Elektroda grafeni ultratransparente dhe të shtrira

Materialet dydimensionale, si grafeni, janë tërheqëse si për aplikimet konvencionale të gjysmëpërçuesve, ashtu edhe për aplikimet e reja në elektronikë fleksibël. Megjithatë, forca e lartë në tërheqje e grafenit rezulton në thyerje me sforcim të ulët, duke e bërë të vështirë përfitimin e vetive të tij të jashtëzakonshme elektronike në elektronikën e shtrirë. Për të mundësuar performancë të shkëlqyeshme të përçuesve transparentë të grafenit, të varur nga tendosja, ne krijuam nanorrotullime grafeni midis shtresave të grumbulluara të grafenit, të referuara si rrotulla grafeni/grafeni me shumë shtresa (MGGs). Nën tendosje, disa rrotulla lidhën domenet e fragmentuara të grafenit për të mbajtur një rrjet depërtues që mundësonte përçueshmëri të shkëlqyer në tendosje të larta. MGG-të me tre shtresa të mbështetura në elastomerë ruajtën 65% të përçueshmërisë së tyre origjinale në tendosje 100%, e cila është pingul me drejtimin e rrjedhës së rrymës, ndërsa filmat treshtresorë të grafenit pa nanosrollat ​​ruajtën vetëm 25% të përçueshmërisë së tyre fillestare. Një tranzistor i shtrirë me të gjithë karbonin, i fabrikuar duke përdorur MGG si elektroda, shfaqi një transmetim prej >90% dhe mbajti 60% të prodhimit të tij origjinal të rrymës në tendosje 120% (paralel me drejtimin e transportit të ngarkesës). Këta transistorë shumë të shtrirë dhe transparent me të gjithë karbonin mund të mundësojnë optoelektronikë të sofistikuar të shtrirë.
Elektronika transparente e shtrirë është një fushë në rritje që ka aplikime të rëndësishme në sistemet e avancuara të biointegruara (1, 2) si dhe potencialin për t'u integruar me optoelektronikën e shtrirë (3, 4) për të prodhuar robotikë dhe ekrane të sofistikuara të buta. Grafeni shfaq veti shumë të dëshirueshme të trashësisë atomike, transparencës së lartë dhe përçueshmërisë së lartë, por zbatimi i tij në aplikimet e shtrirjes është penguar nga tendenca e tij për të çarë në deformime të vogla. Tejkalimi i kufizimeve mekanike të grafenit mund të mundësojë funksionalitet të ri në pajisjet transparente të shtrirjes.
Vetitë unike të grafenit e bëjnë atë një kandidat të fortë për gjeneratën e ardhshme të elektrodave përçuese transparente (5, 6). Krahasuar me përçuesin transparent më të përdorur, oksidin e kallajit të indiumit [ITO; 100 ohms/katror (sq) me transparencë 90%], grafeni me një shtresë të rritur nga depozitimi kimik i avullit (CVD) ka një kombinim të ngjashëm të rezistencës së fletës (125 ohms/sq) dhe transparencës (97,4%) (5). Përveç kësaj, filmat e grafenit kanë fleksibilitet të jashtëzakonshëm në krahasim me ITO (7). Për shembull, në një nënshtresë plastike, përcjellshmëria e saj mund të ruhet edhe për një rreze lakimi të vogël sa 0,8 mm (8). Për të rritur më tej performancën e tij elektrike si një përcjellës fleksibël transparent, punimet e mëparshme kanë zhvilluar materiale hibride grafeni me nanotela argjendi njëdimensionale (1D) ose nanotuba karboni (CNT) (9–11). Për më tepër, grafeni është përdorur si elektroda për gjysmëpërçuesit heterostrukturorë me dimensione të përziera (të tilla si Si 2D me shumicë, nanotela/nanotubat 1D dhe pika kuantike 0D) (12), transistorë fleksibël, qeliza diellore dhe dioda që lëshojnë dritë (LED) (13). – 23).
Megjithëse grafeni ka treguar rezultate premtuese për elektronikën fleksibël, aplikimi i tij në elektronikën e shtrirë ka qenë i kufizuar nga vetitë e tij mekanike (17, 24, 25); grafeni ka një ngurtësi në plan prej 340 N/m dhe një modul Young prej 0,5 TPa (26). Rrjeti i fortë karbon-karbon nuk ofron asnjë mekanizëm të shpërndarjes së energjisë për sforcimin e aplikuar dhe për këtë arsye plasaritet lehtësisht me sforcim më të vogël se 5%. Për shembull, grafeni CVD i transferuar në një substrat elastik polidimetilsiloksan (PDMS) mund të ruajë përçueshmërinë e tij vetëm në më pak se 6% tendosje (8). Llogaritjet teorike tregojnë se thërrmimi dhe ndërveprimi ndërmjet shtresave të ndryshme duhet të ulë fuqishëm ngurtësinë (26). Duke grumbulluar grafenin në shtresa të shumta, raportohet se ky grafen me dy ose tre shtresa është i shtrirë deri në sforcim 30%, duke shfaqur ndryshim të rezistencës 13 herë më të vogël se ai i grafenit me një shtresë (27). Sidoqoftë, kjo shtrirje është ende dukshëm inferiore ndaj përcjellësve të shtrirë më të fundit të teknologjisë së fundit (28, 29).
