Двухмерныя матэрыялы, такія як графен, прывабныя як для звычайных паўправадніковых прылажэнняў, так і для новых прымянення ў гнуткай электроніцы. Аднак высокая трываласць графена на разрыў прыводзіць да разбурэння пры нізкай дэфармацыі, што робіць складаным выкарыстанне пераваг яго незвычайных электронных уласцівасцей у расцяжымай электроніцы. Каб забяспечыць выдатныя характарыстыкі празрыстых графенавых праваднікоў, якія залежаць ад дэфармацыі, мы стварылі графенавыя нанаскруткі паміж слаямі графена, якія называюцца шматслойнымі графенавымі/графенавымі скруткамі (MGG). Пад напругай некаторыя скруткі злучалі фрагментаваныя дамены графена, каб падтрымліваць перкаляцыйную сетку, якая забяспечвала выдатную праводнасць пры высокіх нагрузках. Трохслойныя MGG, заснаваныя на эластамерах, захавалі 65% сваёй першапачатковай праводнасці пры 100% дэфармацыі, што перпендыкулярна напрамку патоку току, у той час як трохслойныя плёнкі з графена без нанаскруткаў захавалі толькі 25% сваёй першапачатковай праводнасці. Цалкам вугляродны транзістар, які расцягваецца, выраблены з выкарыстаннем MGG у якасці электродаў, паказаў каэфіцыент прапускання >90% і захаваў 60% ад першапачатковага выхаднога току пры дэфармацыі 120% (паралельна кірунку пераносу зарада). Гэтыя вельмі эластычныя і празрыстыя цалкам вугляродныя транзістары могуць стварыць складаную расцяжымую оптаэлектроніку.
Расцяжная празрыстая электроніка - гэта сфера, якая развіваецца і мае важнае прымяненне ў перадавых біяінтэграваных сістэмах (1, 2), а таксама патэнцыял для інтэграцыі з расцяжнай оптаэлектронікай (3, 4) для вытворчасці складанай мяккай робататэхнікі і дысплеяў. Графен дэманструе вельмі жаданыя ўласцівасці атамнай таўшчыні, высокай празрыстасці і высокай праводнасці, але яго прымяненне ў расцягнутых прылажэннях перашкаджае яго тэндэнцыі трэскацца пры малых дэфармацыях. Пераадоленне механічных абмежаванняў графена можа дазволіць новыя функцыянальныя магчымасці ў расцяжных празрыстых прыладах.
Унікальныя ўласцівасці графена робяць яго моцным кандыдатам на наступнае пакаленне празрыстых правадзячых электродаў (5, 6). У параўнанні з найбольш часта выкарыстоўваным празрыстым правадніком, аксідам індыя-волава [ITO; 100 Ом/квадрат (кв.) пры 90% празрыстасці], аднаслаёвы графен, вырашчаны метадам хімічнага нанясення з паравай фазы (CVD), мае аналагічную камбінацыю ліставога супраціву (125 Ом/кв.) і празрыстасці (97,4%) (5). Акрамя таго, графенавыя плёнкі валодаюць незвычайнай гнуткасцю ў параўнанні з ITO (7). Напрыклад, на пластыкавай падкладцы яе праводнасць можа захоўвацца нават пры радыусе выгібу крывізны ўсяго 0,8 мм (8). Для далейшага павышэння яго электрычных характарыстык у якасці празрыстага гнуткага правадыра ў папярэдніх працах былі распрацаваны графенавыя гібрыдныя матэрыялы з аднамернымі (1D) сярэбранымі нанаправадкамі або вугляроднымі нанатрубкамі (ВНТ) (9–11). Акрамя таго, графен выкарыстоўваўся ў якасці электродаў для разнамерных гетэраструктурных паўправаднікоў (такіх як 2D аб'ёмны Si, 1D нанаправадоў/нанатрубак і 0D квантавых кропак) (12), гнуткіх транзістараў, сонечных элементаў і святловыпрамяняльных дыёдаў (LED) (13). –23).
Хоць графен паказаў шматспадзеўныя вынікі для гнуткай электронікі, яго прымяненне ў расцяжымай электроніцы было абмежавана яго механічнымі ўласцівасцямі (17, 24, 25); Графен мае калянасць у плоскасці 340 Н/м і модуль Юнга 0,5 ТПа (26). Моцная вугляродна-вугляродная сетка не забяспечвае ніякіх механізмаў рассейвання энергіі для прыкладзенай дэфармацыі і таму лёгка трэскаецца пры дэфармацыі менш за 5%. Напрыклад, CVD-графен, перанесены на эластычную падкладку з полідыметылсілаксана (PDMS), можа падтрымліваць сваю праводнасць толькі пры дэфармацыі менш за 6% (8). Тэарэтычныя разлікі паказваюць, што скамячэнне і ўзаемадзеянне паміж рознымі пластамі павінна моцна паменшыць калянасць (26). Укладваючы графен у некалькі слаёў, паведамляецца, што гэты двух- або трохслаёвы графен расцягваецца да 30% дэфармацыі, дэманструючы змяненне супраціву ў 13 разоў меншае, чым у аднаслаёвага графена (27). Аднак гэтая расцяжымасць па-ранейшаму значна саступае самым сучасным расцяжымым праваднікам (28, 29).
