Materialet dy-dimensionale, të tilla si grafeni, janë tërheqëse si për aplikimet konvencionale të gjysmëpërçuesve ashtu edhe për aplikimet në zhvillim e sipër në elektronikën fleksibile. Megjithatë, rezistenca e lartë në tërheqje e grafenit rezulton në thyerje në tendosje të ulët, duke e bërë të vështirë shfrytëzimin e vetive të tij të jashtëzakonshme elektronike në elektronikën e shtrirë. Për të mundësuar performancë të shkëlqyer të varur nga tendosja e përçuesve transparentë të grafenit, ne krijuam nanoskrollë grafeni midis shtresave të grafenit të grumbulluara, të referuara si rrota shumështresore grafeni/grafeni (MGG). Nën tendosje, disa rrotulla lidhën domenet e fragmentuara të grafenit për të ruajtur një rrjet depërtues që mundësoi përçueshmëri të shkëlqyer në tendosje të larta. MGG-të me tre shtresa të mbështetura në elastomere ruajtën 65% të përçueshmërisë së tyre origjinale në 100% tendosje, e cila është pingule me drejtimin e rrjedhës së rrymës, ndërsa filmat me tre shtresa të grafenit pa nanoskrollë ruajtën vetëm 25% të përçueshmërisë së tyre fillestare. Një transistor i elastikueshëm tërësisht prej karboni i prodhuar duke përdorur MGG si elektroda shfaqi një transmetim prej >90% dhe ruajti 60% të daljes së tij origjinale të rrymës në një tendosje prej 120% (paralelisht me drejtimin e transportit të ngarkesës). Këta transistorë të elastikueshëm tërësisht prej karboni, shumë të elastikueshëm dhe transparentë, mund të mundësojnë optoelektronikë të sofistikuar elastike.
Elektronika transparente elastike është një fushë në rritje që ka zbatime të rëndësishme në sistemet e avancuara biointegruese (1, 2), si dhe potencialin për t'u integruar me optoelektronikën elastike (3, 4) për të prodhuar robotikë të butë dhe ekrane të sofistikuara. Grafeni shfaq veti shumë të dëshirueshme të trashësisë atomike, transparencës së lartë dhe përçueshmërisë së lartë, por zbatimi i tij në zbatimet elastike është penguar nga tendenca e tij për t'u çarë në tendosje të vogla. Kapërcimi i kufizimeve mekanike të grafenit mund të mundësojë funksionalitet të ri në pajisjet transparente elastike.
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 indiumit dhe kallajit [ITO; 100 ohm/katror (sq) me transparencë 90%], grafeni me një shtresë i rritur me anë të depozitimit kimik të avullit (CVD) ka një kombinim të ngjashëm të rezistencës së fletës (125 ohm/sq) dhe transparencës (97.4%) (5). Përveç kësaj, filmat e grafenit kanë fleksibilitet të jashtëzakonshëm krahasuar me ITO (7). Për shembull, në një substrat plastik, përçueshmëria e tij mund të mbahet edhe për një rreze lakimi aq të vogël sa 0.8 mm (8). Për të përmirësuar më tej performancën e tij elektrike si një përçues fleksibël transparent, punimet e mëparshme kanë zhvilluar materiale hibride të grafenit me nanotela argjendi njëdimensionale (1D) ose nanotuba karboni (CNT) (9-11). Për më tepër, grafeni është përdorur si elektroda për gjysmëpërçues heterostrukturorë me dimensione të përziera (siç janë Si 2D në masë, nanotelat/nanotubat 1D dhe pikat kuantike 0D) (12), transistorë fleksibël, qeliza diellore dhe dioda që lëshojnë dritë (LED) (13-23).
Edhe pse grafeni ka treguar rezultate premtuese për elektronikën fleksibile, zbatimi i tij në elektronikën elastike 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 të Young-ut prej 0.5 TPa (26). Rrjeti i fortë karbon-karbon nuk ofron asnjë mekanizëm shpërndarjeje të energjisë për tendosjen e aplikuar dhe për këtë arsye çahet lehtësisht në më pak se 5% tendosje. Për shembull, grafeni CVD i transferuar në një substrat elastik polidimetilsiloksan (PDMS) mund ta ruajë përçueshmërinë e tij vetëm në më pak se 6% tendosje (8). Llogaritjet teorike tregojnë se rrudhosja dhe bashkëveprimi midis shtresave të ndryshme duhet ta zvogëlojë ndjeshëm ngurtësinë (26). Duke e grumbulluar grafenin në shtresa të shumëfishta, raportohet se ky grafen me dy ose tre shtresa është i shtrirë në 30% tendosje, duke shfaqur ndryshim rezistence 13 herë më të vogël se ai i grafenit me një shtresë (27). Megjithatë, kjo shtrirje është ende dukshëm inferiore ndaj përçuesve të shtrirë të teknologjisë së fundit (28, 29).
