulajdonságainak kihasználása nyújtható elektronikában.Az átlátszó grafénvezetők kiváló feszültségfüggő teljesítményének lehetővé tétele érdekében grafén nanoscrollokat hoztunk létre az egymásra helyezett grafénrétegek között, amelyeket többrétegű grafén/graféntekercseknek (MGG) nevezünk.Feszültség alatt egyes tekercsek áthidalták a grafén töredezett doménjeit, hogy fenntartsák a perkolációs hálózatot, amely kiváló vezetőképességet tesz lehetővé nagy feszültségeknél.Az elasztomerekre támasztott háromrétegű MGG-k megtartották eredeti vezetőképességük 65%-át 100%-os alakváltozásnál, ami merőleges az áram áramlási irányára, míg a nanoscrollok nélküli háromrétegű grafénfilmek csak a kiindulási vezetőképességük 25%-át tartották meg.Az MGG-k elektródaként történő felhasználásával előállított, nyújtható, teljesen széntranzisztor 90%-nál nagyobb áteresztőképességet mutatott, és megtartotta eredeti áramkimenetének 60%-át 120%-os feszültség mellett (a töltésszállítás irányával párhuzamosan).Ezek a rendkívül nyújtható és átlátszó teljes széntranzisztorok kifinomult, nyújtható optoelektronikát tesznek lehetővé.
A nyújtható átlátszó elektronika egyre növekvő terület, amelynek fontos alkalmazásai vannak a fejlett biointegrált rendszerekben (1, 2), valamint a nyújtható optoelektronikával (3, 4) való integráció lehetősége kifinomult puha robotok és kijelzők előállítására.A grafén igen kívánatos tulajdonságokkal rendelkezik: atomvastagság, nagy átlátszóság és nagy vezetőképesség, de a nyújtható alkalmazásokban való megvalósítását gátolta, hogy kis nyúlásnál hajlamos megrepedni.A grafén mechanikai korlátainak leküzdése új funkciókat tesz lehetővé a nyújtható átlátszó eszközökben.
A grafén egyedülálló tulajdonságai erős jelöltté teszik a következő generációs átlátszó vezető elektródák számára (5, 6).Összehasonlítva a leggyakrabban használt átlátszó vezetővel, az indium-ón-oxiddal [ITO;100 ohm/négyzet (négyzet) 90%-os átlátszóság mellett], a kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) előállított egyrétegű grafén a lemezellenállás (125 ohm/sq) és az átlátszóság (97,4%) hasonló kombinációjával rendelkezik (5).Ezenkívül a grafénfóliák rendkívül rugalmasak az ITO-hoz képest (7).Például egy műanyag hordozón a vezetőképessége akár 0,8 mm-es hajlítási sugár esetén is megtartható (8).Annak érdekében, hogy tovább javítsák elektromos teljesítményét átlátszó, rugalmas vezetőként, a korábbi munkák grafén hibrid anyagokat fejlesztettek ki egydimenziós (1D) ezüst nanoszálakkal vagy szén nanocsövekkel (CNT) (9–11).Ezenkívül a grafént elektródákként használták vegyes dimenziós heterostrukturális félvezetőkhöz (mint például 2D tömeges Si, 1D nanovezetékek/nanocsövek és 0D kvantumpontok) (12), rugalmas tranzisztorok, napelemek és fénykibocsátó diódák (LED-ek) (13) –23).
Bár a grafén ígéretes eredményeket mutatott a rugalmas elektronika terén, a nyújtható elektronikában való alkalmazását korlátozzák mechanikai tulajdonságai (17, 24, 25);A grafén síkbeli merevsége 340 N/m, Young-modulusa pedig 0,5 TPa (26).Az erős szén-szén hálózat nem biztosít semmilyen energiaeloszlási mechanizmust az alkalmazott feszültséghez, ezért 5%-nál kisebb nyúlásnál könnyen megreped.Például a polidimetilsziloxán (PDMS) elasztikus szubsztrátumra átvitt CVD-grafén csak 6%-nál kisebb feszültségnél tudja megtartani vezetőképességét (8).Az elméleti számítások azt mutatják, hogy a gyűrődés és a különböző rétegek közötti kölcsönhatás erősen csökkenti a merevséget (26).A grafén többrétegű halmozásával a jelentések szerint ez a két- vagy háromrétegű grafén 30%-ig nyújtható, és 13-szor kisebb ellenállás-változást mutat, mint az egyrétegű graféné (27).Ez a nyújthatóság azonban még mindig jelentősen gyengébb, mint a legmodernebb nyújtható vezetékek (28, 29).