Транзістары важныя ў расцягнутых прыкладаннях, таму што яны дазваляюць складанае счытванне датчыкаў і аналіз сігналаў (30, 31). Транзістары на PDMS з шматслойным графенам у якасці электродаў крыніцы/вытоку і матэрыялам канала могуць падтрымліваць электрычную функцыю да 5% дэфармацыі (32), што значна ніжэй за мінімальна неабходнае значэнне (~50%) для носных датчыкаў маніторынгу здароўя і электроннай скуры ( 33, 34). Нядаўна быў вывучаны графенавы падыход кірыгамі, і транзістар, закрыты вадкім электралітам, можа быць расцягнуты да 240% (35). Аднак гэты метад патрабуе падвешанага графена, што ўскладняе працэс вырабу.
Тут мы дасягаем графенавых прылад з высокай расцяжымасцю, устаўляючы графенавыя скруткі (ад ~1 да 20 мкм у даўжыню, ад ~0,1 да 1 мкм у шырыню і ад ~10 да 100 нм у вышыню) паміж пластамі графена. Мы мяркуем, што гэтыя графенавыя скруткі могуць забяспечваць токаправодныя шляхі для пераадолення расколін у лістах графена, такім чынам падтрымліваючы высокую праводнасць пры нагрузцы. Графенавыя скруткі не патрабуюць дадатковага сінтэзу або апрацоўкі; яны натуральным чынам утвараюцца падчас працэдуры вільготнага пераносу. Выкарыстоўваючы шматслойныя G/G (графен/графен) скруткі (MGG), графенавыя расцяжныя электроды (крыніца/сцёк і засаўка) і паўправадніковыя УНТ, мы змаглі прадэманстраваць вельмі празрыстыя і вельмі расцягвальныя вугляродныя транзістары, якія можна расцягнуць да 120 % дэфармацыі (паралельна напрамку пераносу зарада) і захоўваюць 60 % першапачатковага выхаду току. Гэта найбольш расцягнуты празрысты вугляродны транзістар на сённяшні дзень, і ён забяспечвае дастатковы ток для кіравання неарганічным святлодыёдам.
Каб уключыць празрыстыя расцяжныя графенавыя электроды вялікай плошчы, мы выбралі графен, вырашчаны CVD, на меднай фальзе. Медная фальга была падвешана ў цэнтры кварцавай трубкі CVD, каб забяспечыць рост графена з абодвух бакоў, утвараючы структуры G/Cu/G. Для перадачы графена мы спачатку пакрылі тонкі пласт полі(метылметакрылату) (ПММА), каб абараніць адзін бок графена, які мы назвалі верхнім графенам (наадварот, для іншага боку графена), а потым уся плёнка (PMMA/верхні графен/Cu/ніжні графен) была прасякнута растворам (NH4)2S2O8 для вытраўлення меднай фальгі. Графен з ніжняга боку без пакрыцця з ПММА непазбежна будзе мець расколіны і дэфекты, праз якія пранікае пратручвальнік (36, 37). Як паказана на мал. 1A, пад уздзеяннем павярхоўнага нацяжэння вызваленыя дамены графена згарнуліся ў скруткі і пасля прымацаваліся да астатняй верхняй плёнкі G/PMMA. Верхнія скруткі G/G можна было перанесці на любую падкладку, такую як SiO2/Si, шкло або мяккі палімер. Паўтарэнне гэтага працэсу пераносу некалькі разоў на тую ж падкладку дае структуры MGG.
(A) Схематычная ілюстрацыя працэдуры вырабу MGG у якасці расцяжымага электрода. Падчас перадачы графена тыльны бок графена на меднай фальзе быў зламаны на межах і дэфектах, згорнуты ў адвольныя формы і шчыльна прымацаваны да верхніх плёнак, утвараючы нанаскруткі. Чацвёрты мультфільм адлюстроўвае складзеную структуру MGG. (B і C) Характарыстыкі TEM з высокім дазволам аднаслойнага MGG з упорам на аднаслойны графен (B) і вобласць скрутка (C) адпаведна. Устаўка (B) - гэта выява з малым павелічэннем, якая паказвае агульную марфалогію аднаслаёвых MGG на сетцы TEM. Устаўкі (C) - гэта профілі інтэнсіўнасці, узятыя ўздоўж прамавугольных рамак, пазначаных на малюнку, дзе адлегласці паміж атамнымі плоскасцямі складаюць 0,34 і 0,41 нм. (D) Спектр EEL вугляроду K-краю з пазначанымі характэрнымі графітнымі пікамі π* і σ*. (E) Секцыйнае АСМ-выява аднаслаёвых скруткаў G/G з профілем вышыні ўздоўж жоўтай пункцірнай лініі. (F да I) Аптычная мікраскапія і AFM выявы трохслойнага G без (F і H) і са скруткамі (G і I) на падкладках SiO2/Si таўшчынёй 300 нм адпаведна. Рэпрэзентатыўныя скруткі і маршчыны былі пазначаны, каб падкрэсліць іх адрозненні.
