Todimensjonale materialer, som grafen, er attraktive for både konvensjonelle halvlederapplikasjoner og begynnende applikasjoner innen fleksibel elektronikk.Imidlertid resulterer den høye strekkstyrken til grafen i brudd ved lav belastning, noe som gjør det utfordrende å dra nytte av dens ekstraordinære elektroniske egenskaper i strekkbar elektronikk.For å muliggjøre utmerket tøyningsavhengig ytelse av transparente grafenledere, laget vi grafen nanoscroll mellom stablede grafenlag, referert til som flerlags grafen/grafenruller (MGG).Under belastning slo noen ruller bro over de fragmenterte domenene til grafen for å opprettholde et perkolerende nettverk som muliggjorde utmerket ledningsevne ved høye belastninger.Trelags MGG-er støttet på elastomerer beholdt 65% av sin opprinnelige konduktans ved 100% belastning, som er vinkelrett på strømretningen, mens trelagsfilmer av grafen uten nanoscroll bare beholdt 25% av startkonduktansen.En strekkbar all-karbon transistor produsert ved bruk av MGGs som elektroder viste en transmittans på >90% og beholdt 60% av sin opprinnelige strømutgang ved 120% tøyning (parallell med retningen for ladningstransport).Disse svært strekkbare og transparente karbontransistorene kan muliggjøre sofistikert strekkbar optoelektronikk.
Strekkbar transparent elektronikk er et voksende felt som har viktige anvendelser 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 med atomtykkelse, høy gjennomsiktighet og høy ledningsevne, 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 gjennomsiktige enheter.
De unike egenskapene til grafen gjør det til en sterk kandidat for neste generasjon transparente ledende elektroder (5, 6).Sammenlignet med den mest brukte transparente lederen, indiumtinnoksid [ITO;100 ohm/kvadrat (kvadrat) ved 90 % transparens ], monolagsgrafen dyrket ved kjemisk dampavsetning (CVD) har en lignende kombinasjon av arkmotstand (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 ytterligere å forbedre dens elektriske ytelse som en gjennomsiktig fleksibel leder, har tidligere arbeider utviklet grafenhybridmaterialer med endimensjonale (1D) sølvnano-tråder eller karbon-nanorør (CNT) (9–11).Dessuten har grafen blitt brukt som elektroder for blandet dimensjonale heterostrukturelle halvledere (som 2D bulk Si, 1D nanotråder/nanorør og 0D kvanteprikker) (12), fleksible transistorer, solceller og lysemitterende dioder (LED) (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 modul på 0,5 TPa ( 26).Det sterke karbon-karbon-nettverket gir ingen energispredningsmekanismer for påført belastning og sprekker derfor lett ved mindre enn 5 % tøyning.For eksempel kan CVD-grafen overført til et elastisk polydimetylsiloksan (PDMS) substrat bare opprettholde sin ledningsevne ved mindre enn 6 % tøyning (8).Teoretiske beregninger viser at krølling og samspill mellom ulike lag bør redusere stivheten sterkt (26).Ved å stable grafen i flere lag, rapporteres det at denne to- eller trelags grafenen er strekkbar til 30 % tøyning, og viser motstandsendring 13 ganger mindre enn for monolagsgrafen (27).Imidlertid er denne strekkbarheten fortsatt betydelig dårligere enn de nyeste strekkbare ledninger (28, 29).
Transistorer er viktige i strekkbare applikasjoner fordi de muliggjør sofistikert sensoravlesning og signalanalyse (30, 31).Transistorer på PDMS med flerlags grafen som kilde-/dreneringselektroder og kanalmateriale kan opprettholde elektrisk funksjon opp til 5 % belastning (32), som er betydelig under minimumskravet (~50 %) for brukbare helseovervåkende sensorer 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).Imidlertid krever denne metoden suspendert grafen, noe som kompliserer fremstillingsprosessen.
