Todimensjonale materialer, som grafen, er attraktive for både konvensjonelle halvlederapplikasjoner og gryende applikasjoner innen fleksibel elektronikk. Imidlertid resulterer den høye strekkfastheten til grafen i sprekker ved lav tøyning, noe som gjør det utfordrende å dra nytte av dens ekstraordinære elektroniske egenskaper i strekkbar elektronikk. For å muliggjøre utmerket tøyningsavhengig ytelse for transparente grafenledere, laget vi grafen-nanoscrolls mellom stablede grafenlag, referert til som flerlags grafen/grafen-scrolls (MGG-er). Under tøyning bygde noen scrolls bro over de fragmenterte domenene til grafen for å opprettholde et perkolerende nettverk som muliggjorde utmerket konduktivitet ved høye tøyninger. Trelags-MGG-er støttet på elastomerer beholdt 65 % av sin opprinnelige konduktans ved 100 % tøyning, som er vinkelrett på strømretningen, mens trelagsfilmer av grafen uten nanoscrolls bare beholdt 25 % av sin startkonduktans. En strekkbar helkarbontransistor fremstilt med MGG-er som elektroder viste en transmittans på >90 % og beholdt 60 % av sin opprinnelige strømutgang ved 120 % belastning (parallelt med retningen på ladningstransporten). Disse svært strekkbare og transparente helkarbontransistorene kan muliggjøre sofistikert strekkbar optoelektronikk.
Strekkbar transparent elektronikk er et voksende felt som har viktige bruksområder i avanserte biointegrerte systemer (1, 2), samt potensialet til å integrere med strekkbar optoelektronikk (3, 4) for å produsere sofistikert myk robotikk og skjermer. Grafen viser svært ønskelige egenskaper som atomtykkelse, høy transparens og høy konduktivitet, men implementeringen i strekkbare applikasjoner har blitt hemmet av dens tendens til å sprekke ved små tøyninger. Å overvinne de mekaniske begrensningene til grafen kan muliggjøre ny funksjonalitet i strekkbare transparente enheter.
De unike egenskapene til grafen gjør den til en sterk kandidat for neste generasjon av transparente ledende elektroder (5, 6). Sammenlignet med den mest brukte transparente lederen, indiumtinnoksid [ITO; 100 ohm/kvadrat (kvadrat) ved 90 % transparens], har monolagsgrafen dyrket ved kjemisk dampavsetning (CVD) en lignende kombinasjon av platemotstand (125 ohm/kvadrat) og transparens (97,4 %) (5). I tillegg har grafenfilmer ekstraordinær fleksibilitet sammenlignet med ITO (7). For eksempel, på et plastsubstrat, kan konduktansen beholdes selv for en bøyningsradius så liten som 0,8 mm (8). For å ytterligere forbedre den elektriske ytelsen som en transparent fleksibel leder, har tidligere arbeider utviklet grafenhybridmaterialer med endimensjonale (1D) sølvnanotråder eller karbonnanorør (CNT) (9–11). Dessuten har grafen blitt brukt som elektroder for blandede dimensjonale heterostrukturelle halvledere (som 2D bulk Si, 1D nanotråder/nanorør og 0D kvanteprikker) (12), fleksible transistorer, solceller og lysdioder (LED-er) (13–23).
Selv om grafen har vist lovende resultater for fleksibel elektronikk, har anvendelsen i strekkbar elektronikk vært begrenset av dens mekaniske egenskaper (17, 24, 25); grafen har en stivhet i planet på 340 N/m og en Youngs modulus på 0,5 TPa (26). Det sterke karbon-karbon-nettverket gir ingen energispredningsmekanismer for påført tøyning og sprekker derfor lett ved mindre enn 5 % tøyning. For eksempel kan CVD-grafen overført til et elastisk substrat av polydimetylsiloksan (PDMS) bare opprettholde sin konduktivitet på mindre enn 6 % tøyning (8). Teoretiske beregninger viser at krølling og samspill mellom forskjellige lag bør redusere stivheten kraftig (26). Ved å stable grafen i flere lag, rapporteres det at denne to- eller trelagsgrafenen er strekkbar til 30 % tøyning, og viser en motstandsendring som er 13 ganger mindre enn den for monolagsgrafen (27). Denne strekkbarheten er imidlertid fortsatt betydelig dårligere enn toppmoderne strekkbare ledere (28, 29).