Каб пераканацца, што па сваёй прыродзе скруткі з'яўляюцца згорнутым графенам, мы правялі даследаванні спектраскапіі высокага раздзялення з дапамогай трансмісійнай электроннай мікраскапіі (TEM) і спектраскапіі страт энергіі электронаў (EEL) на структурах аднаслаёвых G/G скруткаў. На малюнку 1B паказана шасцікутная структура аднаслойнага графена, а ўстаўка - агульная марфалогія плёнкі, пакрытай адной вугляроднай дзіркай сеткі TEM. Аднаслаёвы графен ахоплівае большую частку сеткі, і некаторыя графенавыя шматкі ў прысутнасці некалькіх стосаў шасцікутных кольцаў з'яўляюцца (мал. 1B). Павялічыўшы асобны скрутак (мал. 1C), мы заўважылі вялікую колькасць палос графенавай рашоткі з інтэрвалам рашоткі ў дыяпазоне ад 0,34 да 0,41 нм. Гэтыя вымярэнні дазваляюць выказаць здагадку, што шматкі згорнуты ў выпадковым парадку і не з'яўляюцца ідэальным графітам, які мае адлегласць паміж рашоткамі 0,34 нм у слаі "ABAB". На малюнку 1D паказаны спектр EEL вугляроднага K-краю, дзе пік пры 285 эВ узыходзіць да арбіталі π*, а другі пры 290 эВ - да пераходу арбіталі σ*. Можна заўважыць, што сувязь sp2 дамінуе ў гэтай структуры, пацвярджаючы, што скруткі вельмі графітныя.
Выявы аптычнай мікраскапіі і атамна-сілавой мікраскапіі (АСМ) даюць зразумець размеркаванне графенавых нанаскруткаў у MGG (мал. 1, ад E да G і мал. S1 і S2). Скруткі размеркаваны па паверхні выпадковым чынам, і іх шчыльнасць у плоскасці павялічваецца прапарцыйна колькасці складзеных слаёў. Многія скруткі зблытаны ў вузлы і маюць нераўнамерную вышыню ў дыяпазоне ад 10 да 100 нм. Яны складаюць ад 1 да 20 мкм у даўжыню і ад 0,1 да 1 мкм у шырыню, у залежнасці ад памераў іх першапачатковых графенавых шматкоў. Як паказана на малюнку 1 (H і I), скруткі маюць значна большы памер, чым маршчыны, што прыводзіць да значна больш грубай паверхні паміж пластамі графена.
Каб вымераць электрычныя ўласцівасці, мы з дапамогай фоталітаграфіі стварылі малюнак графенавых плёнак са структурай пракруткі або без яе і складаннем слаёў у палоскі шырынёй 300 мкм і даўжынёй 2000 мкм. Супраціўленне двух зондаў як функцыя дэфармацыі вымяралася ва ўмовах навакольнага асяроддзя. Наяўнасць скруткаў паменшыла ўдзельнае супраціўленне аднаслойнага графена на 80% з памяншэннем каэфіцыента прапускання толькі на 2,2% (мал. S4). Гэта пацвярджае, што нанаскруткі, якія маюць высокую шчыльнасць току да 5 × 107 А/см2 (38, 39), уносяць вельмі станоўчы электрычны ўклад у MGG. Сярод усіх мона-, двух- і трохслаёвых звычайных графенаў і MGG трохслаёвы MGG мае лепшую праводнасць з празрыстасцю амаль 90%. Для параўнання з іншымі крыніцамі графена, пра якія паведамляецца ў літаратуры, мы таксама вымералі супраціўленне ліста з чатырма зондамі (мал. S5) і пералічылі іх як функцыю прапускання пры 550 нм (мал. S6) на мал. 2A. MGG паказвае параўнальную або больш высокую праводнасць і празрыстасць, чым штучна складзены шматслаёвы просты графен і адноўлены аксід графена (RGO) (6, 8, 18). Звярніце ўвагу, што ўстойлівасць ліста штучна складзенага шматслаёвага звычайнага графена з літаратуры крыху вышэйшая, чым у нашага MGG, верагодна, з-за іх неаптымізаваных умоў росту і метаду перадачы.
(A) Чатырохзондавае супраціўленне ліста ў параўнанні з прапусканнем пры 550 нм для некалькіх тыпаў графена, дзе чорныя квадраты абазначаюць мона-, двух- і трохслаёвыя MGG; чырвоныя кругі і сінія трыкутнікі адпавядаюць шматслаёваму звычайнаму графену, вырашчанаму на Cu і Ni з даследаванняў Лі і інш. (6) і Кім і інш. (8), адпаведна, і пасля перанесены на SiO2/Si або кварц; і зялёныя трыкутнікі з'яўляюцца значэннямі для RGO пры розных ступенях зніжэння з даследавання Bonaccorso et al. (18). (B і C) Нармалізаванае змяненне супраціву мона-, двух- і трохслаёвых MGG і G у залежнасці ад перпендыкулярнай (B) і паралельнай (C) дэфармацыі кірунку току. (D) Нармалізаванае змяненне супраціву двухслаёвага пласта G (чырвоны) і MGG (чорны) пры цыклічнай дэфармацыйнай нагрузцы да 50% перпендыкулярнай дэфармацыі. (E) Нармалізаванае змяненне супраціву трохслаёвага пласта G (чырвоны) і MGG (чорны) пры цыклічнай дэфармацыйнай нагрузцы да 90% паралельнай дэфармацыі. (F) Нармалізаванае змяненне ёмістасці мона-, двух- і трохслаёвых G і двух- і трохслаёвых MGG як функцыя дэфармацыі. Устаўка ўяўляе сабой структуру кандэнсатара, дзе палімерная падкладка - SEBS, а палімерны дыэлектрычны пласт - SEBS таўшчынёй 2 мкм.