Transistorët janë të rëndësishëm në aplikimet e shtrirjes sepse mundësojnë leximin e sofistikuar të sensorit dhe analizën e sinjalit (30, 31). Transistorët në PDMS me grafen me shumë shtresa si elektroda burimi/kullimi dhe materiali kanal mund të ruajnë funksionin elektrik deri në 5% tendosje (32), që është dukshëm nën vlerën minimale të kërkuar (~50%) për sensorët e monitorimit të shëndetit të veshur dhe lëkurën elektronike ( 33, 34). Kohët e fundit, është eksploruar një qasje kirigami e grafenit dhe transistori i mbyllur nga një elektrolit i lëngshëm mund të shtrihet deri në 240% (35). Megjithatë, kjo metodë kërkon grafen të pezulluar, gjë që e ndërlikon procesin e fabrikimit.
Këtu, ne arrijmë pajisje grafeni shumë të shtrirë duke ndërthurur rrotulla grafeni (~ 1 deri në 20 μm të gjata, ~ 0,1 deri në 1 μm të gjera dhe ~ 10 deri në 100 nm të larta) midis shtresave të grafenit. Ne supozojmë se këto rrotulla grafeni mund të ofrojnë shtigje përçuese për të kapërcyer çarjet në fletët e grafenit, duke ruajtur kështu përçueshmëri të lartë nën tendosje. Rrotullat e grafenit nuk kërkojnë sintezë ose proces shtesë; ato formohen natyrshëm gjatë procedurës së transferimit të lagësht. Duke përdorur rrotulla me shumë shtresa G/G (grafen/grafen) (MGG) elektroda të shtrirë grafeni (burimi/kullimi dhe porta) dhe CNT-të gjysmëpërçuese, ne ishim në gjendje të demonstronim transistorë të gjithë karbonit shumë transparent dhe shumë të shtrirë, të cilët mund të shtrihen në 120 % tendosje (paralel me drejtimin e transportit të ngarkesës) dhe ruajnë 60 % të prodhimit të tyre origjinal të rrymës. Ky është transistori transparent më i shtrirë me bazë karboni deri më tani, dhe siguron rrymë të mjaftueshme për të drejtuar një LED inorganik.
Për të mundësuar elektroda grafeni transparente të shtrirë me sipërfaqe të madhe, ne zgjodhëm grafenin e rritur në CVD në fletë Cu. Fleta Cu u pezullua në qendër të një tubi kuarci CVD për të lejuar rritjen e grafenit në të dy anët, duke formuar struktura G/Cu/G. Për të transferuar grafenin, fillimisht ne mbështjellëm një shtresë të hollë poli(metakrilate) (PMMA) për të mbrojtur njërën anë të grafenit, të cilën e emërtuam grafen nga ana e sipërme (e kundërta për anën tjetër të grafenit), dhe më pas, i gjithë filmi (PMMA/grafeni i sipërm/Cu/grafeni i poshtëm) u zhyt në tretësirë ​​(NH4)2S2O8 për të gërmuar fletën Cu. Grafeni nga ana e poshtme pa veshjen PMMA do të ketë në mënyrë të pashmangshme çarje dhe defekte që lejojnë një etchant të depërtojë përmes (36, 37). Siç ilustrohet në Fig. 1A, nën efektin e tensionit sipërfaqësor, domenet e liruara të grafenit u rrotulluan në rrotulla dhe më pas u ngjitën në filmin e mbetur top-G/PMMA. Rrotullat top-G/G mund të transferohen në çdo nënshtresë, si SiO2/Si, xhami ose polimer i butë. Përsëritja e këtij procesi transferimi disa herë në të njëjtën substrat jep struktura MGG.
(A) Ilustrim skematik i procedurës së fabrikimit për MGG si një elektrodë e shtrirë. Gjatë transferimit të grafenit, grafeni nga ana e pasme në fletë Cu u thye në kufij dhe defekte, u mbështjellë në forma arbitrare dhe u ngjit fort në filmat e sipërm, duke formuar nanosrolls. Karikatura e katërt përshkruan strukturën e grumbulluar MGG. (B dhe C) Karakterizimet TEM me rezolucion të lartë të një MGG me një shtresë, duke u fokusuar në rajonin e grafenit me një shtresë (B) dhe në rajonin rrotullues (C), përkatësisht. Futja e (B) është një imazh me zmadhim të ulët që tregon morfologjinë e përgjithshme të MGG-ve me një shtresë në rrjetën TEM. Insetat e (C) janë profilet e intensitetit të marra përgjatë kutive drejtkëndore të treguara në imazh, ku distancat midis planeve atomike janë 0.34 dhe 0.41 nm. (D ) Spektri i EEL-së me skajet K të karbonit me majat karakteristike grafike π* dhe σ* të etiketuara. (E) Imazhi seksional AFM i rrotullave G/G me një shtresë me një profil lartësie përgjatë vijës së verdhë me pika. (F në I) Mikroskopi optik dhe imazhet AFM të treshtresës G pa (F dhe H) dhe me rrotulla (G dhe I) në nënshtresa SiO2/Si me trashësi 300 nm, përkatësisht. Rrotullat dhe rrudhat përfaqësuese u etiketuan për të theksuar dallimet e tyre.