Transistorer er viktige i strekkbare applikasjoner fordi de muliggjør sofistikert sensoravlesning og signalanalyse (30, 31). Transistorer på PDMS med flerlagsgrafen som kilde-/drenelektroder og kanalmateriale kan opprettholde elektrisk funksjon opptil 5 % tøyning (32), som er betydelig under den nødvendige minimumsverdien (~50 %) for bærbare helsesensorer og elektronisk hud (33, 34). Nylig har en grafen-kirigami-tilnærming blitt utforsket, og transistoren som styres av en flytende elektrolytt kan strekkes til så mye som 240 % (35). Denne metoden krever imidlertid suspendert grafen, noe som kompliserer produksjonsprosessen.
Her oppnår vi svært strekkbare grafen-enheter ved å interkalere grafen-ruller (~1 til 20 μm lange, ~0,1 til 1 μm brede og ~10 til 100 nm høye) mellom grafen-lagene. Vi antar at disse grafen-rullene kan gi ledende baner for å bygge bro over sprekker i grafen-arkene, og dermed opprettholde høy konduktivitet under belastning. Grafen-rullene krever ikke ytterligere syntese eller prosess; de dannes naturlig under våtoverføringsprosedyren. Ved å bruke flerlags G/G (grafen/grafen)-ruller (MGG-er), grafen-strekkbare elektroder (source/drain og gate) og halvledende CNT-er, kunne vi demonstrere svært transparente og svært strekkbare helkarbon-transistorer, som kan strekkes til 120 % belastning (parallelt med retningen på ladningstransporten) og beholde 60 % av sin opprinnelige strømutgang. Dette er den mest strekkbare transparente karbonbaserte transistoren så langt, og den gir tilstrekkelig strøm til å drive en uorganisk LED.
For å muliggjøre transparente, strekkbare grafenelektroder med stort areal, valgte vi CVD-dyrket grafen på Cu-folie. Cu-folien ble suspendert i midten av et CVD-kvartsrør for å tillate vekst av grafen på begge sider, og danne G/Cu/G-strukturer. For å overføre grafen, spinnbelagte vi først et tynt lag med poly(metylmetakrylat) (PMMA) for å beskytte den ene siden av grafenet, som vi kalte overside-grafen (omvendt for den andre siden av grafenet), og deretter ble hele filmen (PMMA/topp-grafen/Cu/bunn-grafen) dynket i (NH4)2S2O8-løsning for å etse bort Cu-folien. Underside-grafenet uten PMMA-belegget vil uunngåelig ha sprekker og defekter som lar et etsemiddel trenge gjennom (36, 37). Som illustrert i figur 1A, rullet de frigjorte grafendomenene seg opp til ruller under påvirkning av overflatespenning og festet seg deretter til den gjenværende overside-G/PMMA-filmen. Topp-G/G-rullene kan overføres til et hvilket som helst substrat, for eksempel SiO2/Si, glass eller myk polymer. Å gjenta denne overføringsprosessen flere ganger på det samme substratet gir MGG-strukturer.
(A) Skjematisk illustrasjon av fabrikasjonsprosedyren for MGG-er som en strekkbar elektrode. Under grafenoverføringen ble baksiden av grafen på Cu-folie brutt ved grenser og defekter, rullet opp i vilkårlige former og tett festet til de øvre filmene, og dannet nanoscroller. Den fjerde tegneserien viser den stablede MGG-strukturen. (B og C) Høyoppløselige TEM-karakteriseringer av et monolags-MGG, med fokus på henholdsvis monolags-grafenet (B) og scrol-regionen (C). Innsettet i (B) er et bilde med lav forstørrelse som viser den generelle morfologien til monolags-MGG-er på TEM-rutenettet. Innsett i (C) er intensitetsprofilene tatt langs de rektangulære boksene angitt i bildet, der avstandene mellom atomplanene er 0,34 og 0,41 nm. (D) Karbon K-kant EEL-spektrum med de karakteristiske grafittiske π*- og σ*-toppene merket. (E) Seksjons-AFM-bilde av monolags-G/G-scroller med en høydeprofil langs den gule stiplede linjen. (F til I) Optisk mikroskopi og AFM-bilder av trelags G uten (F og H) og med ruller (G og I) på 300 nm tykke SiO2/Si-substrater. Representative ruller og rynker ble merket for å fremheve forskjellene deres.