A tranzisztorok fontosak a nyújtható alkalmazásokban, mert lehetővé teszik a kifinomult szenzorkiolvasást és jelelemzést (30, 31).A PDMS tranzisztorai többrétegű grafénnel, mint forrás/lefolyó elektródákkal és csatornaanyaggal, akár 5%-os feszültségig is képesek fenntartani az elektromos működést (32), ami jelentősen elmarad a hordható egészségfigyelő érzékelőkhöz és az elektronikus bőrhöz szükséges minimális értéktől (~50%). 33, 34).A közelmúltban egy grafén kirigami megközelítést fedeztek fel, és a folyékony elektrolit által kapuzott tranzisztor akár 240%-ra is megnyújtható (35).Ez a módszer azonban szuszpendált grafént igényel, ami bonyolítja a gyártási folyamatot.
Itt nagymértékben nyújtható graféneszközöket érünk el graféntekercsek (~1-20 μm hosszú, ~0,1-1 μm széles és ~10-100 nm magas) interkalálásával a grafénrétegek közé.Feltételezzük, hogy ezek a graféntekercsek vezető utakat biztosíthatnak a grafénlapok repedéseinek áthidalására, így fenntartva a magas vezetőképességet feszültség alatt.A graféntekercsek nem igényelnek további szintézist vagy eljárást;természetes úton keletkeznek a nedves átviteli eljárás során.Többrétegű G/G (grafén/grafén) tekercsek (MGG-k), grafén nyújtható elektródák (forrás/lefolyó és kapu) és félvezető CNT-k használatával rendkívül átlátszó és nagymértékben nyújtható teljes széntranzisztorokat tudtunk bemutatni, amelyek 120-ig nyújthatók. %-os feszültség (a töltés szállítási irányával párhuzamosan), és megtartja az eredeti áramteljesítmény 60 %-át.Ez az eddigi legjobban nyújtható átlátszó szénalapú tranzisztor, amely elegendő áramot biztosít egy szervetlen LED meghajtásához.
A nagy felületű átlátszó, nyújtható grafénelektródák lehetővé tételéhez a CVD-vel termesztett grafént választottuk Cu fólián.A Cu fóliát egy CVD kvarccső közepére függesztették fel, hogy lehetővé tegyék a grafén növekedését mindkét oldalon, így G / Cu / G struktúrákat képezve.A grafén átviteléhez először egy vékony poli(metil-metakrilát) (PMMA) réteget vontunk be a grafén egyik oldalának védelmére, amit felső grafénnek neveztünk el (a grafén másik oldalára fordítva), majd a a teljes filmet (PMMA/felső grafén/Cu/alsó grafén) (NH4)2S2O8 oldatba áztattuk, hogy a rézfóliát eltávolítsuk.A PMMA bevonat nélküli alsó grafén elkerülhetetlenül repedéseket és hibákat tartalmaz, amelyek lehetővé teszik a maratószer áthatolását (36, 37).Amint az 1A. ábrán látható, a felületi feszültség hatására a felszabaduló graféndomének tekercsekké gyűrődnek össze, majd a fennmaradó felső G/PMMA filmhez tapadtak.A felső G/G tekercsek bármilyen hordozóra, például SiO2/Si-re, üvegre vagy lágy polimerre vihetők át.Ha ezt az átviteli folyamatot többször megismételjük ugyanarra a hordozóra, MGG struktúrákat kapunk.
(A) Az MGG-k, mint nyújtható elektródák gyártási eljárásának sematikus illusztrációja.A graféntranszfer során a Cu fólián lévő hátoldali grafén a határokon és a hibákon megtört, tetszőleges formára tekeredett, és szorosan a felső fóliákhoz tapadt, nanotekercseket képezve.A negyedik rajzfilm a halmozott MGG szerkezetet ábrázolja.(B és C) Egyrétegű MGG nagy felbontású TEM-jellemzői, az egyrétegű grafén (B) és a scroll (C) régióra fókuszálva.A (B) beillesztése egy kis nagyítású kép, amely az egyrétegű MGG-k általános morfológiáját mutatja a TEM rácson.A (C) beillesztései a képen látható téglalap alakú négyzetek mentén felvett intenzitásprofilok, ahol az atomsíkok közötti távolságok 0,34 és 0,41 nm.(D ) Szén K-él EEL spektrum a jellegzetes grafitos π* és σ* csúcsokkal.(E) Egyrétegű G/G tekercsek metszeti AFM képe, magassági profillal a sárga szaggatott vonal mentén.(F-től I-ig) Optikai mikroszkópos és AFM-képek a G háromrétegű rétegről (F és H) és tekercsekkel (G és I) 300 nm vastag SiO2/Si hordozón.A reprezentatív tekercseket és ráncokat felcímkézték, hogy kiemeljék a különbségeket.