Për të verifikuar që rrotullat janë me natyrë grafeni të mbështjellë, ne kryem studime të mikroskopisë elektronike të transmetimit me rezolucion të lartë (TEM) dhe spektroskopisë së humbjes së energjisë elektronike (EEL) në strukturat rrotulluese me një shtresë të sipërme-G/G. Figura 1B tregon strukturën gjashtëkëndore të një grafeni me një shtresë, dhe pjesa e brendshme është një morfologji e përgjithshme e filmit të mbuluar në një vrimë të vetme karboni të rrjetës TEM. Grafeni me një shtresë shtrihet në pjesën më të madhe të rrjetit dhe shfaqen disa copëza grafeni në prani të pirgjeve të shumta unazash gjashtëkëndore (Fig. 1B). Duke zmadhuar në një rrotull individuale (Fig. 1C), ne vëzhguam një sasi të madhe skajesh grilë grafeni, me hapësirën e rrjetës në rangun nga 0,34 deri në 0,41 nm. Këto matje sugjerojnë që thekonet janë mbështjellë rastësisht dhe nuk janë grafit i përsosur, i cili ka një hapësirë ​​rrjete prej 0,34 nm në grumbullimin e shtresave "ABAB". Figura 1D tregon spektrin EEL të skajit K të karbonit, ku kulmi në 285 eV e ka origjinën nga orbitalja π* dhe tjetra rreth 290 eV është për shkak të kalimit të orbitalës σ*. Mund të shihet se lidhja sp2 dominon në këtë strukturë, duke verifikuar që rrotullat janë shumë grafike.
Imazhet e mikroskopisë optike dhe mikroskopisë së forcës atomike (AFM) ofrojnë një pasqyrë të shpërndarjes së nanorrotullimeve të grafenit në MGG (Fig. 1, E deri në G dhe fig. S1 dhe S2). Rrotullat shpërndahen rastësisht mbi sipërfaqe dhe dendësia e tyre në plan rritet proporcionalisht me numrin e shtresave të grumbulluara. Shumë rrotulla janë të ngatërruara në nyje dhe shfaqin lartësi jo uniforme në rangun prej 10 deri në 100 nm. Ato janë 1 deri në 20 μm të gjata dhe 0,1 deri në 1 μm të gjera, në varësi të madhësive të thekoneve të tyre fillestare të grafenit. Siç tregohet në Fig. 1 (H dhe I), rrotullat kanë përmasa dukshëm më të mëdha se rrudhat, duke çuar në një ndërfaqe shumë më të ashpër midis shtresave të grafenit.
Për të matur vetitë elektrike, ne modeluam filma grafeni me ose pa struktura rrotullash dhe grumbullim shtresash në shirita 300 μm të gjerë dhe 2000 μm të gjatë duke përdorur fotolitografi. Rezistenca me dy sonda si funksion i sforcimit u matën në kushte ambienti. Prania e rrotullave zvogëloi rezistencën për grafenin me një shtresë me 80% me vetëm një rënie prej 2.2% në transmetimin (fig. S4). Kjo konfirmon se nanosrolls, të cilat kanë një densitet të lartë të rrymës deri në 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), japin një kontribut elektrik shumë pozitiv në MGG. Ndër të gjitha grafenet dhe MGG-të e thjeshtë mono-, dy- dhe treshtresore, MGG me tre shtresa ka përcjellshmërinë më të mirë me një transparencë prej gati 90%. Për t'u krahasuar me burimet e tjera të grafenit të raportuara në literaturë, ne matëm gjithashtu rezistencat e fletëve me katër sonda (fig. S5) dhe i renditëm ato si funksion të transmetimit në 550 nm (fig. S6) në Fig. 2A. MGG tregon përçueshmëri dhe transparencë të krahasueshme ose më të lartë se grafeni i thjeshtë shumështresor i grumbulluar artificialisht dhe oksidi i grafenit të reduktuar (RGO) (6, 8, 18). Vini re se rezistenca e fletëve të grafenit të thjeshtë shumështresor të grumbulluar artificialisht nga literatura është pak më e lartë se ajo e MGG-së tonë, ndoshta për shkak të kushteve të tyre të paoptimizuara të rritjes dhe metodës së transferimit.
(A) Rezistenca e fletëve me katër sonda kundrejt transmetencës në 550 nm për disa lloje grafeni, ku katrorët e zinj tregojnë MGG-të mono-, dy- dhe treshtresore; rrathët e kuq dhe trekëndëshat blu korrespondojnë me grafenin e thjeshtë shumështresor të rritur në Cu dhe Ni nga studimet e Li et al. (6) dhe Kim et al. (8), respektivisht, dhe më pas transferohet në SiO2/Si ose kuarc; dhe trekëndëshat e gjelbër janë vlera për RGO në shkallë të ndryshme reduktuese nga studimi i Bonaccorso et al. (18). (B dhe C) Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së MGG-ve dhe G-ve me një, dy dhe tre shtresa, si funksion i sforcimit pingul (B) dhe paralel (C) me drejtimin e rrjedhës së rrymës. (D) Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së shtresave të dyfishta G (e kuqe) dhe MGG (e zezë) nën ngarkimin ciklik të tendosjes deri në 50% sforcim pingul. (E) Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së treshtresës G (e kuqe) dhe MGG (e zezë) nën ngarkimin ciklik të tendosjes deri në 90% sforcim paralel. (F) Ndryshimi i normalizuar i kapacitetit të G-ve me një, dy dhe tre shtresa dhe MGG-të me dy dhe tre shtresa si funksion i sforcimit. Inset është struktura e kondensatorit, ku substrati polimer është SEBS dhe shtresa dielektrike polimer është SEBS me trashësi 2 μm.