Transistorët janë të rëndësishëm në aplikimet e shtrirjes sepse ato mundësojnë lexim të sofistikuar të sensorëve dhe analizë të sinjalit (30, 31). Transistorët në PDMS me grafen shumështresor si elektroda burimi/kullimi dhe material kanali mund të ruajnë funksionin elektrik deri në 5% tendosje (32), që është dukshëm nën vlerën minimale të kërkuar (~50%) për sensorët e veshur të monitorimit të shëndetit dhe lëkurën elektronike (33, 34). Kohët e fundit, është eksploruar një qasje kirigami e grafenit, dhe transistori i kontrolluar 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 me elasticitet të lartë duke futur 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 hipotetizojmë se këto rrotulla grafeni mund të ofrojnë shtigje përçuese për të mbushur 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 shumështresore G/G (grafen/grafen) (MGG), elektroda të elasticueshme të grafenit (burim/kullim dhe portë) dhe CNT gjysmëpërçuese, ne ishim në gjendje të demonstronim transistorë tërësisht prej karboni me transparencë të lartë dhe elasticitet të lartë, të cilët mund të shtrihen deri në 120% tendosje (paralelisht me drejtimin e transportit të ngarkesës) dhe të ruajnë 60% të daljes së tyre origjinale të rrymës. Ky është transistori më i elasticueshëm transparent me bazë karboni deri më tani, dhe siguron rrymë të mjaftueshme për të drejtuar një LED inorganik.
Për të mundësuar elektroda grafeni transparente dhe të shtriqshme me sipërfaqe të madhe, ne zgjodhëm grafenin e rritur me CVD në fletë metalike Cu. Fleta metalike Cu u pezullua në qendër të një tubi kuarci CVD për të lejuar rritjen e grafenit në të dyja anët, duke formuar struktura G/Cu/G. Për të transferuar grafenin, së pari ne veshëm me spin një shtresë të hollë poli(metil metakrilati) (PMMA) për të mbrojtur njërën anë të grafenit, të cilën e quajtëm grafen i sipërm (anasjelltas për anën tjetër të grafenit), dhe më pas, i gjithë filmi (PMMA/grafen i sipërm/Cu/grafen i poshtëm) u zhyt në tretësirë (NH4)2S2O8 për të gdhendur fletën metalike Cu. Grafeni i pjesës së poshtme pa veshjen PMMA do të ketë në mënyrë të pashmangshme çarje dhe defekte që lejojnë një gdhendës të depërtojë përmes (36, 37). Siç ilustrohet në Fig. 1A, nën efektin e tensionit sipërfaqësor, domenet e grafenit të lëshuara u mbështollën në rrotulla dhe më pas u ngjitën në filmin e mbetur të sipërm-G/PMMA. Rrotullat sipër-G/G mund të transferohen në çdo substrat, siç është SiO2/Si, qelqi ose polimeri i butë. Përsëritja e këtij procesi transferimi disa herë në të njëjtin substrat jep strukturat MGG.
(A) Ilustrim skematik i procedurës së fabrikimit për MGG-të si një elektrodë elastike. Gjatë transferimit të grafenit, grafeni i pasmë në fletë metalike Cu u thye në kufij dhe defekte, u mbështoll në forma arbitrare dhe u ngjit fort në filmat e sipërm, duke formuar nanoskrollë. Vizatimi i katërt përshkruan strukturën e MGG-së së grumbulluar. (B dhe C) Karakterizime TEM me rezolucion të lartë të një MGG-je me një shtresë, duke u përqendruar përkatësisht në grafenin me një shtresë (B) dhe rajonin e rrotullimit (C). Futja e (B) është një imazh me zmadhim të ulët që tregon morfologjinë e përgjithshme të MGG-ve me një shtresë në rrjetën TEM. Futjet e (C) janë profilet e intensitetit të marra përgjatë kutive drejtkëndëshe të treguara në imazh, ku distancat midis planeve atomike janë 0.34 dhe 0.41 nm. (D) Spektri EEL i karbonit K-skaj me majat karakteristike grafitike π* dhe σ* të etiketuara. (E) Imazh seksional AFM i rrotullimeve G/G me një shtresë me një profil lartësie përgjatë vijës së verdhë me pika. (F deri në I) Mikroskopi optike dhe imazhe AFM të treshtresës G pa (F dhe H) dhe me rrotulla (G dhe I) në substrate SiO2/Si me trashësi 300 nm, përkatësisht. Rrotullat dhe rrudhat përfaqësuese u etiketuan për të nxjerrë në pah ndryshimet e tyre.