For å bekrefte at rullene er rullet grafen av natur, utførte vi høyoppløselige transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og elektronenergitap (EEL) spektroskopistudier på monolagets topp-G/G rullstrukturer. Figur 1B viser den sekskantede strukturen til et monolags grafen, og innfelt bilde er en generell morfologi av filmen dekket på et enkelt karbonhull i TEM-gitteret. Monolagsgrafenet spenner over mesteparten av gitteret, og noen grafenflak i nærvær av flere stabler av sekskantede ringer vises (figur 1B). Ved å zoome inn på en individuell rull (figur 1C) observerte vi en stor mengde grafen-gitterfrynser, med gitteravstand i området 0,34 til 0,41 nm. Disse målingene antyder at flakene er tilfeldig rullet opp og ikke er perfekt grafitt, som har en gitteravstand på 0,34 nm i "ABAB"-lagstabling. Figur 1D viser karbon-K-kant-EEL-spekteret, hvor toppen ved 285 eV stammer fra π*-orbitalen og den andre rundt 290 eV skyldes overgangen til σ*-orbitalen. Det kan sees at sp2-binding dominerer i denne strukturen, noe som bekrefter at spiralene er svært grafittiske.
Bilder tatt med optisk mikroskopi og atomkraftmikroskopi (AFM) gir innsikt i fordelingen av grafen-nanoscroller i MGG-ene (fig. 1, E til G, og fig. S1 og S2). Scrollene er tilfeldig fordelt over overflaten, og deres planare tetthet øker proporsjonalt med antall stablede lag. Mange scroller er viklet inn i knuter og viser ujevn høyde i området 10 til 100 nm. De er 1 til 20 μm lange og 0,1 til 1 μm brede, avhengig av størrelsen på de opprinnelige grafenflakene. Som vist i fig. 1 (H og I), har scrollene betydelig større størrelser enn rynkene, noe som fører til et mye ruere grensesnitt mellom grafenlagene.
For å måle de elektriske egenskapene, mønstret vi grafenfilmer med eller uten scrollstrukturer og lagstabling i 300 μm brede og 2000 μm lange strimler ved hjelp av fotolitografi. To-probe-motstander som en funksjon av tøyning ble målt under omgivelsesforhold. Tilstedeværelsen av scrolls reduserte resistiviteten for monolagsgrafen med 80 % med bare en 2,2 % reduksjon i transmittansen (fig. S4). Dette bekrefter at nanoscrolls, som har en høy strømtetthet opptil 5 × 107 A/cm2 (38, 39), gir et svært positivt elektrisk bidrag til MGG-ene. Blant all mono-, to- og trelags ren grafen og MGG-er har trelags-MGG-en den beste konduktansen med en transparens på nesten 90 %. For å sammenligne med andre kilder til grafen rapportert i litteraturen, målte vi også fireprobe-platemotstander (fig. S5) og listet dem opp som en funksjon av transmittans ved 550 nm (fig. S6) i fig. 2A. MGG viser sammenlignbar eller høyere konduktivitet og transparens enn kunstig stablet flerlags vanlig grafen og redusert grafenoksid (RGO) (6, 8, 18). Merk at platemotstandene til kunstig stablet flerlags vanlig grafen fra litteraturen er litt høyere enn for vår MGG, sannsynligvis på grunn av deres uoptimaliserte vekstbetingelser og overføringsmetode.
(A) Fireprobe-platemotstander versus transmittans ved 550 nm for flere typer grafen, hvor svarte firkanter betegner mono-, to- og trelags MGG-er; røde sirkler og blå trekanter korresponderer med flerlags ren grafen dyrket på Cu og Ni fra studiene til Li et al. (6) og Kim et al. (8), henholdsvis, og deretter overført til SiO2/Si eller kvarts; og grønne trekanter er verdier for RGO ved forskjellige reduksjonsgrader fra studien til Bonaccorso et al. (18). (B og C) Normalisert motstandsendring av mono-, to- og trelags MGG-er og G som en funksjon av vinkelrett (B) og parallell (C) tøyning i forhold til strømretningen. (D) Normalisert motstandsendring av dobbeltlag G (rød) og MGG (svart) under syklisk tøyningsbelastning opptil 50 % vinkelrett tøyning. (E) Normalisert motstandsendring av trelag G (rød) og MGG (svart) under syklisk tøyningsbelastning opptil 90 % parallell tøyning. (F) Normalisert kapasitansendring av mono-, to- og trelags G og to- og trelags MGG-er som en funksjon av tøyning. Innsettet viser kondensatorstrukturen, hvor polymersubstratet er SEBS og det dielektriske polymerlaget er det 2 μm tykke SEBS.