Her oppnår vi svært strekkbare grafenenheter ved å interkalere grafenruller (~1 til 20 μm lange, ~0,1 til 1 μm brede og ~10 til 100 nm høye) mellom grafenlag.Vi antar at disse grafenrullene kan gi ledende baner for å bygge bro over sprekker i grafenarkene, og dermed opprettholde høy ledningsevne under belastning.Grafenrullene krever ikke ytterligere syntese eller prosess;de dannes naturlig under våtoverføringsprosedyren.Ved å bruke flerlags G/G (grafen/grafen) ruller (MGGs) grafen strekkbare elektroder (kilde/drain og gate) og halvledende CNT, var vi i stand til å demonstrere svært transparente og svært strekkbare karbontransistorer, som kan strekkes til 120 % tøyning (parallell med ladningstransportretningen) og beholder 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 store gjennomsiktige strekkbare grafenelektroder, valgte vi CVD-dyrket grafen på Cu-folie.Cu-folien ble hengt opp 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, spinnbehandlede vi først et tynt lag med poly(metylmetakrylat) (PMMA) for å beskytte den ene siden av grafenet, som vi kalte grafen på toppen (omvendt for den andre siden av grafenet), og deretter hele filmen (PMMA/toppgrafen/Cu/bunngrafen) ble dynket i (NH4)2S2O8-løsning for å etse bort Cu-folien.Grafenet på undersiden uten PMMA-belegget vil uunngåelig ha sprekker og defekter som lar et etsemiddel trenge gjennom (36, 37).Som illustrert i fig. 1A, under påvirkning av overflatespenning, rullet de frigjorte grafendomenene opp til ruller og festet deretter til den gjenværende topp-G/PMMA-filmen.Topp-G/G-rullene kan overføres til et hvilket som helst underlag, slik som SiO2/Si, glass eller myk polymer.Å gjenta denne overføringsprosessen flere ganger på samme underlag gir MGG-strukturer.
(A) Skjematisk illustrasjon av fremstillingsprosedyren for MGGs som en strekkbar elektrode.Under grafenoverføringen ble baksidegrafen på Cu-folie brutt ved grenser og defekter, rullet opp til vilkårlige former og tett festet til de øvre filmene, og dannet nanoscrolls.Den fjerde tegneserien viser den stablede MGG-strukturen.(B og C) Høyoppløselige TEM-karakteriseringer av en monolayer MGG, med fokus på henholdsvis monolayer graphene (B) og scroll (C) regionen.Innsettingen av (B) er et bilde med lav forstørrelse som viser den generelle morfologien til monolag MGG på TEM-nettet.Innfellinger av (C) er intensitetsprofilene tatt langs de rektangulære boksene som er angitt på 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) AFM-seksjonsbilde av monolag G/G-ruller 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 henholdsvis 300 nm tykke SiO2/Si-substrater.Representative ruller og rynker ble merket for å fremheve forskjellene deres.
For å verifisere at rullene er rullet grafen i naturen, utførte vi høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi (TEM) og elektronenergitap (EEL) spektroskopistudier på monolag topp-G/G rullestrukturer.Figur 1B viser den sekskantede strukturen til et monolags grafen, og innlegget er en generell morfologi av filmen dekket på et enkelt karbonhull i TEM-nettet.Enlagsgrafen spenner over det meste av rutenettet, og noen grafenflak i nærvær av flere stabler av sekskantede ringer vises (fig. 1B).Ved å zoome inn på en individuell rulle (fig. 1C), observerte vi en stor mengde grafengitterkanter, med gitteravstanden i området 0,34 til 0,41 nm.Disse målingene tyder på 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, der toppen ved 285 eV stammer fra π* orbital og den andre rundt 290 eV skyldes overgangen til σ* orbital.Det kan sees at sp2-binding dominerer i denne strukturen, og bekrefter at rullene er svært grafittiske.
Optisk mikroskopi og atomkraftmikroskopi (AFM) bilder gir innsikt i fordelingen av grafen nanoscrolls i MGGs (fig. 1, E til G, og fig. S1 og S2).Rullene er tilfeldig fordelt over overflaten, og deres tetthet i planet øker proporsjonalt med antall stablede lag.Mange ruller er viklet inn i knuter og viser uensartede høyder i området 10 til 100 nm.De er 1 til 20 μm lange og 0,1 til 1 μm brede, avhengig av størrelsen på deres første grafenflak.Som vist i fig. 1 (H og I), har rullene betydelig større størrelser enn rynkene, noe som fører til et mye røffere grensesnitt mellom grafenlagene.