Për të verifikuar që rrotullat janë natyrë grafeni e mbështjellë, ne kryem studime spektroskopike të mikroskopisë elektronike të transmetimit (TEM) me rezolucion të lartë dhe studime spektroskopike të humbjes së energjisë së elektroneve (EEL) në strukturat e rrotullave me një shtresë të sipërme G/G. Figura 1B tregon strukturën gjashtëkëndore të një grafeni me një shtresë, dhe inset është një morfologji e përgjithshme e filmit të mbuluar në një vrimë të vetme karboni të rrjetës TEM. Grafeni me një shtresë përfshin pjesën më të madhe të rrjetës, dhe shfaqen disa thekon të grafenit në prani të shumëfishta grumbujsh unazash gjashtëkëndore (Fig. 1B). Duke zmadhuar në një rrotull individual (Fig. 1C), ne vumë re një sasi të madhe të skajeve të rrjetës së grafenit, me hapësirën e rrjetës në rangun prej 0.34 deri në 0.41 nm. Këto matje sugjerojnë që thekonat janë të mbështjella rastësisht dhe nuk janë grafit perfekt, i cili ka një hapësirë rrjete prej 0.34 nm në grumbullimin e shtresave "ABAB". Figura 1D tregon spektrin EEL të karbonit në skajin K, ku maja në 285 eV buron nga orbitali π* dhe tjetra rreth 290 eV është për shkak të tranzicionit të orbitalit σ*. Mund të shihet se lidhja sp2 dominon në këtë strukturë, duke vërtetuar se rrotullat janë shumë grafitike.
Imazhet e mikroskopisë optike dhe mikroskopisë së forcës atomike (AFM) japin një pasqyrë të shpërndarjes së nanoskrollave të grafenit në MGG (Fig. 1, E deri në G, dhe fig. S1 dhe S2). Rrotullat shpërndahen rastësisht në sipërfaqe, dhe dendësia e tyre në plan rritet në mënyrë proporcionale 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, varësisht nga madhësitë e thekonve të tyre fillestare të grafenit. Siç tregohet në Fig. 1 (H dhe I), rrotullat kanë madhësi 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 rrotulluese dhe vendosje shtresash në shirita me gjerësi 300 μm dhe gjatësi 2000 μm duke përdorur fotolitografi. Rezistencat me dy sonda si funksion i tendosjes u matën në kushte ambienti. Prania e rrotulluesve uli rezistencën për grafenin me një shtresë me 80% me vetëm një rënie prej 2.2% në transmetim (fig. S4). Kjo konfirmon se nanorrotullat, të cilat kanë një dendësi të lartë rryme deri në 5 × 107 A/cm2 (38, 39), japin një kontribut shumë pozitiv elektrik në MGG-të. Midis të gjithë grafenit të thjeshtë me një, dy dhe tre shtresa dhe MGG-ve, MGG me tre shtresa ka përçueshmërinë më të mirë me një transparencë prej pothuajse 90%. Për t'u krahasuar me burime të tjera të grafenit të raportuara në literaturë, ne gjithashtu matëm rezistencat e fletëve me katër sonda (fig. S5) dhe i renditëm ato si një funksion i transmetimit në 550 nm (fig. S6) në Fig. 2A. MGG tregon përçueshmëri dhe transparencë të krahasueshme ose më të lartë sesa grafeni i thjeshtë shumështresor i grumbulluar artificialisht dhe oksidi i reduktuar i grafenit (RGO) (6, 8, 18). Vini re se rezistencat e fletëve të grafenit të thjeshtë shumështresor të grumbulluar artificialisht nga literatura janë pak më të larta se ato të MGG-së sonë, ndoshta për shkak të kushteve të tyre të paoptimizuara të rritjes dhe metodës së transferimit.