Për të vlerësuar performancën e varur nga tendosja e MGG, ne transferuam grafen në substrate termoplastike styren-etilen-butadien-stiren (SEBS) (~2 cm të gjera dhe ~5 cm të gjata) dhe përçueshmëria u mat ndërsa nënshtresa u shtri. (shih Materialet dhe Metodat) si pingul ashtu edhe paralel me drejtimin e rrjedhës së rrymës (Fig. 2, B dhe C). Sjellja elektrike e varur nga tendosja u përmirësua me përfshirjen e nanosrolls dhe rritjen e numrit të shtresave të grafenit. Për shembull, kur sforcimi është pingul me rrjedhën e rrymës, për grafenin me një shtresë, shtimi i rrotullave e rriti sforcimin në thyerjen elektrike nga 5 në 70%. Toleranca ndaj tendosjes së grafenit me tre shtresa është përmirësuar gjithashtu ndjeshëm në krahasim me grafenin me një shtresë. Me nanosrollat, me sforcim 100% pingul, rezistenca e strukturës MGG me tre shtresa u rrit vetëm me 50%, në krahasim me 300% për grafenin me tre shtresa pa rrotulla. Ndryshimi i rezistencës nën ngarkesën ciklike të tendosjes u hetua. Për krahasim (Fig. 2D), rezistenca e një filmi të thjeshtë grafeni dyshtresor u rrit rreth 7.5 herë pas ~ 700 cikleve me sforcim 50% pingul dhe vazhdoi të rritej me tendosje në çdo cikël. Nga ana tjetër, rezistenca e një MGG dyshtresore u rrit vetëm rreth 2.5 herë pas ~ 700 cikleve. Duke aplikuar sforcim deri në 90% përgjatë drejtimit paralel, rezistenca e grafenit me tre shtresa u rrit ~ 100 herë pas 1000 cikleve, ndërsa është vetëm ~ 8 herë në një MGG me tre shtresa (Fig. 2E). Rezultatet e çiklizmit janë paraqitur në fig. S7. Rritja relativisht më e shpejtë e rezistencës përgjatë drejtimit paralel të sforcimit është për shkak se orientimi i çarjeve është pingul me drejtimin e rrjedhës së rrymës. Devijimi i rezistencës gjatë sforcimit të ngarkimit dhe shkarkimit është për shkak të rikuperimit viskoelastik të substratit elastomer SEBS. Rezistenca më e qëndrueshme e shiritave MGG gjatë çiklizmit është për shkak të pranisë së rrotullave të mëdha që mund të lidhin pjesët e plasaritura të grafenit (siç shihet nga AFM), duke ndihmuar në ruajtjen e një rruge depërtuese. Ky fenomen i mbajtjes së përçueshmërisë nga një rrugë depërtuese është raportuar më parë për filmat e plasaritur metalik ose gjysmëpërçues në nënshtresat elastomer (40, 41).
Për të vlerësuar këto filma me bazë grafeni si elektroda porta në pajisjet e shtrirjes, ne e mbuluam shtresën e grafenit me një shtresë dielektrike SEBS (2 μm e trashë) dhe monitoruam ndryshimin e kapacitetit dielektrik si funksion i sforcimit (shih Fig. 2F dhe Materialet Suplementare për detaje). Ne vumë re se kapacitetet me elektroda të grafenit me një shtresë të thjeshtë dhe dyshtresore u ulën shpejt për shkak të humbjes së përçueshmërisë brenda planit të grafenit. Në të kundërt, kapacitetet e mbyllura nga MGG-të si dhe grafeni i thjeshtë me tre shtresa treguan një rritje të kapacitetit me sforcim, gjë që pritet për shkak të zvogëlimit të trashësisë dielektrike me sforcim. Rritja e pritshme e kapacitetit përputhej shumë mirë me strukturën MGG (fig. S8). Kjo tregon që MGG është i përshtatshëm si një elektrodë porta për transistorë të shtrirë.