For å måle de elektriske egenskapene, mønstret vi grafenfilmer med eller uten rullestrukturer og lagstabling i 300 μm brede og 2000 μm lange strimler ved hjelp av fotolitografi.To-probe motstand som en funksjon av tøyning ble målt under omgivelsesforhold.Tilstedeværelsen av ruller reduserte resistiviteten for monolagsgrafen med 80 % med bare en 2,2 % reduksjon i transmittansen (fig. S4).Dette bekrefter at nanoscroll, som har en høy strømtetthet opp til 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), gir et veldig positivt elektrisk bidrag til MGG-ene.Blant alle mono-, bi- og trilags vanlig grafen og MGG-er har trelags MGG den beste konduktansen med en gjennomsiktighet på nesten 90%.For å sammenligne med andre kilder til grafen rapportert i litteraturen, målte vi også fire-sonde arkmotstander (fig. S5) og listet dem som en funksjon av transmittans ved 550 nm (fig. S6) i fig. 2A.MGG viser sammenlignbar eller høyere ledningsevne og transparens enn kunstig stablet flerlags vanlig grafen og redusert grafenoksid (RGO) (6, 8, 18).Legg merke til at arkmotstanden til kunstig stablet flerlags vanlig grafen fra litteraturen er litt høyere enn for vår MGG, sannsynligvis på grunn av deres uoptimaliserte vekstforhold og overføringsmetode.
(A) Fire-probe arkmotstand versus transmittans ved 550 nm for flere typer grafen, der svarte firkanter angir mono-, bi- og trilags MGG-er;røde sirkler og blå trekanter samsvarer med flerlags vanlig grafen dyrket på Cu og Ni fra studiene til Li et al.(6) og Kim et al.(8), henholdsvis, og deretter overført til Si02/Si eller kvarts;og grønne trekanter er verdier for RGO ved forskjellige reduserende grader fra studiet til Bonaccorso et al.(18).(B og C) Normalisert motstandsendring av mono-, to- og trilags MGG og G som funksjon av vinkelrett (B) og parallell (C) tøyning til strømretningen.(D) Normalisert motstandsendring av tolags G (rød) og MGG (svart) under syklisk belastning opp til 50 % vinkelrett belastning.(E) Normalisert motstandsendring av trelags G (rød) og MGG (svart) under syklisk belastning opp til 90 % parallell belastning.(F) Normalisert kapasitansendring av mono-, to- og trilags G og to- og trelags MGGer som en funksjon av tøyning.Innsatsen er kondensatorstrukturen, der polymersubstratet er SEBS og det dielektriske polymerlaget er det 2 μm tykke SEBS.
For å evaluere den belastningsavhengige ytelsen til MGG, overførte vi grafen til termoplastisk elastomer styren-etylen-butadien-styren (SEBS) substrater (~ 2 cm bred og ~ 5 cm lang), og ledningsevnen ble målt da substratet ble strukket (se Materialer og metoder) både vinkelrett og parallelt med strømretningen (fig. 2, B og C).Den belastningsavhengige elektriske oppførselen ble forbedret med inkorporering av nanoscroll og økende antall grafenlag.For eksempel, når tøyningen er vinkelrett på strømstrømmen, for monolagsgrafen, økte tilsetningen av ruller tøyningen ved elektrisk brudd fra 5 til 70 %.Strekktoleransen til trelags grafen er også betydelig forbedret sammenlignet med monolags grafen.Med nanoscroll, ved 100 % vinkelrett belastning, økte motstanden til trelags MGG-strukturen bare med 50 %, sammenlignet med 300 % for trelags grafen uten ruller.Motstandsendring under syklisk belastningsbelastning ble undersøkt.Til sammenligning (fig. 2D), økte motstandene til en vanlig tolags grafenfilm omtrent 7,5 ganger etter ~700 sykluser ved 50 % vinkelrett belastning og fortsatte å øke med belastning i hver syklus.På den annen side økte motstanden til en tolags MGG bare omtrent 2,5 ganger etter ~700 sykluser.Ved å bruke opptil 90 % belastning langs den parallelle retningen, økte motstanden til trelags grafen ~100 ganger etter 1000 sykluser, mens det bare er ~8 ganger i en trelags MGG (fig. 2E).Sykkelresultater er vist i fig.S7.Den relativt raskere økningen i motstand langs den parallelle tøyningsretningen er fordi orienteringen av sprekker er vinkelrett på strømretningen.Motstandsavviket under belastning og lossing skyldes den viskoelastiske gjenvinningen 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), og bidra til å opprettholde en perkolerende bane.Dette fenomenet med å opprettholde konduktivitet ved en perkoleringsvei har blitt rapportert tidligere for sprukket metall- eller halvlederfilmer på elastomersubstrater (40, 41).