(A) Rezistencat e fletëve me katër sonda kundrejt transmetimit në 550 nm për disa lloje grafenesh, ku katrorët e zinj tregojnë MGG-të me një, dy dhe tre shtresa; 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), përkatësisht, dhe më pas të transferuar 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 me një, dy dhe tre shtresa dhe G si një funksion i tendosjes pingule (B) dhe paralele (C) në drejtimin e rrjedhës së rrymës. (D) Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së shtresës së dyfishtë G (e kuqe) dhe MGG (e zezë) nën ngarkesën ciklike të tendosjes deri në 50% tendosje pingule. (E) Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së shtresës së dyfishtë G (e kuqe) dhe MGG (e zezë) nën ngarkesën ciklike të tendosjes deri në 90% tendosje paralele. (F) Ndryshimi i normalizuar i kapacitetit të G me një, dy dhe tre shtresa dhe MGG me dy dhe tre shtresa si funksion i tendosjes. Futja 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 të MGG-së, ne transferuam grafenin në substrate termoplastike elastomerike stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) (~2 cm të gjera dhe ~5 cm të gjata), dhe përçueshmëria u mat ndërsa substrati u shtriq (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 nanosrrotullave dhe rritjen e numrit të shtresave të grafenit. Për shembull, kur tendosja është pingule me rrjedhën e rrymës, për grafenin me një shtresë, shtimi i rrotullave rriti tendosjen në thyerjen elektrike nga 5 në 70%. Toleranca ndaj tendosjes së grafenit me tre shtresa është gjithashtu përmirësuar ndjeshëm krahasuar me grafenin me një shtresë. Me nanosrrotulla, në 100% tendosje pingule, rezistenca e strukturës MGG me tre shtresa u rrit vetëm me 50%, në krahasim me 300% për grafenin me tre shtresa pa rrotulla. U hetua ndryshimi i rezistencës nën ngarkesën ciklike të tendosjes. Për krahasim (Fig. 2D), rezistencat e një filmi të thjeshtë grafeni me dy shtresa u rritën rreth 7.5 herë pas ~700 ciklesh në 50% tendosje pingule dhe vazhduan të rriteshin me tendosjen në çdo cikël. Nga ana tjetër, rezistenca e një MGG me dy shtresa u rrit vetëm rreth 2.5 herë pas ~700 ciklesh. Duke aplikuar deri në 90% tendosje përgjatë drejtimit paralel, rezistenca e grafenit me tre shtresa u rrit ~100 herë pas 1000 ciklesh, ndërsa është vetëm ~8 herë në një MGG me tre shtresa (Fig. 2E). Rezultatet e ciklit tregohen në fig. S7. Rritja relativisht më e shpejtë e rezistencës përgjatë drejtimit të tendosjes paralele është për shkak se orientimi i çarjeve është pingul me drejtimin e rrjedhës së rrymës. Devijimi i rezistencës gjatë tendosjes së ngarkimit dhe shkarkimit është për shkak të rikuperimit viskoelastik të substratit të elastomerit SEBS. Rezistenca më e qëndrueshme e shiritave MGG gjatë ciklit është për shkak të pranisë së rrotullave të mëdha që mund të lidhin pjesët e çara të grafenit (siç vërehet nga AFM), duke ndihmuar në ruajtjen e një rruge depërtuese. Ky fenomen i ruajtjes së përçueshmërisë me anë të një rruge depërtuese është raportuar më parë për metale të çara ose filma gjysmëpërçues në substrate elastomeri (40, 41).
Për të vlerësuar këto filma me bazë grafeni si elektroda porta në pajisje të shtrirshme, ne e mbuluam shtresën e grafenit me një shtresë dielektrike SEBS (2 μm e trashë) dhe monitoruam ndryshimin e kapacitetit dielektrik si një funksion i tendosjes (shih Fig. 2F dhe Materialet Plotësuese për detaje). Ne vumë re se kapacitetet me elektroda grafeni të thjeshta me një shtresë dhe dy shtresa u ulën shpejt për shkak të humbjes së përçueshmërisë në plan të grafenit. Në të kundërt, kapacitetet e kontrolluara nga MGG-të, si dhe grafeni i thjeshtë me tre shtresa, treguan një rritje të kapacitetit me tendosje, e cila pritet për shkak të reduktimit të trashësisë dielektrike me tendosje. Rritja e pritur e kapacitetit përputhej shumë mirë me strukturën MGG (fig. S8). Kjo tregon se MGG është i përshtatshëm si një elektrodë porta për transistorë të shtrirshëm.