Për të hetuar më tej rolin e rrotullës së grafenit 1D në tolerancën ndaj sforcimit të përçueshmërisë elektrike dhe për të kontrolluar më mirë ndarjen ndërmjet shtresave të grafenit, ne përdorëm CNT të veshura me spërkatje për të zëvendësuar rrotullat e grafenit (shih Materialet Suplementare). Për të imituar strukturat MGG, ne depozituam tre dendësi të CNT-ve (d.m.th., CNT1
(A deri në C) Imazhet AFM të tre densiteteve të ndryshme të CNT-ve (CNT1
Për të kuptuar më tej aftësinë e tyre si elektroda për elektronikë të shtrirë, ne hetuam sistematikisht morfologjitë e MGG dhe G-CNT-G nën tendosje. Mikroskopi optik dhe mikroskopi elektronik skanues (SEM) nuk janë metoda efektive të karakterizimit sepse të dyjave u mungon kontrasti i ngjyrave dhe SEM i nënshtrohet objekteve të imazhit gjatë skanimit elektronik kur grafeni është në nënshtresa polimer (fig. S9 dhe S10). Për të vëzhguar në vend sipërfaqen e grafenit nën tendosje, ne mblodhëm matjet AFM në MGG me tre shtresa dhe grafen të thjeshtë pas transferimit në nënshtresa shumë të holla (~ 0,1 mm të trasha) dhe elastike SEBS. Për shkak të defekteve të brendshme në grafin CVD dhe dëmtimit të jashtëm gjatë procesit të transferimit, në grafinin e tendosur krijohen në mënyrë të pashmangshme çarje dhe me rritjen e tendosjes, çarjet bëhen më të dendura (Fig. 4, A deri në D). Në varësi të strukturës grumbulluese të elektrodave me bazë karboni, çarjet shfaqin morfologji të ndryshme (fig. S11) (27). Dendësia e zonës së çarjes (e përcaktuar si zona e plasaritjes/zona e analizuar) e grafenit me shumë shtresa është më e vogël se ajo e grafenit me një shtresë pas sforcimit, gjë që është në përputhje me rritjen e përçueshmërisë elektrike për MGG-të. Nga ana tjetër, rrotullat shpesh vërehen për të kapërcyer të çarat, duke siguruar shtigje përcjellëse shtesë në filmin e tendosur. Për shembull, siç etiketohet në imazhin e Fig. 4B, një rrotull i gjerë kaloi mbi një çarje në treshtresën MGG, por asnjë rrotull nuk u vu re në grafenin e thjeshtë (Fig. 4, E deri në H). Në mënyrë të ngjashme, CNT-të gjithashtu kanë kapërcyer çarjet në grafen (fig. S11). Dendësia e zonës së çarjes, dendësia e zonës së rrotullimit dhe vrazhdësia e filmave janë përmbledhur në Fig. 4K.
(A deri në H) Imazhet in situ AFM të rrotullave G/G me tre shtresa (A deri në D) dhe strukturave G me tre shtresa (E deri në H) në një elastomer shumë të hollë SEBS (~ 0,1 mm i trashë) në 0, 20, 60 dhe 100 % tendosje. Çarjet dhe rrotullat përfaqësuese janë të drejtuara me shigjeta. Të gjitha imazhet AFM janë në një zonë prej 15 μm × 15 μm, duke përdorur të njëjtën shirit të shkallës së ngjyrave siç është etiketuar. (I) Gjeometria simuluese e elektrodave të grafenit me një shtresë të modeluar në nënshtresën SEBS. (J) Harta konturore e simulimit të tendosjes logaritmike kryesore kryesore në grafenin me një shtresë dhe nënshtresën SEBS në sforcim të jashtëm 20%. (K) Krahasimi i densitetit të zonës së çarjes (kolona e kuqe), densitetit të zonës së rrotullimit (kolona e verdhë) dhe vrazhdësisë së sipërfaqes (kolona blu) për struktura të ndryshme grafeni.
Kur filmat MGG shtrihen, ekziston një mekanizëm i rëndësishëm shtesë që rrotullat mund të kapërcejnë rajonet e çara të grafenit, duke mbajtur një rrjet depërtues. Rrotullat e grafenit janë premtuese sepse ato mund të jenë dhjetëra mikrometra në gjatësi dhe për këtë arsye janë në gjendje të kapërcejnë çarjet që janë zakonisht deri në shkallë mikrometrash. Për më tepër, për shkak se rrotullat përbëhen nga shumë shtresa grafeni, ato pritet të kenë rezistencë të ulët. Në krahasim, rrjetet CNT relativisht të dendura (transmetim më të ulët) kërkohen për të ofruar aftësi të krahasueshme lidhëse përçuese, pasi CNT-të janë më të vogla (zakonisht disa mikrometra në gjatësi) dhe më pak përçues se rrotullat. Nga ana tjetër, siç tregohet në fig. S12, ndërsa grafeni plasaritet gjatë shtrirjes për të akomoduar sforcimin, rrotullat nuk çahen, duke treguar se kjo e fundit mund të jetë duke rrëshqitur mbi grafenin themelor. Arsyeja që ato nuk plasariten ka të ngjarë të jetë për shkak të strukturës së mbështjellë, e përbërë nga shumë shtresa grafeni (~ 1 deri në 2 0 μm e gjatë, ~ 0,1 deri në 1 μm e gjerë dhe ~ 10 deri në 100 nm e lartë), e cila ka një modul efektiv më i lartë se grafeni me një shtresë. Siç raportohet nga Green dhe Hersam (42), rrjetet metalike CNT (diametri i tubit prej 1,0 nm) mund të arrijnë rezistencë të ulët të fletës <100 ohms/sq pavarësisht rezistencës së madhe të kryqëzimit midis CNT-ve. Duke marrë parasysh që rrotullat tona të grafenit kanë gjerësi nga 0,1 deri në 1 μm dhe se rrotullat G/G kanë zona kontakti shumë më të mëdha se CNT-të, rezistenca e kontaktit dhe zona e kontaktit midis rrotullave të grafenit dhe grafenit nuk duhet të jenë faktorë kufizues për të mbajtur përçueshmëri të lartë.