Annak igazolására, hogy a tekercsek hengerelt grafén jellegűek, nagy felbontású transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) és elektronenergia veszteség (EEL) spektroszkópiás vizsgálatokat végeztünk az egyrétegű felső G/G tekercsszerkezeteken.Az 1B. ábra egy egyrétegű grafén hatszögletű szerkezetét mutatja, a betét pedig a TEM-rács egyetlen szénfuratára borított film általános morfológiáját mutatja.Az egyrétegű grafén átfogja a rács nagy részét, és több hatszögletű gyűrűhalmaz jelenlétében néhány grafénpehely jelenik meg (1B. ábra).Egy egyedi tekercsre nagyítva (1C. ábra) nagy mennyiségű grafénrács peremét figyeltük meg, a rácstávolság 0,34 és 0,41 nm között volt.Ezek a mérések azt sugallják, hogy a pelyhek véletlenszerűen vannak feltekerve, és nem tökéletes grafit, amelynek rácstávolsága 0,34 nm „ABAB” rétegrendben.Az 1D ábra a szén K-él EEL spektrumát mutatja, ahol a 285 eV-os csúcs a π* pályáról származik, a másik 290 eV körüli pedig a σ* pálya átmenetének köszönhető.Látható, hogy ebben a szerkezetben az sp2 kötés dominál, ami igazolja, hogy a tekercsek erősen grafitosak.
Az optikai mikroszkópos és az atomerő-mikroszkópos (AFM) képek betekintést nyújtanak a grafén nanospirálok eloszlásába az MGG-kben (1. ábra, E-G, valamint S1 és S2 ábra).A tekercsek véletlenszerűen oszlanak el a felületen, és síkbeli sűrűségük a halmozott rétegek számával arányosan növekszik.Sok tekercs csomóba gabalyodik, és 10-100 nm tartományban mutat egyenetlen magasságot.1-20 μm hosszúak és 0,1-1 μm szélesek, kezdeti grafénpelyheik méretétől függően.Amint az 1. ábrán (H és I) látható, a tekercsek mérete lényegesen nagyobb, mint a ráncok, ami sokkal durvább felületet eredményez a grafénrétegek között.
Az elektromos tulajdonságok mérésére grafén fóliákat mintáztunk görgős szerkezetekkel vagy anélkül, és fotolitográfiával 300 μm széles és 2000 μm hosszú csíkokra rétegeztük.A két szonda ellenállását az alakváltozás függvényében környezeti körülmények között mértük.A tekercsek jelenléte 80%-kal csökkentette az egyrétegű grafén ellenállását, az áteresztőképesség mindössze 2,2%-os csökkenése mellett (S4. ábra).Ez megerősíti, hogy a nanoscrollok, amelyek nagy áramsűrűséggel rendelkeznek, akár 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), nagyon pozitív elektromos hozzájárulást jelentenek az MGG-ekhez.Az összes egy-, két- és háromrétegű sima grafén és MGG között a háromrétegű MGG rendelkezik a legjobb vezetőképességgel, közel 90%-os átlátszósággal.Az irodalomban közölt egyéb grafénforrásokkal való összehasonlítás érdekében négy szondalap ellenállását is mértük (S5. ábra), és ezeket az 550 nm-es transzmittancia függvényében soroltuk fel (S6. ábra) a 2A. ábrán.Az MGG hasonló vagy nagyobb vezetőképességet és átlátszóságot mutat, mint a mesterségesen egymásra helyezett többrétegű sima grafén és redukált grafén-oxid (RGO) (6, 8, 18).Vegye figyelembe, hogy az irodalomból származó, mesterségesen halmozott többrétegű sima grafén lapellenállása valamivel magasabb, mint az MGG-é, valószínűleg nem optimalizált növekedési körülményeik és átviteli módja miatt.
(A) Négyszondás lemezellenállás versus áteresztőképesség 550 nm-en többféle grafén esetében, ahol a fekete négyzetek egy-, két- és háromrétegű MGG-ket jelölnek;A vörös körök és a kék háromszögek megfelelnek a többrétegű sima grafénnek, amelyet Cu-n és Ni-n termesztettek Li és munkatársai tanulmányaiból.(6) és Kim et al.(8), és ezt követően SiO2/Si-re vagy kvarcra visszük át;és a zöld háromszögek az RGO értékei különböző redukáló fokon, mint Bonaccorso et al.(18).(B és C) Az egy-, két- és háromrétegű MGG-k és G-k normalizált ellenállásváltozása az áram áramlási irányára merőleges (B) és párhuzamos (C) alakváltozás függvényében.(D) A kétrétegű G (piros) és MGG (fekete) normalizált ellenállásváltozása ciklikus feszültségterhelés mellett 50%-ig merőleges alakváltozásig.(E) A háromrétegű G (piros) és MGG (fekete) normalizált ellenállásváltozása ciklikus alakváltozás mellett akár 90%-os párhuzamos nyúlásig.(F) Az egy-, két- és háromrétegű G, valamint a két- és háromrétegű MGG-k normalizált kapacitásváltozása a feszültség függvényeként.A betét a kondenzátor szerkezet, ahol a polimer szubsztrát SEBS, a polimer dielektromos réteg pedig a 2 μm vastag SEBS.