Для ацэнкі прадукцыйнасці MGG, якая залежыць ад дэфармацыі, мы перанеслі графен на падкладкі з тэрмапластычнага эластамера стырол-этылен-бутадыен-стырол (SEBS) (~2 см у шырыню і ~5 см у даўжыню), і праводнасць вымяралася па меры расцягвання падкладкі. (гл. Матэрыялы і метады) як перпендыкулярна, так і паралельна кірунку цячэння току (мал. 2, B і C). Электрычныя паводзіны, якія залежаць ад дэфармацыі, палепшыліся з уключэннем нанаскруткаў і павелічэннем колькасці слаёў графена. Напрыклад, калі дэфармацыя перпендыкулярная патоку току, для аднаслаёвага графена даданне скруткаў павялічыла дэфармацыю пры электрычным разрыве з 5 да 70%. Устойлівасць да дэфармацыі трохслаёвага графена таксама значна палепшана ў параўнанні з аднаслаёвым графенам. З нанаскруткамі, пры 100% перпендыкулярнай дэфармацыі, супраціў трохслаёвай структуры MGG павялічыўся толькі на 50% у параўнанні з 300% для трохслаёвага графена без скруткаў. Даследавана змяненне супраціву пры цыклічных дэфармацыйных нагрузках. Для параўнання (мал. 2D), супраціў звычайнай двухслаёвай графенавай плёнкі павялічыўся прыкладна ў 7,5 разоў пасля ~700 цыклаў пры 50% перпендыкулярнай дэфармацыі і працягваў расці з дэфармацыяй у кожным цыкле. З іншага боку, супраціў двухслойнага MGG павялічыўся толькі прыкладна ў 2,5 разы пасля ~700 цыклаў. Ужыванне да 90% дэфармацыі ўздоўж паралельнага кірунку, супраціў трохслаёвага графена павялічылася ў ~100 разоў пасля 1000 цыклаў, у той час як гэта толькі ў ~8 разоў у трохслаёвым MGG (мал. 2E). Вынікі велагонкі паказаны на мал. S7. Адносна больш хуткае павелічэнне супраціву ўздоўж паралельнага напрамку дэфармацыі звязана з тым, што арыентацыя расколін перпендыкулярная кірунку цячэння току. Адхіленне супраціву падчас дэфармацыі пры нагрузцы і разгрузцы звязана з вязкапругкім аднаўленнем эластамернай падкладкі SEBS. Больш стабільная ўстойлівасць палос MGG падчас цыкла абумоўлена наяўнасцю вялікіх скруткаў, якія могуць перакрываць трэснутыя часткі графена (паводле AFM), дапамагаючы падтрымліваць шлях прасочвання. Аб гэтай з'яве захавання праводнасці шляхам перколяции паведамлялася раней для трэснутых металічных або паўправадніковых плёнак на эластамерных падкладках (40, 41).
Каб ацаніць гэтыя плёнкі на аснове графена ў якасці засаўных электродаў у прыладах, якія расцягваюцца, мы пакрылі пласт графена дыэлектрычным пластом SEBS (таўшчынёй 2 мкм) і адсочвалі змяненне дыэлектрычнай ёмістасці ў залежнасці ад дэфармацыі (гл. мал. 2F і дадатковыя матэрыялы для дэталі). Мы заўважылі, што ёмістасці простых аднаслаёвых і двухслойных графенавых электродаў хутка памяншаюцца з-за страты плоскаснай праводнасці графена. У адрозненне ад гэтага, ёмістасці, стробіраваныя MGG, а таксама звычайны трохслаёвы графен, паказалі павелічэнне ёмістасці з дэфармацыяй, што чакаецца з-за памяншэння таўшчыні дыэлектрыка з дэфармацыяй. Чаканае павелічэнне ёмістасці вельмі добра адпавядала структуры MGG (мал. S8). Гэта паказвае на тое, што MGG падыходзіць у якасці электрода засаўкі для расцяжных транзістараў.
Для далейшага вывучэння ролі 1D-графенавага скрутка на цярпімасць да дэфармацыі электраправоднасці і лепшага кантролю за падзелам паміж графенавымі пластамі мы выкарысталі УНТ з напыленнем для замены графенавых скруткаў (гл. Дадатковыя матэрыялы). Каб імітаваць структуры MGG, мы нанеслі тры шчыльнасці УНТ (гэта значыць CNT1
(А-С) АСМ выявы трох розных шчыльнасцей УНТ (CNT1
Каб лепш зразумець іх здольнасць у якасці электродаў для расцяжымай электронікі, мы сістэматычна даследавалі марфалогіі MGG і G-CNT-G пад напругай. Аптычная мікраскапія і растравая электронная мікраскапія (SEM) не з'яўляюцца эфектыўнымі метадамі характарыстыкі, таму што абодва не маюць каляровага кантрасту, і SEM падвяргаецца артэфактам выявы падчас электроннага сканавання, калі графен знаходзіцца на палімерных падкладках (рыс. S9 і S10). Каб назіраць in situ за паверхняй графена пад напругай, мы сабралі вымярэнні АСМ на трохслаёвых MGG і простым графене пасля пераносу на вельмі тонкія (таўшчынёй ~0,1 мм) і эластычныя падкладкі SEBS. З-за ўнутраных дэфектаў графена CVD і знешніх пашкоджанняў падчас працэсу перадачы на напружаным графене непазбежна ўзнікаюць расколіны, і з павелічэннем дэфармацыі расколіны становяцца больш шчыльнымі (мал. 4, ад A да D). У залежнасці ад структуры штабеля вугляродных электродаў расколіны маюць розную марфалогію (мал. S11) (27). Шчыльнасць плошчы расколін (вызначаецца як плошча расколіны/аналізаваная плошча) шматслойнага графена меншая, чым у аднаслаёвага графена пасля дэфармацыі, што адпавядае павелічэнню электраправоднасці для MGG. З іншага боку, часта назіраецца, што скруткі перакрываюць расколіны, забяспечваючы дадатковыя праводзяць шляхі ў напружанай плёнцы. Напрыклад, як пазначана на малюнку на малюнку 4B, шырокі скрутак перасякае расколіну ў трохслойным MGG, але скрутка не назіраецца ў простым графене (мал. 4, E - H). Падобным чынам УНТ таксама перакрываюць расколіны ў графене (мал. S11). Шчыльнасць вобласці расколін, шчыльнасць вобласці пракруткі і шурпатасць плёнак прыведзены на мал. 4K.