Grafeni ka një modul shumë më të lartë se nënshtresa SEBS. Megjithëse trashësia efektive e elektrodës së grafenit është shumë më e ulët se ajo e nënshtresës, ngurtësia e grafenit shumëfishuar trashësinë e saj është e krahasueshme me atë të nënshtresës (43, 44), duke rezultuar në një efekt të moderuar të ngurtë-ishullit. Ne simuluam deformimin e një grafeni 1 nm të trashë në një substrat SEBS (shih Materialet Suplementare për detaje). Sipas rezultateve të simulimit, kur sforcimi 20% aplikohet në substratin SEBS nga jashtë, sforcimi mesatar në grafen është ~ 6.6% (Fig. 4J dhe fig. S13D), që është në përputhje me vëzhgimet eksperimentale (shih fig. S13) . Ne krahasuam sforcimin në rajonet e grafenit me model dhe nënshtresës duke përdorur mikroskopin optik dhe zbuluam se sforcimi në rajonin e nënshtresës ishte të paktën dyfishi i sforcimit në rajonin e grafenit. Kjo tregon se tendosja e aplikuar në modelet e elektrodës së grafenit mund të kufizohet ndjeshëm, duke formuar ishuj të ngurtë grafeni në krye të SEBS (26, 43, 44).
Prandaj, aftësia e elektrodave MGG për të mbajtur përçueshmëri të lartë nën sforcim të lartë ka të ngjarë të mundësohet nga dy mekanizma kryesorë: (i) rrotullat mund të lidhin rajonet e shkëputura për të mbajtur një rrugë përçuese të depërtimit dhe (ii) fletët/elastomeri me shumë shtresa grafeni mund të rrëshqasë mbi njëra-tjetrën, duke rezultuar në tendosje të reduktuar në elektrodat e grafenit. Për shtresa të shumta të grafenit të transferuar në elastomer, shtresat nuk janë të lidhura fort me njëra-tjetrën, të cilat mund të rrëshqasin në përgjigje të tendosjes (27). Rrotullat rritën gjithashtu vrazhdësinë e shtresave të grafenit, gjë që mund të ndihmojë në rritjen e ndarjes midis shtresave të grafenit dhe për këtë arsye të mundësojë rrëshqitjen e shtresave të grafenit.
Pajisjet me të gjithë karbonin ndiqen me entuziazëm për shkak të kostos së ulët dhe xhiros së lartë. Në rastin tonë, tranzistorët e gjithë karbonit u fabrikuan duke përdorur një portë grafeni të poshtme, një kontakt burimi/kullimi i sipërm grafeni, një gjysmëpërçues CNT i renditur dhe SEBS si dielektrik (Fig. 5A). Siç tregohet në Fig. 5B, një pajisje tërësisht karboni me CNT si burim/kullues dhe portë (pajisja e poshtme) është më opak se pajisja me elektroda grafeni (pajisja e sipërme). Kjo për shkak se rrjetet CNT kërkojnë trashësi më të mëdha dhe rrjedhimisht transmetime optike më të ulëta për të arritur rezistenca të fletëve të ngjashme me atë të grafenit (fig. S4). Figura 5 (C dhe D) tregon kthesat përfaqësuese të transferimit dhe daljes përpara sforcimit për një transistor të bërë me elektroda MGG të dyfishtë. Gjerësia dhe gjatësia e kanalit të tranzistorit të pakënaqur ishin përkatësisht 800 dhe 100 μm. Raporti i matur i ndezjes/fikjes është më i madh se 103 me rryma ndezëse dhe fikëse në nivelet përkatësisht 10−5 dhe 10−8 A. Kurba e daljes shfaq regjime ideale lineare dhe të ngopjes me varësi të qartë të tensionit të portës, që tregon kontaktin ideal midis CNT-ve dhe elektrodave të grafenit (45). Rezistenca e kontaktit me elektroda grafeni u vu re të ishte më e ulët se ajo me filmin Au të avulluar (shih fig. S14). Lëvizshmëria e ngopjes së tranzistorit të shtrirë është rreth 5,6 cm2/Vs, e ngjashme me atë të të njëjtëve transistorë CNT të renditura në polimer në nënshtresa të ngurtë Si me SiO2 300 nm si një shtresë dielektrike. Përmirësimi i mëtejshëm i lëvizshmërisë është i mundur me densitetin e optimizuar të tubave dhe llojet e tjera të tubave (46).
(A) Skema e tranzistorit të shtrirë me bazë grafeni. SWNT, nanotuba karboni me një mur. (B) Foto e tranzistorëve të shtrirë të bërë nga elektroda grafeni (sipër) dhe elektroda CNT (poshtë). Dallimi në transparencë është qartë i dukshëm. (C dhe D) Lakoret e transferimit dhe daljes së tranzistorit me bazë grafeni në SEBS përpara sforcimit. (E dhe F) Lakoret e transferimit, rryma e ndezjes dhe e fikjes, raporti i ndezjes/fikjes dhe lëvizshmëria e tranzistorit me bazë grafeni në sforcime të ndryshme.
Kur pajisja transparente, tërësisht karboni u shtri në drejtim paralel me drejtimin e transportit të ngarkesës, u vu re degradim minimal deri në sforcim 120%. Gjatë shtrirjes, lëvizshmëria u ul vazhdimisht nga 5,6 cm2/Vs me sforcim 0% në 2,5 cm2/Vs në sforcim 120% (Fig. 5F). Ne krahasuam gjithashtu performancën e tranzistorit për gjatësi të ndryshme kanalesh (shih tabelën S1). Veçanërisht, në një tendosje të madhe deri në 105%, të gjithë këta transistorë shfaqnin ende një raport të lartë ndezje/fikje (>103) dhe lëvizshmëri (>3 cm2/Vs). Për më tepër, ne përmbledhëm të gjithë punën e fundit në transistorët me karbon (shih tabelën S2) (47–52). Duke optimizuar fabrikimin e pajisjes në elastomerë dhe duke përdorur MGG-të si kontakte, transistorët tanë tërësisht karboni tregojnë performancë të mirë përsa i përket lëvizshmërisë dhe histerezës, si dhe janë shumë të shtrirë.