For å evaluere disse grafenbaserte filmene som portelektroder i strekkbare enheter, dekket vi grafenlaget med et SEBS dielektrisk lag (2 μm tykt) og overvåket den dielektriske kapasitansendringen som en funksjon av tøyning (se fig. 2F og tilleggsmaterialene for detaljer).Vi observerte at kapasitanser med vanlig monolag og tolags grafenelektroder raskt reduserte på grunn av tapet av ledningsevne i planet til grafen.Derimot viste kapasitanser gatet av MGG-er så vel som vanlig trelagsgrafen en økning av kapasitans med belastning, som forventes på grunn av reduksjon i dielektrisk tykkelse med belastning.Den forventede økningen i kapasitans stemte veldig godt overens med MGG-strukturen (fig. S8).Dette indikerer at MGG egner seg som portelektrode for strekkbare transistorer.
For ytterligere å undersøke rollen til 1D grafenrullen på belastningstoleransen 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 ytterligere å forstå deres evne som elektroder for strekkbar elektronikk, undersøkte vi systematisk morfologiene til MGG og G-CNT-G under belastning.Optisk mikroskopi og skanningselektronmikroskopi (SEM) er ikke effektive karakteriseringsmetoder fordi begge mangler fargekontrast og SEM er gjenstand for bildeartefakter under elektronskanning når grafen er på polymersubstrater (fig. S9 og S10).For å observere grafenoverflaten under belastning in situ, samlet vi AFM-målinger på trelags MGG-er og vanlig grafen etter overføring til veldig tynne (~ 0,1 mm tykke) og elastiske SEBS-substrater.På grunn av de iboende defektene i CVD-grafen og ytre skade under overføringsprosessen, genereres det uunngåelig sprekker på det anstrengte grafenet, og med økende belastning ble sprekkene tettere (fig. 4, A til D).Avhengig av stablestrukturen til de karbonbaserte elektrodene, viser sprekkene forskjellige morfologier (fig. S11) (27).Sprekkeområdetetthet (definert som sprekkareal/analysert område) av flerlagsgrafen er mindre enn for monolagsgrafen etter belastning, noe som er i samsvar med økningen i elektrisk ledningsevne for MGG-er.På den annen side observeres ofte ruller for å bygge bro over sprekkene, og gir ytterligere ledende veier i den anstrengte filmen.For eksempel, som merket i bildet i fig. 4B, krysset en bred rull over en sprekk i trelags MGG, men ingen rull ble observert i vanlig grafen (fig. 4, E til H).På samme måte slo CNT-er også bro over sprekkene i grafen (fig. S11).Sprekkearealtettheten, rullearealtettheten og ruheten til filmene er oppsummert i fig. 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 % press.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 av mønstrede monolags grafenelektroder på SEBS-substratet.(J) Simuleringskonturkart av den maksimale hovedlogaritmiske belastningen i monolagsgrafen og SEBS-substratet ved 20% ekstern belastning.(K) Sammenligning av sprekkarealtetthet (rød kolonne), rulleområdetetthet (gul kolonne) og overflateruhet (blå kolonne) for forskjellige grafenstrukturer.