For å evaluere den tøyningsavhengige ytelsen til MGG-en, overførte vi grafen til termoplastiske elastomer styren-etylen-butadien-styren (SEBS)-substrater (~2 cm brede og ~5 cm lange), og konduktiviteten ble målt mens substratet ble strukket (se Materialer og Metoder) både vinkelrett og parallelt med strømretningen (fig. 2, B og C). Den tøyningsavhengige elektriske oppførselen ble forbedret med inkorporering av nanoscroller og økende antall grafenlag. For eksempel, når tøyningen er vinkelrett på strømretningen, økte tilsetningen av scroller for monolagsgrafen tøyningen ved elektrisk brudd fra 5 til 70 %. Tøyningstoleransen til trelagsgrafenet er også betydelig forbedret sammenlignet med monolagsgrafenet. Med nanoscroller, ved 100 % vinkelrett tøyning, økte motstanden til trelags-MGG-strukturen bare med 50 %, sammenlignet med 300 % for trelagsgrafen uten scroller. Motstandsendring under syklisk tøyningsbelastning ble undersøkt. Til sammenligning (fig. 2D) økte motstandene til en vanlig dobbeltlagsgrafenfilm omtrent 7,5 ganger etter ~700 sykluser ved 50 % vinkelrett tøyning og fortsatte å øke med tøyningen i hver syklus. På den annen side økte motstanden til en dobbeltlags-MGG bare omtrent 2,5 ganger etter ~700 sykluser. Ved å påføre opptil 90 % tøyning langs parallellretningen økte motstanden til trelagsgrafen ~100 ganger etter 1000 sykluser, mens den bare er ~8 ganger i en trelags-MGG (fig. 2E). Syklusresultater er vist i fig. S7. Den relativt raskere økningen i motstand langs parallelltøyningsretningen skyldes at sprekkenes orientering er vinkelrett på strømretningen. Avviket i motstand under lasting og lossing av tøyning skyldes den viskoelastiske gjenopprettingen av SEBS-elastomersubstratet. Den mer stabile motstanden til MGG-stripene under sykling skyldes tilstedeværelsen av store ruller som kan bygge bro over de sprukne delene av grafenet (som observert av AFM), noe som bidrar til å opprettholde en perkoleringsvei. Dette fenomenet med å opprettholde konduktivitet via en perkoleringsbane har blitt rapportert tidligere for sprukne metall- eller halvlederfilmer på elastomersubstrater (40, 41).
For å evaluere disse grafenbaserte filmene som gateelektroder i strekkbare enheter, dekket vi grafenlaget med et SEBS dielektrisk lag (2 μm tykt) og overvåket endringen i den dielektriske kapasitansen som en funksjon av tøyning (se fig. 2F og tilleggsmaterialene for detaljer). Vi observerte at kapasitansene med vanlige monolags- og tolagsgrafenelektroder raskt minket på grunn av tapet av plankonduktivitet til grafen. I motsetning til dette viste kapasitanser styrt av MGG-er så vel som vanlig trelagsgrafen en økning i kapasitans med tøyning, noe som er forventet på grunn av reduksjon i dielektrisk tykkelse med tøyning. Den forventede økningen i kapasitans samsvarte veldig godt med MGG-strukturen (fig. S8). Dette indikerer at MGG er egnet som en gateelektrode for strekkbare transistorer.