Az MGG alakváltozástól függő teljesítményének értékeléséhez grafént vittünk át hőre lágyuló elasztomer sztirol-etilén-butadién-sztirol (SEBS) szubsztrátumokra (~2 cm széles és ~5 cm hosszú), és a vezetőképességet a szubsztrát nyújtása közben mértük. (lásd Anyagok és módszerek) az áram áramlási irányára merőlegesen és párhuzamosan (2. ábra, B és C).A feszültségfüggő elektromos viselkedés a nanoscrollok beépítésével és a grafénrétegek növekvő számával javult.Például, ha a feszültség merőleges az áramáramra, az egyrétegű grafén esetében a tekercsek hozzáadása 5-ről 70%-ra növelte az elektromos törésnél jelentkező feszültséget.A háromrétegű grafén alakváltozástűrése is jelentősen javult az egyrétegű grafénéhoz képest.A nanotekercseknél 100%-os merőleges nyúlásnál a háromrétegű MGG szerkezet ellenállása csak 50%-kal nőtt, szemben a tekercs nélküli háromrétegű grafén 300%-ával.Vizsgálták az ellenállás változását ciklikus alakterhelés hatására.Összehasonlításképpen (2D. ábra), egy sima kétrétegű grafénfilm ellenállása körülbelül 7,5-szeresére nőtt ~700 ciklus után 50%-os merőleges feszültség mellett, és folyamatosan nőtt a feszültséggel minden ciklusban.Másrészt a kétrétegű MGG ellenállása csak körülbelül 2,5-szeresére nőtt ~ 700 ciklus után.Akár 90%-os feszültséget párhuzamos irányban alkalmazva a háromrétegű grafén ellenállása 1000 ciklus után ~100-szorosára nőtt, míg a háromrétegű MGG-ben csak ~8-szoros (2E. ábra).A kerékpározás eredményeit az 1. ábra mutatja.S7.Az ellenállás viszonylag gyorsabb növekedése a párhuzamos alakváltozási irány mentén abból adódik, hogy a repedések tájolása merőleges az áram áramlási irányára.Az ellenállás eltérése a terhelés és a tehermentesítés során a SEBS elasztomer hordozó viszkoelasztikus visszanyerésének köszönhető.Az MGG csíkok stabilabb ellenállása a kerékpározás során a nagy tekercsek jelenlétének köszönhető, amelyek áthidalhatják a grafén repedt részeit (az AFM megfigyelése szerint), elősegítve a perkolációs útvonal fenntartását.A vezetőképesség perkolációs úton történő fenntartásának ezt a jelenségét korábban már leírták repedt fém- vagy félvezető filmeknél elasztomer hordozókon (40, 41).
Ahhoz, hogy ezeket a grafén alapú fóliákat kinyújtható eszközökben kapuelektródákként értékelhessük, a grafénréteget SEBS dielektromos réteggel borítottuk (2 μm vastag), és figyeltük a dielektromos kapacitás változását az alakváltozás függvényében (lásd a 2F ábrát és a kiegészítő anyagokat részletek).Megfigyeltük, hogy a sima egyrétegű és kétrétegű grafénelektródák kapacitásai gyorsan csökkentek a grafén síkbeli vezetőképességének elvesztése miatt.Ezzel szemben az MGG-k, valamint a sima háromrétegű grafén által kapuzott kapacitások kapacitásnövekedést mutattak a deformáció hatására, ami a feszültség hatására várható a dielektromos vastagság csökkenése miatt.A várt kapacitásnövekedés nagyon jól illeszkedett az MGG szerkezetéhez (S8. ábra).Ez azt jelzi, hogy az MGG alkalmas kapuelektródaként nyújtható tranzisztorokhoz.
Az 1D graféntekercs szerepének további vizsgálata az elektromos vezetőképesség alakváltozástűrésében és a grafénrétegek közötti elválasztás jobb szabályozása érdekében permetezett CNT-ket használtunk a graféntekercsek helyettesítésére (lásd a Kiegészítő anyagokat).Az MGG struktúrák utánozásához három sűrűségű CNT-t helyeztünk el (azaz CNT1-et
(A-tól C-ig) AFM képek három különböző sűrűségű CNT-ről (CNT1
Annak érdekében, hogy jobban megértsük a nyújtható elektronika elektródáiként való képességüket, szisztematikusan vizsgáltuk az MGG és a G-CNT-G morfológiáját feszültség alatt.Az optikai mikroszkópia és a pásztázó elektronmikroszkópia (SEM) nem hatékony jellemzési módszerek, mivel mindkettőből hiányzik a színkontraszt, és a SEM-ben képtermékek jelennek meg az elektronszkennelés során, amikor a grafén polimer hordozón van (S9 és S10 ábra).A feszültség alatti grafénfelület in situ megfigyeléséhez AFM méréseket gyűjtöttünk háromrétegű MGG-ken és sima grafénen, miután nagyon vékony (~0,1 mm vastag) és rugalmas SEBS szubsztrátumokra vittük át.A CVD-grafén belső hibái és az átviteli folyamat során fellépő külső károsodások miatt elkerülhetetlenül repedések keletkeznek a feszült grafénen, és a növekvő igénybevétellel a repedések sűrűbbé váltak (4. ábra, A-D).A szénalapú elektródák halmozott szerkezetétől függően a repedések eltérő morfológiát mutatnak (S11. ábra) (27).A többrétegű grafén repedésterület-sűrűsége (a repedésterület/elemzett terület) kisebb, mint az egyrétegű graféné a húzódás után, ami összhangban van az MGG-k elektromos vezetőképességének növekedésével.Másrészt gyakran megfigyelhetők tekercsek, amelyek áthidalják a repedéseket, további vezető utakat biztosítva a feszült filmben.Például a 4B. ábra képén látható módon egy széles tekercs keresztezett a háromrétegű MGG repedésén, de a sima grafénben nem figyeltek meg tekercset (4. ábra, E-H).Hasonlóképpen, a CNT-k áthidalták a grafén repedéseit (S11. ábra).A repedésterület sűrűségét, a tekercselési terület sűrűségét és a filmek érdességét a 4K. ábra foglalja össze.