Når MGG-filmene strekkes, er det en viktig tilleggsmekanisme som gjør at rullene kan bygge bro over sprukne områder av grafen, og 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 opp til mikrometerskala.Videre, fordi rullene består av flerlag av grafen, forventes de å ha lav motstand.Til sammenligning kreves det relativt tette (lavere transmittans) CNT-nettverk for å gi sammenlignbare ledende brodannende evner, ettersom CNT-er er mindre (vanligvis noen få mikrometer i lengde) og mindre ledende enn ruller.På den annen side, som vist i fig.S12, mens grafen sprekker under strekking for å imøtekomme belastning, sprekker ikke rullene, noe som indikerer at sistnevnte kan gli på den underliggende grafenen.Årsaken til at de ikke sprekker er sannsynligvis på grunn av den sammenrullede strukturen, som består av mange lag med grafen (~1 til 2 0 μm lang, ~0,1 til 1 μm bred og ~10 til 100 nm høy), som har en høyere effektiv modul enn enkeltlags grafen.Som rapportert av Green og Hersam (42), kan metalliske CNT-nettverk (rørdiameter på 1,0 nm) oppnå lave arkmotstander <100 ohm/sq til tross for den store kryssmotstanden mellom CNT-er.Tatt i betraktning at grafenrullene våre har bredder på 0,1 til 1 μm og at G/G-rullene har mye større kontaktflater enn CNT-er, bør ikke kontaktmotstanden og kontaktområdet mellom grafen- og grafenrullene være begrensende faktorer for å opprettholde høy ledningsevne.
Grafenet har en mye høyere modul 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 øyeffekt.Vi simulerte deformasjonen av en 1 nm tykk grafen på et SEBS-substrat (se tilleggsmaterialer for detaljer).I følge simuleringsresultatene, når 20 % belastning påføres SEBS-substratet eksternt, er den gjennomsnittlige belastningen i grafenet ~6,6 % (fig. 4J og fig. S13D), noe som stemmer overens med eksperimentelle observasjoner (se fig. S13). .Vi sammenlignet belastningen i de mønstrede grafen- og substratområdene ved bruk av optisk mikroskopi og fant at belastningen i substratregionen var minst to ganger belastningen i grafenregionen.Dette indikerer at belastningen som påføres grafenelektrodemønstre kan være betydelig begrenset, og danne stive grafenøyer på toppen av SEBS (26, 43, 44).
Derfor er evnen til MGG-elektroder til å opprettholde høy ledningsevne under høy belastning sannsynligvis muliggjort av to hovedmekanismer: (i) rullene kan bygge bro mellom frakoblede områder for å opprettholde en ledende perkolasjonsvei, og (ii) flerlags grafenark/elastomer kan gli over hverandre, noe som resulterer i redusert belastning på grafenelektroder.For flere lag med overført grafen på elastomer er ikke lagene sterkt festet til hverandre, 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 derfor muliggjøre glidning av grafenlagene.
Alle-karbonenheter er entusiastisk etterfulgt på grunn av lave kostnader og høy gjennomstrømning.I vårt tilfelle ble karbontransistorer produsert ved å bruke en grafenport nederst, en topp grafenkilde/avløpskontakt, en sortert CNT-halvleder og SEBS som et dielektrisk (fig. 5A).Som vist i fig. 5B er en karbonenhet med CNT som kilde/avløp og port (nederst) mer ugjennomsiktig enn enheten med grafenelektroder (øverste enhet).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 tolags MGG-elektroder.Kanalbredden og lengden på den ikke-anstrengte transistoren var henholdsvis 800 og 100 μm.Det målte på/av-forholdet er større enn 103 med på- og avstrømmer på nivåene henholdsvis 10−5 og 10−8 A.Utgangskurven viser ideelle lineære og metningsregimer med klar gatespenningsavhengighet, noe som indikerer ideell kontakt mellom CNT-er og grafenelektroder (45).Kontaktmotstanden med grafenelektroder ble observert å være lavere enn den med fordampet Au-film (se fig. S14).Metningsmobiliteten til den strekkbare transistoren er omtrent 5,6 cm2/Vs, lik den til de samme polymersorterte CNT-transistorene på stive Si-substrater med 300 nm SiO2 som et dielektrisk lag.Ytterligere forbedring av mobilitet er mulig med optimalisert rørtetthet og andre typer rør ( 46).