Për të hetuar më tej rolin e rrotullës së grafenit 1D në tolerancën e tendosjes së përçueshmërisë elektrike dhe për të kontrolluar më mirë ndarjen midis shtresave të grafenit, ne përdorëm CNT të veshura me spraj për të zëvendësuar rrotullat e grafenit (shih Materialet Plotësuese). Për të imituar strukturat MGG, ne depozituam tre dendësi të CNT-ve (domethënë, CNT1
(A deri në C) Imazhe AFM të tre dendësive të ndryshme të CNT-ve (CNT1
Për të kuptuar më tej aftësinë e tyre si elektroda për elektronikën elastike, ne hetuam sistematikisht morfologjitë e MGG dhe G-CNT-G nën tendosje. Mikroskopia optike dhe mikroskopia elektronike skanuese (SEM) nuk janë metoda efektive të karakterizimit sepse të dyjave u mungon kontrasti i ngjyrave dhe SEM është subjekt i artefakteve të imazhit gjatë skanimit të elektroneve kur grafeni është në substrate polimerike (fig. S9 dhe S10). Për të vëzhguar in situ sipërfaqen e grafenit nën tendosje, ne mblodhëm matje AFM në MGG me tre shtresa dhe grafen të thjeshtë pas transferimit në substrate shumë të holla (~0.1 mm të trasha) dhe elastike SEBS. Për shkak të defekteve të brendshme në grafenin CVD dhe dëmtimit të jashtëm gjatë procesit të transferimit, çarje gjenerohen në mënyrë të pashmangshme në grafenin e tendosur, dhe me rritjen e tendosjes, çarjet bëhen më të dendura (Fig. 4, A deri në D). Në varësi të strukturës së grumbullimit të elektrodave me bazë karboni, çarjet shfaqin morfologji të ndryshme (fig. S11) (27). Dendësia e sipërfaqes së çarjes (e përcaktuar si sipërfaqe e çarjes/sipërfaqe e analizuar) e grafenit shumështresor është më e vogël se ajo e grafenit njështresor pas tendosjes, gjë që është në përputhje me rritjen e përçueshmërisë elektrike për MGG-të. Nga ana tjetër, shpesh vërehen rrotulla që lidhin çarjet, duke siguruar shtigje shtesë përçuese në filmin e tendosur. Për shembull, siç tregohet në imazhin e Fig. 4B, një rrotull i gjerë kaloi mbi një çarje në MGG-në treshtresore, por nuk u vu re asnjë rrotull në grafenin e thjeshtë (Fig. 4, E deri në H). Në mënyrë të ngjashme, CNT-të gjithashtu lidhën çarjet në grafen (fig. S11). Dendësia e sipërfaqes së çarjes, dendësia e sipërfaqes së rrotullimit dhe vrazhdësia e filmave janë përmbledhur në Fig. 4K.
(A deri në H) Imazhe AFM in situ 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 sipërfaqe prej 15 μm × 15 μm, duke përdorur të njëjtën shirit shkalle ngjyre si të etiketuar. (I) Gjeometria e simulimit të elektrodave të grafenit me një shtresë të modeluar në substratin SEBS. (J) Harta e konturit të simulimit të tendosjes maksimale logaritmike kryesore në grafenin me një shtresë dhe substratin SEBS në 20% tendosje të jashtme. (K) Krahasimi i dendësisë së sipërfaqes së çarjes (kolona e kuqe), dendësisë së sipërfaqes së rrotullimit (kolona e verdhë) dhe vrazhdësisë së sipërfaqes (kolona blu) për struktura të ndryshme të grafenit.
Kur filmat MGG shtrihen, ekziston një mekanizëm shtesë i rëndësishëm që rrotullat mund të ura lidhin rajonet e çara të grafenit, duke ruajtur një rrjet depërtues. Rrotullat e grafenit janë premtuese sepse mund të jenë dhjetëra mikrometra në gjatësi dhe për këtë arsye të afta të ura lidhin çarje që zakonisht janë deri në shkallë mikrometri. Për më tepër, për shkak se rrotullat përbëhen nga shumë shtresa grafeni, pritet që ato të kenë rezistencë të ulët. Në krahasim, rrjetet CNT relativisht të dendura (transmetueshmëri më e ulët) kërkohen për të siguruar aftësi të krahasueshme përçuese të urës, pasi CNT-të janë më të vogla (zakonisht disa mikrometra në gjatësi) dhe më pak përçuese se rrotullat. Nga ana tjetër, siç tregohet në fig. S12, ndërsa grafeni çahet gjatë shtrirjes për të akomoduar tendosjen, rrotullat nuk çahen, duke treguar se këto të fundit mund të rrëshqasin mbi grafenin poshtë. Arsyeja pse ato nuk çahen ka të ngjarë të jetë për shkak të strukturës së mbështjellë, të përbërë nga shumë shtresa grafeni (~1 deri në 20 μm të gjata, ~0.1 deri në 1 μm të gjera dhe ~10 deri në 100 nm të larta), e cila ka një modul efektiv më të 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 rezistenca të ulëta të fletës <100 ohms/sq pavarësisht rezistencës së madhe të kryqëzimit midis CNT-ve. Duke marrë parasysh që rrotullat tona të grafenit kanë gjerësi prej 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 grafenit dhe rrotullave të grafenit nuk duhet të jenë faktorë kufizues për të ruajtur përçueshmëri të lartë.