For å undersøke rollen til 1D-grafenrullen på tøyningstoleransen for elektrisk ledningsevne og bedre kontrollere separasjonen mellom grafenlagene, brukte vi spraybelagte CNT-er for å erstatte grafenrullene (se tilleggsmaterialer). For å etterligne MGG-strukturer, avsatte vi tre tettheter av CNT-er (det vil si CNT1
(A til C) AFM-bilder av tre forskjellige tettheter av CNT-er (CNT1
For å forstå deres evne som elektroder for strekkbar elektronikk bedre, undersøkte vi systematisk morfologien til MGG og G-CNT-G under belastning. Optisk mikroskopi og skanningselektronmikroskopi (SEM) er ikke effektive karakteriseringsmetoder fordi begge mangler fargekontrast, og SEM er utsatt for bildeartefakter under elektronskanning når grafen er på polymersubstrater (fig. S9 og S10). For å observere grafenoverflaten in situ under belastning, samlet vi AFM-målinger på trelags MGG-er og vanlig grafen etter overføring til svært tynne (~0,1 mm tykke) og elastiske SEBS-substrater. På grunn av de iboende defektene i CVD-grafen og ytre skader under overføringsprosessen, genereres det uunngåelig sprekker på den anstrengte grafenen, og med økende belastning ble sprekkene tettere (fig. 4, A til D). Avhengig av stablingsstrukturen til de karbonbaserte elektrodene, viser sprekkene forskjellige morfologier (fig. S11) (27). Sprekkarealtettheten (definert som sprekkareal/analysert areal) for flerlagsgrafen er mindre enn for monolagsgrafen etter tøyning, noe som er i samsvar med økningen i elektrisk ledningsevne for MGG-er. På den annen side observeres det ofte at ruller bygger bro over sprekkene, noe som gir ytterligere ledende baner i den tøyde filmen. For eksempel, som vist på bildet i figur 4B, krysset en bred rulle over en sprekk i trelags-MGG-en, men ingen rulle ble observert i den vanlige grafenen (figur 4, E til H). På samme måte bygde også CNT-er bro over sprekkene i grafen (figur S11). Sprekkarealtettheten, rullearealtettheten og ruheten til filmene er oppsummert i figur 4K.
(A til H) In situ AFM-bilder av trelags G/G-ruller (A til D) og trelags G-strukturer (E til H) på en veldig tynn SEBS (~0,1 mm tykk) elastomer ved 0, 20, 60 og 100 % tøyning. Representative sprekker og ruller er pekt med piler. Alle AFM-bildene er i et område på 15 μm × 15 μm, med samme fargeskala som merket. (I) Simuleringsgeometri for mønstrede monolags-grafenelektroder på SEBS-substratet. (J) Simuleringskonturkart av den maksimale hovedlogaritmiske tøyningen i monolags-grafenet og SEBS-substratet ved 20 % ekstern tøyning. (K) Sammenligning av sprekkarealtetthet (rød kolonne), rullearealtetthet (gul kolonne) og overflateruhet (blå kolonne) for forskjellige grafenstrukturer.
Når MGG-filmene strekkes, finnes det en viktig tilleggsmekanisme der rullene kan bygge bro over sprukne områder av grafen, og dermed opprettholde et perkolerende nettverk. Grafenrullene er lovende fordi de kan være titalls mikrometer lange og derfor i stand til å bygge bro over sprekker som vanligvis er opptil mikrometerskala. Videre, fordi rullene består av flerlag med grafen, forventes de å ha lav motstand. Til sammenligning kreves relativt tette (lavere transmittans) CNT-nettverk for å gi sammenlignbar ledende brodannelseskapasitet, ettersom CNT-er er mindre (vanligvis noen få mikrometer lange) og mindre ledende enn ruller. På den annen side, som vist i fig. S12, sprekker ikke rullene under strekking mens grafenet sprekker under strekking for å imøtekomme belastning, noe som indikerer at sistnevnte kan gli på det underliggende grafenet. Grunnen til at de ikke sprekker skyldes sannsynligvis den sammenrullede strukturen, som består av mange lag med grafen (~1 til 20 μm lange, ~0,1 til 1 μm brede og ~10 til 100 nm høye), som har en høyere effektiv modulus enn enkeltlagsgrafen. Som rapportert av Green og Hersam (42), kan metalliske CNT-nettverk (rørdiameter på 1,0 nm) oppnå lave arkmotstander <100 ohm/kvadrat til tross for den store overgangsmotstanden mellom CNT-er. Tatt i betraktning at våre grafenruller har bredder på 0,1 til 1 μm og at G/G-rullene har mye større kontaktområder enn CNT-er, bør ikke kontaktmotstanden og kontaktområdet mellom grafen og grafenruller være begrensende faktorer for å opprettholde høy konduktivitet.
Grafenet har en mye høyere modulus enn SEBS-substratet. Selv om den effektive tykkelsen på grafenelektroden er mye lavere enn substratets, er stivheten til grafenet ganger tykkelsen sammenlignbar med substratets (43, 44), noe som resulterer i en moderat stiv øy-effekt. Vi simulerte deformasjonen av en 1 nm tykk grafen på et SEBS-substrat (se tilleggsmaterialer for detaljer). I følge simuleringsresultatene, når 20 % tøyning påføres SEBS-substratet eksternt, er den gjennomsnittlige tøyningen i grafenet ~6,6 % (fig. 4J og fig. S13D), noe som er i samsvar med eksperimentelle observasjoner (se fig. S13). Vi sammenlignet tøyningen i de mønstrede grafen- og substratområdene ved hjelp av optisk mikroskopi og fant at tøyningen i substratområdet var minst dobbelt så stor som tøyningen i grafenområdet. Dette indikerer at tøyningen som påføres grafenelektrodemønstrene kan være betydelig begrenset, og danne stive grafenøyer oppå SEBS (26, 43, 44).