(A) Skjema av grafenbasert strekkbar transistor.SWNTs, enkeltveggede karbon nanorør.(B) Foto av de strekkbare transistorene laget av grafenelektroder (øverst) og CNT-elektroder (nederst).Forskjellen i åpenhet er tydelig merkbar.(C og D) Overførings- og utgangskurver for den grafenbaserte transistoren på SEBS før belastning.(E og F) Overføringskurver, på og av strøm, på/av-forhold og mobilitet til den grafenbaserte transistoren ved forskjellige belastninger.
Når den gjennomsiktige karbonanordningen ble strukket i retning parallelt med ladningstransportretningen, ble minimal nedbrytning observert opp til 120 % tøyning.Under strekking avtok mobiliteten kontinuerlig fra 5,6 cm2/Vs ved 0 % tøyning til 2,5 cm2/Vs ved 120 % strekk (fig. 5F).Vi sammenlignet også transistorytelsen for forskjellige kanallengder (se tabell S1).Spesielt, ved en belastning så stor som 105 %, viste alle disse transistorene fortsatt et høyt på/av-forhold (>103) og mobilitet (>3 cm2/Vs).I tillegg oppsummerte vi alt det siste arbeidet med karbontransistorer (se tabell S2) (47–52).Ved å optimere enhetsfabrikasjonen på elastomerer og bruke MGG-er som kontakter, viser våre helkarbontransistorer god ytelse når det gjelder mobilitet og hysterese, i tillegg til å være svært strekkbare.
Som en applikasjon av den fullstendig gjennomsiktige og strekkbare transistoren, brukte vi den til å kontrollere en LED-svitsjing (fig. 6A).Som vist i fig. 6B, kan den grønne LED-en sees tydelig gjennom den strekkbare karbonanordningen plassert rett over.Mens den strekker seg til ~100 % (fig. 6, C og D), endres ikke LED-lysintensiteten, noe som stemmer overens med transistorytelsen beskrevet ovenfor (se film S1).Dette er den første rapporten om strekkbare kontrollenheter laget med grafenelektroder, og demonstrerer en ny mulighet for strekkbar grafenelektronikk.
(A) Krets til en transistor for å drive LED.GND, grunn.(B) Foto av den strekkbare og gjennomsiktige karbontransistoren med 0 % belastning montert over en grønn LED.(C) Den gjennomsiktige og strekkbare transistoren i karbon som brukes til å bytte lysdioden, blir montert over lysdioden ved 0% (venstre) og ~100% belastning (høyre).Hvite piler peker som de gule markørene på enheten for å vise at avstandsendringen strekkes.(D) Sidevisning av den strakte transistoren, med LED-en skjøvet inn i elastomeren.
Avslutningsvis har vi utviklet en gjennomsiktig ledende grafenstruktur som opprettholder høy ledningsevne under store belastninger som strekkbare elektroder, aktivert av grafen nanoscroll mellom stablede grafenlag.Disse to- og trelags MGG-elektrodestrukturene på en elastomer kan opprettholde henholdsvis 21 og 65 % av deres 0 % tøyningsledningsevne ved en belastning så høy som 100 %, sammenlignet med fullstendig tap av ledningsevne ved 5 % tøyning for typiske monolags grafenelektroder .De ekstra ledende banene til grafenruller samt den svake interaksjonen mellom de overførte lagene bidrar til den overlegne konduktivitetsstabiliteten under belastning.Vi har videre brukt denne grafenstrukturen for å lage strekkbare transistorer av karbon.Så langt er dette den mest strekkbare grafenbaserte transistoren med best gjennomsiktighet uten bruk av knekking.Selv om denne studien ble utført for å aktivere grafen for strekkbar elektronikk, tror vi at denne tilnærmingen kan utvides til andre 2D-materialer for å muliggjøre strekkbar 2D-elektronikk.