(A-tól H-ig) In situ AFM képek háromrétegű G/G tekercsekről (A-tól D-ig) és háromrétegű G-struktúrákról (E-től H-ig) egy nagyon vékony SEBS (~0,1 mm vastag) elasztomeren 0, 20, 60 és 100 °C-on. % törzs.A reprezentatív repedéseket és tekercseket nyilak jelzik.Az összes AFM kép 15 μm × 15 μm méretű területen található, ugyanazt a színskála sávot használva, mint a címkén.(I) Mintás egyrétegű grafénelektródák szimulációs geometriája SEBS hordozón.(J) Az egyrétegű grafén és a SEBS szubsztrát maximális logaritmikus törzsének szimulációs kontúrtérképe 20%-os külső feszültség mellett.(K) A repedésterület-sűrűség (piros oszlop), a görgetési terület sűrűsége (sárga oszlop) és a felületi érdesség (kék oszlop) összehasonlítása különböző grafénszerkezeteknél.
Amikor az MGG filmeket megnyújtják, van egy fontos kiegészítő mechanizmus, amely szerint a tekercsek áthidalhatják a grafén repedezett régióit, fenntartva a perkolációs hálózatot.A graféntekercsek ígéretesek, mert több tíz mikrométer hosszúak is lehetnek, és így képesek áthidalni a jellemzően mikrométeres méretű repedéseket.Továbbá, mivel a tekercsek többrétegű grafénből állnak, várhatóan alacsony ellenállásúak lesznek.Összehasonlításképpen, viszonylag sűrű (alacsonyabb áteresztőképességű) CNT-hálózatokra van szükség ahhoz, hogy összehasonlítható vezetőképes áthidaló képességet biztosítsanak, mivel a CNT-k kisebbek (általában néhány mikrométer hosszúak) és kevésbé vezetőképesek, mint a tekercsek.Másrészt, amint az ábra mutatja.S12, míg a grafén megreped a nyújtás során, hogy alkalmazkodjon a feszültséghez, a tekercsek nem repednek meg, ami azt jelzi, hogy az utóbbi csúszik az alatta lévő grafénen.Az ok, hogy nem repednek meg, valószínűleg a feltekert szerkezetnek köszönhető, amely sok grafénrétegből áll (~1-20 μm hosszú, ~0,1-1 μm széles és ~10-100 nm magas). magasabb effektív modulusa, mint az egyrétegű graféné.Amint arról Green és Hersam (42) beszámolt, a fémes CNT-hálózatok (1,0 nm-es csőátmérő) alacsony lemezellenállást érhetnek el, <100 ohm/nm, a CNT-k közötti nagy csatlakozási ellenállás ellenére.Tekintettel arra, hogy graféntekercseink szélessége 0,1–1 μm, és a G/G tekercsek érintkezési felülete sokkal nagyobb, mint a CNT-ké, a grafén és a graféntekercsek közötti érintkezési ellenállás és érintkezési terület nem lehet korlátozó tényező a magas vezetőképesség fenntartásához.
A grafén modulusa sokkal magasabb, mint a SEBS szubsztráté.Bár a grafén elektróda effektív vastagsága sokkal kisebb, mint a szubsztrátumé, a grafén szorzata a vastagságának szorzata összehasonlítható a hordozóéval (43, 44), ami mérsékelt merev szigethatást eredményez.Szimuláltuk egy 1 nm vastag grafén deformációját SEBS hordozón (a részletekért lásd a Kiegészítő anyagokat).A szimulációs eredmények szerint, ha 20%-os feszültséget alkalmaznak a SEBS-szubsztrátumon kívülről, a grafén átlagos feszültsége ~6,6% (4J. ábra és S13D. ábra), ami összhangban van a kísérleti megfigyelésekkel (lásd S13. ábra). .Optikai mikroszkóppal összehasonlítottuk a mintázott grafén és szubsztrát régiók törzsét, és azt találtuk, hogy a szubsztrát régióban lévő törzs legalább kétszerese a grafén régióban lévő törzsnek.Ez azt jelzi, hogy a grafénelektródák mintázataira alkalmazott feszültség jelentősen korlátozott lehet, és merev grafénszigeteket képezhet a SEBS tetején (26, 43, 44).