(А - Н) In situ AFM выявы трохслаёвых G/G скруткаў (А - D) і трохслаёвых структур G (Е - Н) на вельмі тонкім эластамеры SEBS (таўшчынёй ~0,1 мм) пры 0, 20, 60 і 100 % штам. Рэпрэзентатыўныя расколіны і скруткі пазначаны стрэлкамі. Усе AFM выявы знаходзяцца ў вобласці 15 мкм × 15 мкм, з выкарыстаннем той жа каляровай шкалы, што і на этыкетцы. (I) Мадэляванне геаметрыі аднаслаёвых графенавых электродаў з малюнкам на падкладцы SEBS. (J) Мадэляванне контурнай карты максімальнай галоўнай лагарыфмічнай дэфармацыі ў аднаслаёвым графене і падкладцы SEBS пры 20% знешняй дэфармацыі. (K) Параўнанне шчыльнасці плошчаў расколін (чырвоны слупок), шчыльнасці плошчаў пракруткі (жоўты слупок) і шурпатасці паверхні (сіні слупок) для розных графенавых структур.
Калі плёнкі MGG расцягваюцца, існуе важны дадатковы механізм, дзякуючы якому скруткі могуць перамыкаць трэснутыя вобласці графена, падтрымліваючы перкаляцыйную сетку. Графенавыя скруткі з'яўляюцца перспектыўнымі, таму што яны могуць мець дзясяткі мікраметраў у даўжыню і, такім чынам, здольныя перакрываць расколіны, якія звычайна маюць памер да мікраметра. Акрамя таго, паколькі скруткі складаюцца з некалькіх слаёў графена, чакаецца, што яны будуць мець нізкі супраціў. Для параўнання, адносна шчыльныя (з меншым каэфіцыентам прапускання) сеткі УНТ патрабуюцца для забеспячэння параўнальнай магчымасці праводнасці мастоў, паколькі УНТ менш (звычайна некалькі мікраметраў у даўжыню) і менш праводзяць, чым скруткі. З іншага боку, як паказана на мал. S12, у той час як графен трэскаецца падчас расцяжэння, каб вытрымаць дэфармацыю, скруткі не трэскаюцца, што паказвае на тое, што апошнія могуць слізгаць па ніжнім графене. Прычына таго, што яны не трэскаюцца, верагодна, звязана з згорнутай структурай, якая складаецца з мноства слаёў графена (ад 1 да 20 мкм у даўжыню, ад ~0,1 да 1 мкм у шырыню і ад ~10 да 100 нм у вышыню), якая мае больш высокі эфектыўны модуль, чым аднаслаёвы графен. Як паведамляюць Грын і Херзам (42), металічныя сеткі з УНТ (дыяметр трубкі 1,0 нм) могуць дасягаць нізкага супраціўлення ліста <100 Ом/кв, нягледзячы на вялікае супраціўленне спалучэння паміж УНТ. Улічваючы, што нашы графенавыя скруткі маюць шырыню ад 0,1 да 1 мкм і што G/G скруткі маюць значна большыя плошчы кантакту, чым УНТ, кантактнае супраціўленне і плошча кантакту паміж графенам і графенавымі скруткамі не павінны быць абмежавальнымі фактарамі для падтрымання высокай праводнасці.
Графен мае значна большы модуль, чым падкладка SEBS. Хоць эфектыўная таўшчыня графенавага электрода значна меншая, чым у падкладкі, калянасць графена, памножаная на яго таўшчыню, параўнальная з таўшчынёй падкладкі (43, 44), што прыводзіць да ўмеранага эфекту жорсткага астраўка. Мы змадэлявалі дэфармацыю графена таўшчынёй 1 нм на падкладцы SEBS (падрабязнасці гл. у дадатковых матэрыялах). Згодна з вынікамі мадэлявання, калі 20% дэфармацыі прыкладаецца да падкладкі SEBS звонку, сярэдняя дэфармацыя ў графене складае ~6,6% (мал. 4J і мал. S13D), што адпавядае эксперыментальным назіранням (гл. мал. S13) . Мы параўналі дэфармацыю графена з малюнкам і вобласці падкладкі з дапамогай аптычнай мікраскапіі і выявілі, што дэфармацыя ў вобласці падкладкі як мінімум у два разы перавышае дэфармацыю ў вобласці графена. Гэта паказвае на тое, што дэфармацыя, прымененая да шаблонаў графенавых электродаў, можа быць значна абмежавана, утвараючы жорсткія астравы графена на вяршыні SEBS (26, 43, 44).