Si një aplikim i transistorit plotësisht transparent dhe të shtrirë, ne e përdorëm atë për të kontrolluar ndërrimin e një LED (Fig. 6A). Siç tregohet në Fig. 6B, LED i gjelbër mund të shihet qartë përmes pajisjes së shtrirë të plotë të karbonit të vendosur direkt sipër. Ndërsa shtrihet në ~ 100% (Fig. 6, C dhe D), intensiteti i dritës LED nuk ndryshon, gjë që është në përputhje me performancën e transistorit të përshkruar më sipër (shih filmin S1). Ky është raporti i parë i njësive të kontrollit të shtrirë të bëra duke përdorur elektroda grafeni, duke demonstruar një mundësi të re për elektronikën e shtrirë me grafen.
(A) Qarku i një transistori për të drejtuar LED. GND, tokë. (B) Foto e tranzistorit të shtrirë dhe transparent me të gjithë karbonin me tendosje 0% të montuar mbi një LED të gjelbër. (C) Transistori transparent dhe i shtrirë tërësisht me karbon i përdorur për të ndërruar LED-in po montohet mbi LED në 0% (majtas) dhe ~ 100% tendosje (djathtas). Shigjetat e bardha tregojnë si shënuesit e verdhë në pajisje për të treguar ndryshimin e distancës që shtrihet. (D) Pamja anësore e tranzistorit të shtrirë, me LED të shtyrë në elastomer.
Si përfundim, ne kemi zhvilluar një strukturë grafeni transparente përçuese që ruan përçueshmëri të lartë nën tendosje të mëdha si elektroda të shtrirë, të mundësuara nga nanorrotullimet e grafenit midis shtresave të grumbulluara të grafenit. Këto struktura të elektrodave MGG me dy dhe tre shtresa në një elastomer mund të ruajnë përkatësisht 21 dhe 65%, të përçueshmërisë së tyre 0% të tendosjes në një tendosje deri në 100%, krahasuar me humbjen e plotë të përçueshmërisë në sforcim 5% për elektrodat tipike grafeni me një shtresë. . Shtigjet përçuese shtesë të rrotullave të grafenit, si dhe ndërveprimi i dobët midis shtresave të transferuara, kontribuojnë në stabilitetin superior të përçueshmërisë nën tendosje. Ne aplikuam më tej këtë strukturë grafeni për të fabrikuar tranzistorë të shtrirë me karbon. Deri më tani, ky është transistori më i shtrirë me bazë grafeni me transparencën më të mirë pa përdorur përkulje. Megjithëse studimi aktual u krye për të mundësuar grafenin për elektronikë të shtrirë, ne besojmë se kjo qasje mund të shtrihet në materiale të tjera 2D për të mundësuar elektronikën 2D të shtrirë.
Grafeni CVD me sipërfaqe të madhe u rrit në fletë të varura Cu (99,999%; Alfa Aesar) nën një presion konstant prej 0,5 mtorr me 50–SCCM (centimetër kub standard në minutë) CH4 dhe 20–SCCM H2 si prekursorë në 100. Të dy anët e fletës Cu ishin të mbuluara me grafen me një shtresë. Një shtresë e hollë PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) u mbulua me rrotullim në njërën anë të fletës Cu, duke formuar një strukturë PMMA/G/Cu petë/G. më pas, i gjithë filmi u zhyt në tretësirë ​​persulfat amoniumi 0,1 M [(NH4)2S2O8] për rreth 2 orë për të gërmuar fletën Cu. Gjatë këtij procesi, grafeni i pambrojtur i pjesës së pasme fillimisht u gris përgjatë kufijve të kokrrizave dhe më pas u rrotullua në rrotulla për shkak të tensionit sipërfaqësor. Rrotullat u ngjitën në filmin e sipërm të grafenit të mbështetur nga PMMA, duke formuar rrotulla PMMA/G/G. Më pas, filmat u lanë disa herë në ujë të deionizuar dhe u vendosën në një nënshtresë të synuar, të tillë si një substrat i ngurtë SiO2/Si ose plastik. Sapo filmi i bashkangjitur thahej në nënshtresë, kampioni ngjyhet në mënyrë sekuenciale me aceton, aceton/IPA 1:1 (alkool izopropil) dhe IPA për 30 s secila për të hequr PMMA. Filmat u ngrohën në 100°C për 15 minuta ose u mbajtën në vakum gjatë natës për të hequr plotësisht ujin e bllokuar përpara se një shtresë tjetër e rrotullës G/G të transferohej mbi të. Ky hap ishte për të shmangur shkëputjen e filmit të grafenit nga nënshtresa dhe për të siguruar mbulimin e plotë të MGG-ve gjatë lëshimit të shtresës bartëse PMMA.