Ezért az MGG elektródák azon képességét, hogy nagy feszültség alatt magas vezetőképességet tartsanak fenn, valószínűleg két fő mechanizmus teszi lehetővé: (i) a tekercsek áthidalhatják a szétválasztott régiókat, hogy fenntartsák a vezető perkolációs útvonalat, és (ii) a többrétegű grafénlapok/elasztomer elcsúszhatnak. egymás felett, ami csökkenti a grafénelektródák terhelését.Az elasztomerre átvitt többrétegű grafén esetén a rétegek nincsenek erősen egymáshoz kötve, ami a terhelés hatására elcsúszhat (27).A tekercsek növelték a grafénrétegek érdességét is, ami segíthet a grafénrétegek közötti elválasztás növelésében, és ezáltal lehetővé teszi a grafénrétegek csúszását.
Az alacsony költség és a nagy áteresztőképesség miatt lelkesen keresik a szén-dioxid-kibocsátású készülékeket.Esetünkben a teljes széntranzisztorokat alsó grafénkapuval, felső grafénforrás/lefolyó érintkezővel, rendezett CNT-félvezetővel és dielektrikumként SEBS-sel gyártották (5A. ábra).Amint az 5B. ábrán látható, a CNT-kkel a forrás/lefolyó és a kapu (alsó eszköz) átlátszatlanabb, mint a grafénelektródákkal ellátott eszköz (felső eszköz).Ennek az az oka, hogy a CNT-hálózatok nagyobb vastagságot és ennek következtében alacsonyabb optikai áteresztőképességet igényelnek a grafénéhez hasonló lemezellenállás eléréséhez (S4. ábra).Az 5. ábra (C és D) a kétrétegű MGG elektródákkal készült tranzisztor feszültség előtti jellemző átviteli és kimeneti görbéit mutatja.A feszültségmentes tranzisztor csatornaszélessége 800, illetve 100 μm volt.A mért be/ki arány nagyobb, mint 103, 10-5 és 10-8 A be- és kikapcsolási áramok esetén.A kimeneti görbe ideális lineáris és telítettségi rendszert mutat, egyértelmű kapufeszültség-függéssel, ami ideális érintkezést jelez a CNT-k és a grafénelektródák között (45).Megfigyelték, hogy a grafénelektródák érintkezési ellenállása alacsonyabb, mint az elpárolgott Au filmnél (lásd S14. ábra).A nyújtható tranzisztor telítési mobilitása körülbelül 5,6 cm2/Vs, hasonló a merev Si szubsztrátumokon lévő, 300 nm-es SiO2 dielektromos réteggel rendelkező, polimerbe rendezett CNT tranzisztorokéhoz.A mobilitás további javítása lehetséges optimalizált csősűrűséggel és más típusú csövekkel ( 46).
(A) Grafén alapú nyújtható tranzisztor vázlata.SWNT-k, egyfalú szén nanocsövek.(B) Fénykép a grafénelektródákból (fent) és CNT elektródákból (alul) készült nyújtható tranzisztorokról.Jól észrevehető az átlátszóság különbsége.(C és D) A grafén alapú tranzisztor átviteli és kimeneti görbéi SEBS-en feszültség előtt.(E és F) A grafén alapú tranzisztor átviteli görbéi, be- és kikapcsolási árama, be-/kikapcsolási aránya és mobilitása különböző feszültségeknél.
Ha az átlátszó, teljesen széntartalmú eszközt a töltés szállítási irányával párhuzamos irányba feszítették, minimális degradáció volt megfigyelhető 120%-ig.A nyújtás során a mobilitás folyamatosan csökkent 5,6 cm2/Vs-ról 0%-os igénybevételnél 2,5 cm2/Vs-ra 120%-os feszültségnél (5F. ábra).Összehasonlítottuk a tranzisztorok teljesítményét különböző csatornahosszúságok esetén is (lásd az S1 táblázatot).Figyelemre méltó, hogy 105%-os nyúlásnál ezek a tranzisztorok még mindig magas be/ki arányt (>103) és mobilitást (>3 cm2/Vs) mutattak.Ezenkívül összefoglaltuk az összes széntranzisztorral kapcsolatos közelmúltbeli munkát (lásd az S2 táblázatot) (47–52).Az elasztomereken történő készülékgyártás optimalizálásával és az MGG-k érintkezőként való használatával a teljes széntranzisztoraink jó teljesítményt mutatnak a mobilitás és a hiszterézis tekintetében, valamint nagymértékben nyújthatóak.
A teljesen átlátszó és nyújtható tranzisztor alkalmazásaként egy LED kapcsolási vezérlésére használtuk (6A. ábra).Amint az a 6B. ábrán látható, a zöld LED jól látható a közvetlenül felette elhelyezett feszíthető, teljesen szénszerkezetű eszközön keresztül.Miközben ~100%-ra nyújtjuk (6. ábra, C és D), a LED fényintenzitása nem változik, ami összhangban van a tranzisztor fent leírt teljesítményével (lásd az S1 filmet).Ez az első jelentés a grafénelektródák felhasználásával készült nyújtható vezérlőegységekről, amely bemutatja a grafén nyújtható elektronika új lehetőségét.