Такім чынам, здольнасць электродаў MGG падтрымліваць высокую праводнасць пры высокай нагрузцы, верагодна, забяспечваецца двума асноўнымі механізмамі: (i) скруткі могуць перамыкаць раз'яднаныя вобласці для падтрымання праводзячага шляху перкаляцыі, і (ii) шматслойныя графенавыя лісты/эластамер могуць слізгаць адзін над адным, што прыводзіць да зніжэння нагрузкі на графенавыя электроды. Для некалькіх слаёў графена, перанесенага на эластамер, пласты не моцна прымацаваныя адзін да аднаго, што можа слізгаць у адказ на дэфармацыю (27). Скруткі таксама павялічылі шурпатасць графенавых слаёў, што можа дапамагчы павялічыць падзел паміж графенавымі пластамі і, такім чынам, забяспечыць слізгаценне графенавых слаёў.
Цалкам вугляродныя прылады з энтузіязмам праследуюцца з-за нізкай кошту і высокай прапускной здольнасці. У нашым выпадку цалкам вугляродныя транзістары былі выраблены з выкарыстаннем ніжняга графенавага затвора, верхняга графенавага кантакту крыніца/адвод, адсартаванага паўправадніка з УНТ і SEBS у якасці дыэлектрыка (мал. 5A). Як паказана на малюнку 5B, цалкам вугляродная прылада з УНТ у якасці крыніцы/вытоку і засаўкі (ніжняя прылада) больш непразрыстая, чым прылада з графенавымі электродамі (верхняя прылада). Гэта адбываецца таму, што сеткі УНТ патрабуюць большай таўшчыні і, адпаведна, меншага аптычнага прапускання для дасягнення супраціўлення ліста, падобнага да супраціўлення графена (мал. S4). На малюнку 5 (C і D) паказаны рэпрэзентатыўныя крывыя перадачы і выхаду перад дэфармацыяй для транзістара, вырабленага з двухслойнымі электродамі MGG. Шырыня і даўжыня канала ненапружанага транзістара складалі 800 і 100 мкм адпаведна. Вымеранае стаўленне ўключэння/выключэння больш за 103 з токамі ўключэння і выключэння на ўзроўні 10-5 і 10-8 А адпаведна. Выхадная крывая дэманструе ідэальныя лінейныя рэжымы і рэжымы насычэння з выразнай залежнасцю ад напружання на засаўцы, што паказвае на ідэальны кантакт паміж УНТ і графенавымі электродамі (45). Было заўважана, што кантактнае супраціўленне з графенавымі электродамі ніжэйшае, чым з напарэннем плёнкі Au (гл. мал. S14). Рухомасць насычэння расцягваючагася транзістара складае каля 5,6 см2/Вс, што падобна на рухомасць тых жа палімерна-сартаваных УНТ-транзістараў на цвёрдых Si-падкладках з 300-нм SiO2 у якасці дыэлектрычнага пласта. Далейшае паляпшэнне рухомасці магчыма з дапамогай аптымізаванай шчыльнасці трубак і іншых тыпаў трубак (46).
(А) Схема расцяжнага транзістара на аснове графена. SWNT, аднасценныя вугляродныя нанатрубкі. (B) Фота расцяжных транзістараў, зробленых з графенавых электродаў (уверсе) і CNT-электродаў (унізе). Розніца ў празрыстасці добра прыкметная. (C і D) Крывыя перадачы і выхаду транзістара на аснове графена на SEBS перад дэфармацыяй. (E і F) Крывыя перадачы, ток уключэння і выключэння, суадносіны ўключэння/выключэння і рухомасць транзістара на аснове графена пры розных дэфармацыях.
Калі празрыстую цалкам вугляродную прыладу расцягнулі ў напрамку, паралельным кірунку транспарціроўкі зарада, назіралася мінімальная дэградацыя да 120% дэфармацыі. Падчас расцяжэння рухомасць бесперапынна зніжалася з 5,6 см2/Vs пры дэфармацыі 0% да 2,5 см2/Vs пры дэфармацыі 120% (мал. 5F). Мы таксама параўналі прадукцыйнасць транзістараў для розных даўжынь каналаў (гл. табліцу S1). Характэрна, што пры дэфармацыі да 105% усе гэтыя транзістары па-ранейшаму дэманстравалі высокі каэфіцыент уключэння/выключэння (>103) і рухомасць (>3 см2/Вс). Акрамя таго, мы абагульнілі ўсю нядаўнюю працу па цалкам вугляродных транзістарах (гл. табліцу S2) (47–52). Аптымізуючы выраб прылад на эластамерах і выкарыстоўваючы MGG у якасці кантактаў, нашы цалкам вугляродныя транзістары дэманструюць добрую прадукцыйнасць з пункту гледжання мабільнасці і гістэрэзісу, а таксама высокую расцяжымасць.
У якасці прымянення цалкам празрыстага і расцягваючагася транзістара мы выкарыстоўвалі яго для кіравання пераключэннем святлодыёда (мал. 6A). Як паказана на малюнку 6B, зялёны святлодыёд можна выразна ўбачыць праз расцягваецца суцэльнавугляроднае прылада, размешчанае непасрэдна над ім. Пры расцяжэнні да ~100 % (мал. 6, C і D) інтэнсіўнасць святлодыёда не змяняецца, што адпавядае характарыстыкам транзістара, апісаным вышэй (гл. фільм S1). Гэта першая справаздача аб расцяжных блоках кіравання, вырабленых з выкарыстаннем графенавых электродаў, якія дэманструюць новыя магчымасці расцягвальнай электронікі з графена.