Derfor er MGG-elektroders evne til å opprettholde høy konduktivitet under høy belastning sannsynligvis muliggjort av to hovedmekanismer: (i) Rullene kan bygge bro mellom frakoblede områder for å opprettholde en ledende perkoleringsbane, og (ii) flerlagsgrafenarkene/elastomeren kan gli over hverandre, noe som resulterer i redusert belastning på grafenelektrodene. For flere lag med overført grafen på elastomer er lagene ikke sterkt festet til hverandre, noe som kan gli som respons på belastning (27). Rullene økte også ruheten til grafenlagene, noe som kan bidra til å øke separasjonen mellom grafenlagene og dermed muliggjøre glidning av grafenlagene.
Helkarbon-enheter forfølges entusiastisk på grunn av lave kostnader og høy gjennomstrømning. I vårt tilfelle ble helkarbon-transistorer produsert ved hjelp av en bunngrafenport, en toppgrafenkilde/drenkontakt, en sortert CNT-halvleder og SEBS som dielektrikum (fig. 5A). Som vist i fig. 5B, er en helkarbon-enhet med CNT-er som kilde/dren og port (bunnenhet) mer ugjennomsiktig enn enheten med grafenelektroder (toppenhet). Dette er fordi CNT-nettverk krever større tykkelser og følgelig lavere optiske transmittanser for å oppnå arkmotstander som ligner på grafen (fig. S4). Figur 5 (C og D) viser representative overførings- og utgangskurver før tøyning for en transistor laget med dobbeltlags MGG-elektroder. Kanalbredden og lengden på den ubelastede transistoren var henholdsvis 800 og 100 μm. Det målte av/på-forholdet er større enn 103 med av- og på-strømmer på nivåene 10−5 og 10−8 A. Utgangskurven viser ideelle lineære og metningsregimer med tydelig gate-spenningsavhengighet, noe som indikerer ideell kontakt mellom CNT-er og grafenelektroder (45). Kontaktmotstanden med grafenelektroder ble observert å være lavere enn med fordampet Au-film (se fig. S14). Metningsmobiliteten til den strekkbare transistoren er omtrent 5,6 cm2/Vs, tilsvarende den for de samme polymersorterte CNT-transistorene på stive Si-substrater med 300 nm SiO2 som et dielektrisk lag. Ytterligere forbedring i mobilitet er mulig med optimalisert rørtetthet og andre typer rør (46).
(A) Skjema av grafenbasert strekkbar transistor. SWNT-er, enkeltveggede karbonnanorør. (B) Foto av de strekkbare transistorene laget av grafenelektroder (øverst) og CNT-elektroder (nederst). Forskjellen i gjennomsiktighet er tydelig merkbar. (C og D) Overførings- og utgangskurver for den grafenbaserte transistoren på SEBS før belastning. (E og F) Overføringskurver, av- og på-strøm, av/på-forhold og mobilitet for den grafenbaserte transistoren ved forskjellige belastninger.
Da den transparente helkarbonkomponenten ble strukket i retning parallelt med ladningstransportretningen, ble det observert minimal degradering opptil 120 % tøyning. Under strekkingen minket mobiliteten kontinuerlig fra 5,6 cm²/Vs ved 0 % tøyning til 2,5 cm²/Vs ved 120 % tøyning (fig. 5F). Vi sammenlignet også transistorytelsen for forskjellige kanallengder (se tabell S1). Det er verdt å merke seg at ved en tøyning så stor som 10⁶ % viste alle disse transistorene fortsatt et høyt av/på-forhold (>10⁶) og mobilitet (>3 cm²/Vs). I tillegg oppsummerte vi alt det nyere arbeidet med helkarbontransistorer (se tabell S2) (47–52). Ved å optimalisere komponentfabrikasjonen på elastomerer og bruke MGG-er som kontakter, viser våre helkarbontransistorene god ytelse når det gjelder mobilitet og hysterese, samt at de er svært strekkbare.