(A) A tranzisztor áramköre a meghajtó LED-hez.GND, föld.(B) Fénykép a nyújtható és átlátszó teljesen széntranzisztorról, 0%-os feszültséggel, zöld LED fölé szerelve.(C) A LED váltásához használt, teljesen szénből készült átlátszó és nyújtható tranzisztor a LED fölé van szerelve 0% (bal) és ~100% feszültség (jobb) mellett.A fehér nyilak az eszközön lévő sárga jelölőkre mutatnak, jelezve a megnyújtott távolság változását.(D) A feszített tranzisztor oldalnézete, a LED az elasztomerbe tolva.
Összefoglalva, kifejlesztettünk egy átlátszó vezetőképes grafén szerkezetet, amely nagy feszültségek mellett is magas vezetőképességet tart fenn nyújtható elektródákként, amelyet a halmozott grafénrétegek közötti grafén nanoscrollok tesznek lehetővé.Ezek a két- és háromrétegű MGG elektródszerkezetek egy elasztomeren 0%-os alakváltozási vezetőképességük 21, illetve 65%-át képesek fenntartani akár 100%-os nyúlásnál is, szemben a tipikus egyrétegű grafénelektródák 5%-os feszültségnél tapasztalható teljes vezetőképesség-veszteséggel. .A grafén tekercsek további vezető útjai, valamint az átvitt rétegek közötti gyenge kölcsönhatás hozzájárul a kiváló vezetőképességi stabilitáshoz feszültség alatt.Ezt a grafénszerkezetet tovább alkalmaztuk teljes széntartalmú nyújtható tranzisztorok előállítására.Eddig ez a leginkább nyújtható grafén alapú tranzisztor a legjobb átlátszósággal, kihajlás nélkül.Bár a jelen tanulmányt azért végezték, hogy lehetővé tegye a grafént a nyújtható elektronikához, úgy gondoljuk, hogy ez a megközelítés kiterjeszthető más 2D anyagokra is, hogy lehetővé tegye a nyújtható 2D elektronikát.
Nagy felületű CVD-grafént szuszpendált rézfóliákon (99,999%; Alfa Aesar) növesztettünk 0,5 mtorr állandó nyomáson 50-SCCM (standard köbcentiméter per perc) CH4 és 20-SCCM H2 prekurzoraival 1000 °C-on.A Cu fólia mindkét oldalát egyrétegű grafén borította.A Cu-fólia egyik oldalán vékony PMMA-réteget (2000 rpm; A4, Microchem) vontunk be, így PMMA/G/Cu fólia/G szerkezet alakult ki.ezt követően az egész filmet 0,1 M ammónium-perszulfát [(NH4)2S2O8] oldatba áztattuk körülbelül 2 órán keresztül, hogy a rézfóliát eltávolítsuk.A folyamat során a védtelen hátoldali grafén először a szemcsehatárok mentén elszakadt, majd a felületi feszültség miatt tekercsekké tekeredt fel.A tekercseket a PMMA-támogatású felső grafénfóliára rögzítették, PMMA/G/G tekercseket képezve.A filmeket ezt követően többször ioncserélt vízben mostuk, és célhordozóra, például merev SiO2/Si-re vagy műanyag hordozóra fektettük.Amint a csatolt film megszáradt a hordozón, a mintát egymás után acetonba, 1:1 aceton/IPA (izopropil-alkohol) és IPA-ba áztattuk 30 másodpercig a PMMA eltávolítása érdekében.A filmeket 100 °C-on 15 percig melegítettük, vagy egy éjszakán át vákuumban tartottuk, hogy teljesen eltávolítsuk a beszorult vizet, mielőtt újabb G/G tekercsréteg került rájuk.Ez a lépés az volt, hogy elkerüljük a grafén film leválását a szubsztrátról, és biztosítsuk az MGG-k teljes lefedését a PMMA hordozóréteg felszabadulásakor.