(A) Схема транзістара для кіравання святлодыёдам. GND, зямля. (B) Фота расцяжымага і празрыстага цалкам вугляроднага транзістара пры дэфармацыі 0%, усталяванага над зялёным святлодыёдам. (C) Цалкам вугляродны празрысты і расцяжны транзістар, які выкарыстоўваецца для пераключэння святлодыёда, усталяваны над святлодыёдам з напругай 0% (злева) і ~100% (справа). Белыя стрэлкі паказваюць на жоўтыя маркеры на прыладзе, каб паказаць змяненне адлегласці, якое расцягваецца. (D) Выгляд збоку расцягнутага транзістара са святлодыёдам, уціснутым у эластамер.
У заключэнне можна сказаць, што мы распрацавалі празрыстую канструкцыю з графена, якая падтрымлівае высокую праводнасць пры вялікіх дэфармацыях у выглядзе расцяжных электродаў, дзякуючы графенавым нанаскруткам паміж слаямі графена. Гэтыя двух- і трохслаёвыя электродныя структуры MGG на эластамеры могуць падтрымліваць 21 і 65% адпаведна з іх 0% праводнасці пры дэфармацыі да 100% у параўнанні з поўнай стратай праводнасці пры дэфармацыі 5% для тыповых аднаслойных графенавых электродаў . Дадатковыя праводныя шляхі графенавых скруткаў, а таксама слабае ўзаемадзеянне паміж перанесенымі пластамі спрыяюць найвышэйшай стабільнасці праводнасці пры дэфармацыі. Далей мы ўжылі гэтую структуру графена для вырабу цалкам вугляродных транзістараў, якія расцягваюцца. На дадзены момант гэта самы расцягнуты транзістар на аснове графена з лепшай празрыстасцю без выкарыстання дэфармацыі. Нягледзячы на тое, што дадзенае даследаванне было праведзена для таго, каб выкарыстоўваць графен для расцяжымай электронікі, мы лічым, што гэты падыход можна распаўсюдзіць на іншыя 2D-матэрыялы, каб уключыць расцяжымую 2D-электроніку.
CVD-графен вялікай плошчы быў вырашчаны на падвешаных медных фальгах (99,999%; Alfa Aesar) пад пастаянным ціскам 0,5 мтор з 50–SCCM (стандартным кубічным сантыметрам у хвіліну) CH4 і 20–SCCM H2 у якасці папярэднікаў пры 1000°C. Абодва бакі меднай фальгі былі пакрытыя аднаслойным графенам. Тонкі пласт ПММА (2000 абаротаў у хвіліну; A4, Microchem) быў нанесены спінінгам на адзін бок меднай фальгі, утвараючы структуру ПММА/G/Cu фальга/G. затым усю плёнку замочвалі ў 0,1 М растворы персульфата амонія [(NH4)2S2O8] прыкладна на 2 гадзіны, каб вытравіць медную фальгу. Падчас гэтага працэсу неабаронены задні графен спачатку разарваўся ўздоўж межаў зерняў, а потым згарнуўся ў скруткі з-за павярхоўнага нацяжэння. Скруткі былі прымацаваны да верхняй графенавай плёнкі з ПММА, утвараючы скруткі з ПММА/G/G. Затым плёнкі некалькі разоў прамывалі ў дэіянізаванай вадзе і накладвалі на мэтавую падкладку, напрыклад, на цвёрдую SiO2/Si або пластыкавую падкладку. Як толькі прымацаваная плёнка высахла на падкладцы, узор паслядоўна замочвалі ў ацэтоне, 1:1 ацэтоне/IPA (ізапрапілавы спірт) і IPA на працягу 30 секунд кожны для выдалення ПММА. Плёнкі награвалі пры 100°C на працягу 15 хвілін або вытрымлівалі ў вакууме на працягу ночы, каб цалкам выдаліць захопленую ваду, перш чым на яе быў перанесены іншы пласт скрутка G/G. Гэты крок павінен быў пазбегнуць аддзялення графенавай плёнкі ад падкладкі і забяспечыць поўнае пакрыццё MGG падчас вызвалення апорнага пласта ПММА.
Марфалогію структуры MGG назіралі з дапамогай аптычнага мікраскопа (Leica) і сканавальнага электроннага мікраскопа (1 кВ; FEI). Атамна-сілавы мікраскоп (нанаскоп III, лічбавы прыбор) працаваў у рэжыме націску, каб назіраць за дэталямі скруткаў G. Празрыстасць плёнкі была праверана з дапамогай ультрафіялетавага бачнага спектрометра (Agilent Cary 6000i). Для выпрабаванняў, калі дэфармацыя была ўздоўж перпендыкулярнага кірунку току, фоталітаграфія і плазма O2 былі выкарыстаны для фарміравання графенавых структур у палоскі (~300 мкм у шырыню і ~2000 мкм у даўжыню), а Au (50 нм) электроды былі тэрмічна асаджаны з дапамогай ценявыя маскі на абодвух канцах доўгага боку. Затым графенавыя палоскі былі ўведзены ў кантакт з эластамерам SEBS (~2 см у шырыню і ~5 см у даўжыню), з доўгай воссю палосак, паралельнай кароткаму боку SEBS, а затым BOE (тручэнне буферным аксідам) (HF:H2O). 1:6) тручэнне і эўтэктычны галій-індый (EGaIn) у якасці электрычных кантактаў. Для выпрабаванняў на паралельную дэфармацыю графенавыя структуры без узору (~5 × 10 мм) былі перанесены на падкладкі SEBS з доўгімі восямі, паралельнымі доўгаму боку падкладкі SEBS. У абодвух выпадках уся G (без G-скруткаў)/SEBS была расцягнута ўздоўж доўгага боку эластамера ў ручным прыладзе, і на месцы мы вымералі змены іх супраціву пад напругай на зондавай станцыі з паўправадніковым аналізатарам (Keithley 4200). -SCS).