Grafeni ka një modul shumë më të lartë se substrati SEBS. Edhe pse trashësia efektive e elektrodës së grafenit është shumë më e ulët se ajo e substratit, ngurtësia e grafenit shumëzuar me trashësinë e tij është e krahasueshme me atë të substratit (43, 44), duke rezultuar në një efekt të moderuar të ishullit të ngurtë. Ne simuluam deformimin e një grafeni me trashësi 1 nm në një substrat SEBS (shih Materialet Plotësuese për detaje). Sipas rezultateve të simulimit, kur një tendosje prej 20% aplikohet në substratin SEBS nga jashtë, tendosja mesatare në grafen është ~6.6% (Fig. 4J dhe fig. S13D), gjë që është në përputhje me vëzhgimet eksperimentale (shih fig. S13). Ne krahasuam tendosjen në rajonet e grafenit të modeluar dhe substratit duke përdorur mikroskopi optike dhe gjetëm se tendosja në rajonin e substratit është të paktën dyfishi i tendosjes në rajonin e grafenit. Kjo tregon se tendosja e aplikuar në modelet e elektrodave të grafenit mund të kufizohet ndjeshëm, duke formuar ishuj të ngurtë të grafenit sipër SEBS (26, 43, 44).
Prandaj, aftësia e elektrodave MGG për të ruajtur përçueshmëri të lartë nën tendosje të lartë ka të ngjarë të mundësohet nga dy mekanizma kryesorë: (i) Rrotullat mund të krijojnë ura midis rajoneve të shkëputura për të ruajtur një rrugë përçuese të depërtimit, dhe (ii) fletët/elastomeri shumështresor i grafenit mund të rrëshqasin mbi njëra-tjetrën, duke rezultuar në një tendosje të reduktuar në elektrodat e grafenit. Për shtresa të shumëfishta 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 gjithashtu rritën ashpërsinë 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 tërësisht me karbon ndiqen me entuziazëm për shkak të kostos së ulët dhe rendimentit të lartë. Në rastin tonë, transistorët tërësisht me karbon u prodhuan duke përdorur një portë grafeni në pjesën e poshtme, një kontakt burimi/kullimi grafeni në pjesën e sipërme, një gjysmëpërçues CNT të renditur dhe SEBS si dielektrik (Fig. 5A). Siç tregohet në Fig. 5B, një pajisje tërësisht me karbon me CNT si burim/kullim dhe portë (pajisja e poshtme) është më e errët 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 fletës të ngjashme me atë të grafenit (fig. S4). Figura 5 (C dhe D) tregon kurbat përfaqësuese të transferimit dhe daljes para tendosjes për një tranzistor të bërë me elektroda MGG me dy shtresa. Gjerësia dhe gjatësia e kanalit të tranzistorit të padeformuar ishin përkatësisht 800 dhe 100 μm. Raporti i matur i ndezjes/fikjes është më i madh se 103 me rryma ndezjeje dhe fikjeje në nivelet e 10−5 dhe 10−8 A, përkatësisht. Kurba e daljes shfaq regjime ideale lineare dhe të ngopjes me varësi të qartë të tensionit të portës, duke treguar kontakt ideal midis CNT-ve dhe elektrodave të grafenit (45). Rezistenca e kontaktit me elektrodat e grafenit u vu re të ishte më e ulët se ajo me filmin Au të avulluar (shih fig. S14). Lëvizshmëria e ngopjes së transistorit të shtriqshëm është rreth 5.6 cm2/Vs, e ngjashme me atë të të njëjtave transistorë CNT të renditur me polimer në substrate të ngurta Si me SiO2 300 nm si shtresë dielektrike. Përmirësim i mëtejshëm i lëvizshmërisë është i mundur me dendësi të optimizuar të tubave dhe lloje të tjera tubash (46).
(A) Skema e transistorit të shtrirshëm me bazë grafeni. SWNT, nanotuba karboni me një mur. (B) Foto e transistorëve të shtrirshëm të bërë nga elektroda grafeni (sipër) dhe elektroda CNT (poshtë). Dallimi në transparencë është qartë i dukshëm. (C dhe D) Kurbat e transferimit dhe daljes së transistorit të bazuar në grafeni në SEBS para tendosjes. (E dhe F) Kurbat e transferimit, rryma e ndezur dhe e fikur, raporti i ndezur/i fikur dhe lëvizshmëria e transistorit të bazuar në grafeni në tendosje të ndryshme.