Som en anvendelse av den fullstendig transparente og strekkbare transistoren, brukte vi den til å kontrollere en LEDs kobling (figur 6A). Som vist i figur 6B, kan den grønne LED-en sees tydelig gjennom den strekkbare helkarbonenheten som er plassert rett over. Selv om den strekker seg til ~100 % (figur 6, C og D), endres ikke LED-lysintensiteten, noe som er i samsvar med transistorens ytelse beskrevet ovenfor (se film S1). Dette er den første rapporten om strekkbare kontrollenheter laget med grafenelektroder, som demonstrerer en ny mulighet for grafen-strekkbar elektronikk.
(A) Krets for en transistor for å drive LED. GND, jord. (B) Foto av den strekkbare og gjennomsiktige helkarbontransistoren ved 0 % belastning montert over en grønn LED. (C) Den gjennomsiktige og strekkbare helkarbontransistoren som brukes til å slå på LED-en, monteres over LED-en ved 0 % (venstre) og ~100 % belastning (høyre). Hvite piler peker som gule markører på enheten for å vise avstandsendringen som strekkes. (D) Sidevisning av den strekkte transistoren, med LED-en presset inn i elastomeren.
Avslutningsvis har vi utviklet en transparent ledende grafenstruktur som opprettholder høy konduktivitet under store belastninger som strekkbare elektroder, muliggjort av grafen-nanoscrolls mellom stablede grafenlag. Disse to- og trelags MGG-elektrodestrukturene på en elastomer kan opprettholde henholdsvis 21 og 65 % av sin 0 % belastningskonduktivitet ved en belastning så høy som 100 %, sammenlignet med fullstendig tap av konduktivitet ved 5 % belastning for typiske monolags-grafenelektroder. De ekstra ledende banene til grafenscrolls, samt den svake interaksjonen mellom de overførte lagene, bidrar til den overlegne konduktivitetsstabiliteten under belastning. Vi anvendte videre denne grafenstrukturen for å fremstille strekkbare transistorer av helkarbon. Så langt er dette den mest strekkbare grafenbaserte transistoren med best gjennomsiktighet uten bruk av knekking. Selv om denne studien ble utført for å muliggjøre grafen for strekkbar elektronikk, tror vi at denne tilnærmingen kan utvides til andre 2D-materialer for å muliggjøre strekkbar 2D-elektronikk.
Stort CVD-grafen ble dyrket på suspenderte Cu-folier (99,999 %; Alfa Aesar) under et konstant trykk på 0,5 mtorr med 50–SCCM (standard kubikkcentimeter per minutt) CH4 og 20–SCCM H2 som forløpere ved 1000 °C. Begge sider av Cu-folien ble dekket av et enkeltlagsgrafen. Et tynt lag med PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) ble spin-belagt på den ene siden av Cu-folien, og dannet en PMMA/G/Cu-folie/G-struktur. Deretter ble hele filmen dynket i 0,1 M ammoniumpersulfat [(NH4)2S2O8]-løsning i omtrent 2 timer for å etse bort Cu-folien. Under denne prosessen rev den ubeskyttede baksidegrafenen først langs korngrensene og rullet deretter opp til ruller på grunn av overflatespenning. Rullene ble festet til den PMMA-støttede øvre grafenfilmen, og dannet PMMA/G/G-ruller. Filmene ble deretter vasket i avionisert vann flere ganger og lagt på et målsubstrat, for eksempel et stivt SiO2/Si- eller plastsubstrat. Så snart den festede filmen tørket på substratet, ble prøven sekvensielt dynket i aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalkohol) og IPA i 30 sekunder hver for å fjerne PMMA. Filmene ble varmet opp ved 100 °C i 15 minutter eller holdt i vakuum over natten for å fjerne det fangede vannet fullstendig før et nytt lag med G/G-scroll ble overført til den. Dette trinnet var for å unngå at grafenfilmen løsnet fra substratet og sikre full dekning av MGG-er under frigjøring av PMMA-bærerlaget.