Morfologjia e strukturës MGG u vëzhgua duke përdorur një mikroskop optik (Leica) dhe një mikroskop elektronik skanues (1 kV; FEI). Një mikroskop i forcës atomike (Nanoskopi III, Instrumenti dixhital) u përdor në modalitetin e përgjimit për të vëzhguar detajet e rrotullave G. Transparenca e filmit u testua nga një spektrometër i dukshëm ultravjollcë (Agilent Cary 6000i). Për testet kur sforcimi ishte përgjatë drejtimit pingul të rrjedhës së rrymës, fotolitografia dhe plazma O2 u përdorën për të modeluar strukturat e grafenit në shirita (~ 300 μm të gjera dhe ~ 2000 μm të gjata), dhe elektroda Au (50 nm) u depozituan termikisht duke përdorur maska ​​hije në të dy skajet e anës së gjatë. Shiritat e grafenit u vunë më pas në kontakt me një elastomer SEBS (~2 cm i gjerë dhe ~5 cm i gjatë), me boshtin e gjatë të shiritave paralel me anën e shkurtër të SEBS i ndjekur nga BOE (etch oksidi i buferuar) (HF:H2O 1:6) gravurë dhe indium galium eutektik (EGaIn) si kontakte elektrike. Për testet paralele të sforcimit, strukturat e grafenit pa model (~ 5 × 10 mm) u transferuan në nënshtresat SEBS, me akse të gjata paralele me anën e gjatë të nënshtresës SEBS. Për të dyja rastet, i gjithë G (pa rrotullat G)/SEBS u shtri përgjatë anës së gjatë të elastomerit në një aparat manual, dhe in situ, ne matëm ndryshimet e tyre të rezistencës nën tendosje në një stacion sondë me një analizues gjysmëpërçues (Keithley 4200 -SCS).
Tranzistorët shumë të shtrirë dhe transparentë me të gjithë karbonin në një nënshtresë elastike janë fabrikuar nga procedurat e mëposhtme për të shmangur dëmtimin e tretësit organik të dielektrikut polimer dhe nënshtresës. Strukturat MGG u transferuan në SEBS si elektroda porta. Për të marrë një shtresë uniforme dielektrike polimer me shtresë të hollë (2 μm e trashë), një solucion tolueni SEBS (80 mg/ml) u mbulua me centrifugim në një substrat SiO2/Si të modifikuar me oktadeciltriklorosilan (OTS) në 1000 rpm për 1 min. Filmi i hollë dielektrik mund të transferohet lehtësisht nga sipërfaqja hidrofobike OTS në nënshtresën SEBS të mbuluar me grafen të përgatitur siç duhet. Një kondensator mund të bëhet duke depozituar një elektrodë të sipërme me metal të lëngshëm (EGaIn; Sigma-Aldrich) për të përcaktuar kapacitetin në funksion të sforcimit duke përdorur një matës LCR (induktiviteti, kapaciteti, rezistenca) (Agilent). Pjesa tjetër e tranzistorit përbëhej nga CNT gjysmëpërçuese të renditura në polimer, duke ndjekur procedurat e raportuara më parë (53). Elektrodat e burimit/kullimit të modeluar janë fabrikuar në nënshtresa të ngurtë SiO2/Si. Më pas, dy pjesët, dielektrike/G/SEBS dhe CNT/G/SiO2/Si me model, u laminuan me njëra-tjetrën dhe u zhytën në BOE për të hequr substratin e ngurtë SiO2/Si. Kështu, u fabrikuan transistorët plotësisht transparentë dhe të shtrirë. Testimi elektrik nën tendosje u krye në një konfigurim manual shtrirjeje si metoda e lartpërmendur.
Materiali plotësues për këtë artikull është i disponueshëm në http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Imazhet me mikroskop optik të MGG me një shtresë në substrate SiO2/Si në zmadhime të ndryshme.
fig. S4. Krahasimi i rezistencave dhe transmetimeve të fletëve me dy sonda @550 nm grafeni i thjeshtë mono-, dy dhe treshtresor (katrore të zeza), MGG (rrathë të kuq) dhe CNT (trekëndësh blu).
fig. S7. Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së MGG-ve me një dhe dy shtresa (e zezë) dhe G (e kuqe) nën ~ 1000 sforcim ciklik me ngarkesë deri në 40 dhe 90% sforcim paralel, respektivisht.
fig. S10. Imazhi SEM i treshtresës MGG në elastomer SEBS pas sforcimit, duke treguar një kryqëzim të gjatë rrotullimi mbi disa çarje.
fig. S12. Imazhi AFM i treshtresës MGG në elastomer shumë të hollë SEBS me tendosje 20%, që tregon se një rrotull kaloi mbi një çarje.
tabela S1. Lëvizshmëritë e transistorëve nanotuba karboni me një mur të dyfishtë MGG-me një mur në gjatësi të ndryshme kanalesh para dhe pas sforcimit.
Ky është një artikull me akses të hapur i shpërndarë sipas kushteve të licencës Creative Commons Attribution-JoCommercial, e cila lejon përdorimin, shpërndarjen dhe riprodhimin në çdo medium, për sa kohë që përdorimi rezultues nuk është për përfitime komerciale dhe me kusht që vepra origjinale të jetë siç duhet. cituar.
SHËNIM: Ne kërkojmë vetëm adresën tuaj të emailit në mënyrë që personi të cilit po i rekomandoni faqen të dijë se ju dëshironit që ta shihnin atë dhe se nuk është postë e padëshiruar. Ne nuk kapim asnjë adresë emaili.
Kjo pyetje është për të testuar nëse jeni apo jo një vizitor njerëzor dhe për të parandaluar paraqitjet e automatizuara të spamit.
Nga 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
Nga 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 Shoqata Amerikane për Avancimin e Shkencës. Të gjitha të drejtat e rezervuara. AAAS është partner i HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dhe COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.