Az MGG szerkezetének morfológiáját optikai mikroszkóp (Leica) és pásztázó elektronmikroszkóp (1 kV; FEI) segítségével figyeltük meg.A G-tekercsek részleteinek megfigyelésére atomi erőmikroszkópot (Nanoscope III, Digital Instrument) működtettünk koppintás üzemmódban.A film átlátszóságát ultraibolya-látható spektrométerrel (Agilent Cary 6000i) vizsgáltuk.Azokhoz a tesztekhez, amikor a nyúlás az áram áramlásának merőleges irányában volt, fotolitográfiával és O2 plazmával a grafén szerkezeteket csíkokra mintázták (~300 μm széles és ~2000 μm hosszú), és Au (50 nm) elektródákat termikusan vittek fel. árnyékmaszkok a hosszú oldal mindkét végén.A graféncsíkokat ezután SEBS elasztomerrel (~2 cm széles és ~5 cm hosszú) érintkezésbe hoztuk úgy, hogy a csíkok hosszú tengelye párhuzamos a SEBS rövid oldalával, ezt követte a BOE (puffered oxide etch) (HF:H2O). 1:6) maratás és eutektikus gallium-indium (EGaIn) elektromos érintkezőkként.A párhuzamos alakváltozási vizsgálatokhoz mintázatlan grafénstruktúrákat (~5 × 10 mm) vittünk át SEBS szubsztrátumokra, hosszú tengelyekkel párhuzamosan a SEBS szubsztrát hosszú oldalával.Mindkét esetben a teljes G-t (G tekercsek nélkül)/SEBS-t az elasztomer hosszú oldala mentén feszítettük ki egy kézi készülékben, és in situ mértük az ellenállás változásait egy szonda állomáson, félvezető analizátorral (Keithley 4200). -SCS).
A nagymértékben nyújtható és átlátszó teljes széntranzisztorokat elasztikus hordozón a következő eljárásokkal készítették el, hogy elkerüljék a polimer dielektrikum és a hordozó szerves oldószeres károsodását.Az MGG szerkezeteket SEBS-re vittük át kapuelektródákként.Egyenletes vékonyrétegű polimer dielektromos réteg (2 μm vastag) előállításához SEBS toluolos (80 mg/ml) oldatot centrifugáltunk oktadecil-triklórszilánnal (OTS) módosított SiO2/Si szubsztrátra 1000 fordulat/perc sebességgel 1 percig.A vékony dielektromos film könnyen átvihető a hidrofób OTS felületről az előkészített grafénnel borított SEBS hordozóra.Kondenzátor készíthető egy folyékony-fém (EGaIn; Sigma-Aldrich) felső elektróda lerakásával, hogy meghatározzuk a kapacitást az alakváltozás függvényében egy LCR (induktivitás, kapacitás, ellenállás) mérő (Agilent) segítségével.A tranzisztor másik része polimer-válogatott félvezető CNT-kből állt, a korábban ismertetett eljárásokat követve (53).A mintázott forrás/lefolyó elektródák merev SiO2/Si szubsztrátumokra készültek.Ezt követően a két részt, a dielektromos/G/SEBS-t és a CNT-ket/mintás G/SiO2/Si-t egymáshoz lamináltuk, és BOE-be áztattuk, hogy eltávolítsuk a merev SiO2/Si szubsztrátot.Így készültek el a teljesen átlátszó és nyújtható tranzisztorok.A feszültség alatti elektromos tesztelést kézi nyújtással végeztük a fent említett módszer szerint.
A cikk kiegészítő anyaga a következő címen érhető el: http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
ábra.S1.Egyrétegű MGG optikai mikroszkópos felvételei SiO2/Si szubsztrátumokon különböző nagyításokkal.
ábra.S4.Egy-, két- és háromrétegű sima grafén (fekete négyzetek), MGG (piros körök) és CNT-k (kék háromszög) 550 nm-es szondás ellenállásának és áteresztőképességének összehasonlítása.
ábra.S7.Az egy- és kétrétegű MGG-k (fekete) és G (piros) normalizált rezisztenciaváltozása ~1000 ciklikus terhelés mellett 40, illetve 90%-os párhuzamos nyúlásig.
ábra.S10.SEM-kép a háromrétegű MGG-ről SEBS elasztomeren húzás után, amely egy hosszú görgős keresztet mutat több repedésen.
ábra.S12.A háromrétegű MGG AFM képe nagyon vékony SEBS elasztomeren 20%-os nyúlásnál, amely azt mutatja, hogy egy tekercs keresztezett egy repedésen.
táblázat S1.Kétrétegű MGG – egyfalú szén nanocsöves tranzisztorok mobilitása különböző csatornahosszúságnál feszültség előtt és után.
Ez egy nyílt hozzáférésű cikk, amelyet a Creative Commons Nevezd meg! Nem kereskedelmi licenc feltételei szerint terjesztenek, és amely lehetővé teszi a felhasználást, terjesztést és reprodukálást bármilyen médiában, mindaddig, amíg az ebből eredő felhasználás nem szolgál kereskedelmi előnyökkel, és feltéve, hogy az eredeti mű megfelelően idézett.
MEGJEGYZÉS: Csak azért kérjük az e-mail címedet, hogy az oldalt ajánló személy tudja, hogy szeretnéd, hogy lássák, és hogy nem kéretlen levélről van szó.Nem rögzítünk semmilyen e-mail címet.
Ez a kérdés annak tesztelésére szolgál, hogy Ön emberi látogató-e vagy sem, és megakadályozza az automatikus spamküldést.
Szerző: 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
Szerző: 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.Minden jog fenntartva.Az AAAS a HINARI, az AGORA, az OARE, a CHORUS, a CLOCKSS, a CrossRef és a COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partnere.
Feladás időpontja: 2021. január 28