Morfologien til MGG-strukturen ble observert ved hjelp av et optisk mikroskop (Leica) og et skanningselektronmikroskop (1 kV; FEI). Et atomkraftmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) ble operert i tappemodus for å observere detaljene i G-rullene. Filmens gjennomsiktighet ble testet med et ultrafiolett-synlig spektrometer (Agilent Cary 6000i). For testene, når tøyningen var langs den vinkelrette retningen av strømmen, ble fotolitografi og O2-plasma brukt til å mønstre grafenstrukturer til strimler (~300 μm brede og ~2000 μm lange), og Au (50 nm)-elektroder ble termisk avsatt ved hjelp av skyggemasker i begge ender av langsiden. Grafenstrimlene ble deretter satt i kontakt med en SEBS-elastomer (~2 cm bred og ~5 cm lang), med strimlenes lange akse parallell med kortsiden av SEBS, etterfulgt av BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6)-etsing og eutektisk galliumindium (EGaIn) som elektriske kontakter. For parallelle tøyningstester ble umønstrede grafenstrukturer (~5 × 10 mm) overført til SEBS-substrater, med lange akser parallelle med langsiden av SEBS-substratet. I begge tilfeller ble hele G (uten G-scrollene)/SEBS strukket langs langsiden av elastomeren i et manuelt apparat, og in situ målte vi motstandsendringene under tøyning på en probestasjon med en halvlederanalysator (Keithley 4200-SCS).
De svært strekkbare og transparente helkarbontransistorene på et elastisk substrat ble fremstilt ved hjelp av følgende prosedyrer for å unngå skade på polymerdielektrikumet og substratet forårsaket av organiske løsemidler. MGG-strukturer ble overført til SEBS som gateelektroder. For å oppnå et jevnt tynnfilmspolymerdielektrisk lag (2 μm tykt), ble en SEBS-toluenløsning (80 mg/ml) spinnbelagt på et oktadecyltriklorsilan (OTS)-modifisert SiO2/Si-substrat ved 1000 rpm i 1 minutt. Den tynne dielektriske filmen kan enkelt overføres fra den hydrofobe OTS-overflaten til SEBS-substratet dekket med det fremstilte grafenet. En kondensator kan lages ved å avsette en flytende metall (EGaIn; Sigma-Aldrich) toppelektrode for å bestemme kapasitansen som en funksjon av tøyning ved hjelp av en LCR (induktans, kapasitans, motstand)-måler (Agilent). Den andre delen av transistoren besto av polymersorterte halvledende CNT-er, i henhold til prosedyrene som er rapportert tidligere (53). De mønstrede kilde-/drenelektrodene ble fremstilt på stive SiO2/Si-substrater. Deretter ble de to delene, dielektrikum/G/SEBS og CNT-er/mønstret G/SiO2/Si, laminert til hverandre og dynket i BOE for å fjerne det stive SiO2/Si-substratet. Dermed ble de fullstendig transparente og strekkbare transistorene fremstilt. Elektrisk testing under belastning ble utført på et manuelt strekkoppsett som den ovennevnte metoden.
Tilleggsmateriale til denne artikkelen er tilgjengelig på http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Fig. S1. Optiske mikroskopibilder av monolags-MGG på SiO2/Si-substrater ved forskjellige forstørrelser.
Fig. S4. Sammenligning av motstander og transmittanser i to-probers ark @ 550 nm for mono-, to- og trelags ren grafen (svarte firkanter), MGG (røde sirkler) og CNT-er (blå trekant).
Fig. S7. Normalisert motstandsendring av mono- og bilags-MGG-er (svart) og G (rød) under ~1000 syklisk tøyningsbelastning opptil henholdsvis 40 og 90 % parallell tøyning.
fig. S10. SEM-bilde av trelags MGG på SEBS-elastomer etter tøyning, som viser et langt spiralkryss over flere sprekker.
fig. S12. AFM-bilde av trelags MGG på en veldig tynn SEBS-elastomer ved 20 % tøyning, som viser at en spiral krysset en sprekk.
Tabell S1. Mobiliteter til dobbeltlags-MGG – enkeltveggede karbonnanorørtransistorer ved forskjellige kanallengder før og etter belastning.
Dette er en artikkel med åpen tilgang distribuert under vilkårene i Creative Commons Attribution-NonCommercial-lisensen, som tillater bruk, distribusjon og reproduksjon i ethvert medium, så lenge den resulterende bruken ikke er for kommersiell fordel og forutsatt at det originale verket er korrekt sitert.
MERK: Vi ber bare om e-postadressen din slik at personen du anbefaler siden til vet at du ville at de skulle se den, og at det ikke er søppelpost. Vi registrerer ingen e-postadresser.
Dette spørsmålet er for å teste om du er en menneskelig besøkende og for å forhindre automatiserte spam-innsendinger.
Av 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
Av 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. Alle rettigheter forbeholdt. AAAS er partner av HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef og COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Publisert: 28. januar 2021