Kur pajisja transparente, tërësisht prej karboni, u shtriq në drejtimin paralel me drejtimin e transportit të ngarkesës, u vu re degradim minimal deri në 120% të tendosjes. Gjatë shtrirjes, lëvizshmëria u ul vazhdimisht nga 5.6 cm2/Vs në 0% tendosje në 2.5 cm2/Vs në 120% tendosje (Fig. 5F). Ne gjithashtu krahasuam performancën e tranzistorit për gjatësi të ndryshme kanalesh (shih tabelën S1). Veçanërisht, në një tendosje deri në 105%, të gjithë këta tranzistorë ende shfaqnin një raport të lartë ndezjeje/fikjeje (>103) dhe lëvizshmëri (>3 cm2/Vs). Përveç kësaj, ne përmbledhëm të gjithë punën e fundit mbi tranzistorët tërësisht prej karboni (shih tabelën S2) (47–52). Duke optimizuar prodhimin e pajisjes në elastomere dhe duke përdorur MGG si kontakte, tranzistorët tanë tërësisht prej karboni tregojnë performancë të mirë në aspektin e lëvizshmërisë dhe histerezës, si dhe janë shumë të shtrirë.
Si një aplikim i transistorit plotësisht transparent dhe të shtrirshëm, ne e përdorëm atë për të kontrolluar ndërrimin e një LED-i (Fig. 6A). Siç tregohet në Fig. 6B, LED-i jeshil mund të shihet qartë përmes pajisjes së shtrirshme tërësisht prej karboni të vendosur direkt sipër. Ndërsa shtrihet në ~100% (Fig. 6, C dhe D), intensiteti i dritës së LED-it 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 shtrirshme të bëra duke përdorur elektroda grafeni, duke demonstruar një mundësi të re për elektronikën e shtrirshme të grafenit.
(A) Qarku i një tranzistori për të drejtuar LED-in. GND, tokëzim. (B) Foto e tranzistorit të shtrirë dhe transparent tërësisht prej karboni me 0% tendosje të montuar mbi një LED të gjelbër. (C) Tranzistori transparent dhe i shtrirë tërësisht prej karboni i përdorur për të ndërruar LED-in është montuar 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 po shtrihet. (D) Pamje anësore e tranzistorit të shtrirë, me LED-in e shtyrë në elastomer.
Si përfundim, ne kemi zhvilluar një strukturë transparente përçuese të grafenit që ruan përçueshmëri të lartë nën tendosje të mëdha si elektroda të shtrirshme, të mundësuar nga nanoskrollat e grafenit midis shtresave të grafenit të grumbulluara. Këto struktura elektrodash MGG me dy dhe tre shtresa në një elastomer mund të ruajnë përkatësisht 21 dhe 65% të përçueshmërisë së tyre të deformimit 0% në një tendosje deri në 100%, krahasuar me humbjen e plotë të përçueshmërisë në 5% tendosje për elektrodat tipike të grafenit me një shtresë. Shtigjet shtesë përçuese të rrotullave të grafenit, si dhe bashkëveprimi i dobët midis shtresave të transferuara, kontribuojnë në stabilitetin superior të përçueshmërisë nën tendosje. Ne e aplikuam më tej këtë strukturë grafeni për të prodhuar transistorë të shtrirshëm tërësisht me karbon. Deri më tani, ky është transistori më i shtrirshëm i bazuar në grafenë me transparencën më të mirë pa përdorur përkulje. Megjithëse studimi i tanishëm u krye për të mundësuar grafenin për elektronikë të shtrirshme, ne besojmë se kjo qasje mund të zgjerohet në materiale të tjera 2D për të mundësuar elektronikë 2D të shtrirshme.
Grafeni CVD me sipërfaqe të madhe u rrit në fletë metalike të pezulluara të Cu (99.999%; Alfa Aesar) nën një presion konstant prej 0.5 mtorr me 50–SCCM (centimetër kub standard për minutë) CH4 dhe 20–SCCM H2 si pararendës në 1000°C. Të dyja anët e fletës metalike të Cu u mbuluan nga grafeni me një shtresë. Një shtresë e hollë PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) u vesh me spin në njërën anë të fletës metalike të Cu, duke formuar një strukturë PMMA/G/fletë metalike të Cu/G. Më pas, i gjithë filmi u zhyt në tretësirë 0.1 M persulfat amoni [(NH4)2S2O8] për rreth 2 orë për të gdhendur fletën metalike të Cu. Gjatë këtij procesi, grafeni i pasmë i pambrojtur fillimisht u gris përgjatë kufijve të kokrrizave dhe më pas u mbështoll 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. Filmat u lanë më pas disa herë në ujë të dejonizuar dhe u vendosën në një substrat të synuar, siç është një substrat i ngurtë SiO2/Si ose plastik. Sapo filmi i bashkangjitur u tha në substrat, mostra u zhyt në mënyrë sekuenciale në aceton, 1:1 aceton/IPA (alkool izopropilik) dhe IPA për 30 sekonda secili për të hequr PMMA-në. 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 substrati dhe për të siguruar mbulim të 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 force atomike (Nanoscope III, Digital Instrument) u operua në modalitetin e prekjes për të vëzhguar detajet e rrotullave G. Transparenca e filmit u testua nga një spektrometër ultravjollcë-i dukshëm (Agilent Cary 6000i). Për testet kur tendosja 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 gjerë dhe ~2000 μm të gjatë), dhe elektrodat 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 të gjerë dhe ~5 cm të gjatë), me boshtin e gjatë të shiritave paralel me anën e shkurtër të SEBS të ndjekur nga gdhendja BOE (gdhendje e oksidit të tamponuar) (HF:H2O 1:6) dhe gdhendje eutektike e galiumit indium (EGaIn) si kontakte elektrike. Për testet e sforcimit paralel, strukturat e grafenit pa model (~5 × 10 mm) u transferuan në substratet SEBS, me boshte të gjata paralele me anën e gjatë të substratit SEBS. Për të dyja rastet, i gjithë G (pa rrotulla G)/SEBS u shtri përgjatë anës së gjatë të elastomerit në një aparat manual, dhe në vend, ne matëm ndryshimet e tyre të rezistencës nën sforcim në një stacion sondash me një analizues gjysmëpërçues (Keithley 4200-SCS).