Storareal 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 monolagsgrafen.Et tynt lag PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) ble spinnbelagt 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 ca. 2 timer for å etse bort Cu-folien.Under denne prosessen revet den ubeskyttede baksidegrafenen først langs korngrensene og rullet deretter opp til ruller på grunn av overflatespenning.Rullene ble festet på 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, slik som et stivt SiO2/Si- eller plastsubstrat.Så snart den vedlagte filmen tørket på underlaget, ble prøven sekvensielt dynket i aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalkohol) og IPA i 30 s hver for å fjerne PMMA.Filmene ble oppvarmet ved 100°C i 15 minutter eller holdt i vakuum over natten for fullstendig å fjerne det fangede vannet før et nytt lag med G/G-rull ble overført til den.Dette trinnet var å unngå løsgjøring av grafenfilm fra underlaget og sikre full dekning av MGG-er under utgivelsen av PMMA-bærerlag.
Morfologien til MGG-strukturen ble observert ved bruk av et optisk mikroskop (Leica) og et skanningselektronmikroskop (1 kV; FEI).Et atomkraftmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) ble betjent i tappemodus for å observere detaljene til G-rullene.Filmtransparens ble testet med et ultrafiolett-synlig spektrometer (Agilent Cary 6000i).For testene når tøyningen var langs den vinkelrette retningen av strømstrømmen, 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 den lange aksen til strimlene parallelt med kortsiden av SEBS etterfulgt av BOE (bufret oksidetch) (HF:H2O) 1:6) etsing og eutektisk gallium indium (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.For begge tilfeller ble hele G (uten G-ruller)/SEBS strukket langs langsiden av elastomeren i et manuelt apparat, og in situ målte vi motstandsendringene deres under belastning på en sondestasjon med en halvlederanalysator (Keithley 4200) -SCS).
De svært strekkbare og gjennomsiktige transistorene av karbon på et elastisk substrat ble fremstilt ved følgende prosedyrer for å unngå skade på organisk løsemiddel på polymerdielektrikumet og substratet.MGG-strukturer ble overført til SEBS som portelektroder.For å oppnå et jevnt dielektrisk lag av tynnfilmpolymer (2 μm tykt), ble en SEBS-toluen-løsning (80 mg/ml) spinnbelagt på et oktadecyltriklorsilan (OTS)-modifisert SiO2/Si-substrat ved 1000 rpm i 1 min.Den tynne dielektriske filmen kan enkelt overføres fra den hydrofobe OTS-overflaten til SEBS-substratet som er dekket med grafen som er forberedt.En kondensator kan lages ved å avsette en flytende metall (EGaIn; Sigma-Aldrich) toppelektrode for å bestemme kapasitansen som en funksjon av tøyning ved å bruke en LCR (induktans, kapasitans, motstand) meter (Agilent).Den andre delen av transistoren besto av polymersorterte halvledende CNT-er, etter prosedyrene rapportert tidligere (53).De mønstrede kilde/avløpselektrodene ble fremstilt på stive SiO2/Si-substrater.Deretter ble de to delene, dielektrisk/G/SEBS og CNTs/mønstret G/SiO2/Si, laminert til hverandre og dynket i BOE for å fjerne det stive SiO2/Si-substratet.Dermed ble de helt gjennomsiktige og strekkbare transistorene fremstilt.Den elektriske testingen under belastning ble utført på et manuelt strekkoppsett som den nevnte metoden.
Tilleggsmateriale for denne artikkelen er tilgjengelig på http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Fig.S1.Optiske mikroskopibilder av monolag MGG på SiO2/Si-substrater ved forskjellige forstørrelser.
Fig.S4.Sammenligning av to-probe arkmotstander og transmittanser @550 nm av mono-, to- og trilags vanlig grafen (svarte firkanter), MGG (røde sirkler) og CNT-er (blå trekant).
Fig.S7.Normalisert motstandsendring av mono- og tolags MGG (svart) og G (rød) under ~1000 syklisk belastning opp til henholdsvis 40 og 90 % parallell belastning.
Fig.S10.SEM-bilde av trelags MGG på SEBS elastomer etter strekk, som viser et langt rullekryss over flere sprekker.
Fig.S12.AFM-bilde av trelags MGG på svært tynn SEBS-elastomer ved 20 % tøyning, som viser at en rulle krysset en sprekk.
tabell S1.Mobiliteter av tolags MGG-enkeltveggede karbon nanorørtransistorer 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 originalverket er riktig sitert.
MERK: Vi ber kun om din e-postadresse 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 eller ikke 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.
Innleggstid: 28. januar 2021