Transistorët tërësisht prej karboni, shumë të shtrirë dhe transparentë në një substrat elastik, u prodhuan me anë të procedurave të mëposhtme për të shmangur dëmtimin nga tretësi organik i dielektrikut polimer dhe substratit. Strukturat MGG u transferuan në SEBS si elektroda porta. Për të marrë një shtresë dielektrik polimer uniforme me film të hollë (2 μm të trashë), një tretësirë tolueni SEBS (80 mg/ml) u vesh me spin në një substrat SiO2/Si të modifikuar me oktadeciltriklorosilan (OTS) në 1000 rpm për 1 minutë. Filmi i hollë dielektrik mund të transferohet lehtësisht nga sipërfaqja hidrofobike e OTS në substratin SEBS të mbuluar me grafenin e përgatitur. Një kondensator mund të bëhet duke depozituar një elektrodë të sipërme metali të lëngshëm (EGaIn; Sigma-Aldrich) për të përcaktuar kapacitetin si një funksion të tendosjes duke përdorur një matës LCR (induktancë, kapacitet, rezistencë) (Agilent). Pjesa tjetër e tranzistorit përbëhej nga CNT gjysmëpërçuese të renditura sipas polimerit, duke ndjekur procedurat e raportuara më parë (53). Elektrodat e burimit/kullimit me model u prodhuan në substrate të ngurta 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 prodhuan transistorë plotësisht transparentë dhe të shtrirshëm. Testimi elektrik nën tendosje u krye në një konfigurim shtrirjeje manuale sipas metodës së lartpërmendur.
Materiali plotësues për këtë artikull është i disponueshëm në http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Imazhe mikroskopike optike të MGG me një shtresë në substratet SiO2/Si në zmadhime të ndryshme.
fig. S4. Krahasimi i rezistencave të fletëve me dy sonda dhe transmetimeve në 550 nm të grafenit të thjeshtë me një, dy dhe tre shtresa (katrorë të zinj), MGG (rrathë të kuq) dhe CNT-ve (trekëndësh blu).
fig. S7. Ndryshimi i normalizuar i rezistencës së MGG-ve me një dhe dy shtresa (e zezë) dhe G (e kuqe) nën ngarkesë ciklike prej ~1000 deri në 40 dhe 90% përkatësisht sforcim paralel.
fig. S10. Imazh SEM i MGG me tre shtresa në elastomerin SEBS pas tendosjes, që tregon një kryq të gjatë rrotullues mbi disa çarje.
fig. S12. Imazh AFM i MGG me tre shtresa në elastomer SEBS shumë të hollë me tendosje 20%, që tregon se një rrotull kalon mbi një çarje.
Tabela S1. Lëvizshmëria e transistorëve të dyfishtë MGG–nanotub karboni me një mur në gjatësi të ndryshme kanali para dhe pas tendosjes.
Ky është një artikull me akses të hapur i shpërndarë sipas kushteve të licencës Creative Commons Attribution-NonCommercial, e cila lejon përdorimin, shpërndarjen dhe riprodhimin në çdo medium, për sa kohë që përdorimi që rezulton nuk është për avantazh komercial dhe me kusht që vepra origjinale të citohet siç duhet.
SHËNIM: Ne kërkojmë adresën tuaj të email-it vetëm në mënyrë që personi të cilit po ia rekomandoni faqen të dijë se ju dëshironit që ai ta shihte atë dhe se nuk është postë e padëshiruar. Ne nuk marrim asnjë adresë email-i.
Kjo pyetje është për të testuar nëse jeni apo jo një vizitor njerëzor dhe për të parandaluar dërgimet automatike 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.
Koha e postimit: 28 janar 2021