Вельмі эластычныя і празрыстыя цалкам вугляродныя транзістары на пругкай падкладцы былі выраблены з дапамогай наступных працэдур, каб пазбегнуць пашкоджання палімернага дыэлектрыка і падкладкі арганічнымі растваральнікамі. Структуры MGG былі перанесены на SEBS у якасці варотных электродаў. Каб атрымаць аднастайны тонкаплёнкавы палімерны дыэлектрычны пласт (таўшчынёй 2 мкм), раствор SEBS у талуоле (80 мг/мл) наносіў спінінг на падкладку, мадыфікаваную октадэцылтрыхларасіланам (OTS) SiO2/Si, пры 1000 абаротах у хвіліну на працягу 1 хвіліны. Тонкая дыэлектрычная плёнка можа быць лёгка перанесена з гідрафобнай паверхні OTS на падкладку SEBS, пакрытую ўжо падрыхтаваным графенам. Кандэнсатар можа быць выраблены шляхам нанясення вадкага металу (EGaIn; Sigma-Aldrich) на верхні электрод для вызначэння ёмістасці ў залежнасці ад дэфармацыі з дапамогай вымяральніка LCR (індуктыўнасці, ёмістасці, супраціву) (Agilent). Іншая частка транзістара складалася з адсартаваных па палімерах паўправадніковых УНТ у адпаведнасці з працэдурамі, пра якія паведамлялася раней (53). Узорны электрод крыніцы/сцёку быў выраблены на цвёрдых падкладках SiO2/Si. Пасля дзве часткі, дыэлектрык/G/SEBS і УНТ/G/SiO2/Si з малюнкам, былі ламінаваныя адна з адной і прасякнуты BOE для выдалення цвёрдай падкладкі SiO2/Si. Такім чынам, былі выраблены цалкам празрыстыя і расцягваюцца транзістары. Электрычныя выпрабаванні пад дэфармацыяй праводзіліся на ўстаноўцы ручнога расцяжэння ў якасці вышэйзгаданага метаду.
Дадатковы матэрыял для гэтага артыкула даступны на http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
мал. S1. Выявы аптычнай мікраскапіі аднаслаёвага MGG на падкладках SiO2/Si пры розных павелічэннях.
мал. S4. Параўнанне супраціўлення лістоў двух зондаў і каэфіцыента прапускання пры 550 нм мона-, двух- і трохслаёвага графена (чорныя квадраты), MGG (чырвоныя кружочкі) і УНТ (сіні трохкутнік).
мал. S7. Нармалізаванае змяненне супраціву мона- і двухслаёвых MGG (чорны) і G (чырвоны) пры цыклічнай нагрузцы ад ~1000 да 40 і 90% паралельнай дэфармацыі адпаведна.
мал. S10. СЭМ-выява трохслаёвага MGG на эластамеры SEBS пасля расцяжэння, на якім бачна доўгая пракрутка над некалькімі расколінамі.
мал. S12. АСМ-выява трохслойнага MGG на вельмі тонкім эластамеры SEBS пры дэфармацыі 20%, якое паказвае, што скрутак перасякае расколіну.
табліца S1. Рухомасці двухслаёвых транзістараў з вугляроднай нанатрубкі MGG і адной сценкі пры розных даўжынях канала да і пасля дэфармацыі.
Гэта артыкул з адкрытым доступам, які распаўсюджваецца ў адпаведнасці з умовамі ліцэнзіі Creative Commons Attribution-NonCommercial, якая дазваляе выкарыстоўваць, распаўсюджваць і прайграваць на любым носьбіце пры ўмове, што выніковае выкарыстанне не з'яўляецца камерцыйнай выгадай і пры ўмове, што арыгінальны твор належным чынам цытуецца.
ЗАЎВАГА. Мы запытваем ваш адрас электроннай пошты толькі для таго, каб чалавек, якому вы рэкамендуеце старонку, ведаў, што вы хочаце, каб ён бачыў яе, і што гэта не непажаданая пошта. Мы не фіксуем адрас электроннай пошты.
Гэтае пытанне прызначана для праверкі таго, ці з'яўляецеся вы наведвальнікам, і для прадухілення аўтаматычнай рассылкі спаму.
Нан Лю, Алекс Чортас, Цін Лэй, Ліхуа Цзінь, Тэхо Рой Кім, Вон-Гю Бэ, Чэнсінь Чжу, Сіхонг Ван, Рафаэль Пфатнер, Сіюань Чэнь, Роберт Сінклер, Чжэнань Бао
Нан Лю, Алекс Чортас, Цін Лэй, Ліхуа Цзінь, Тэхо Рой Кім, Вон-Гю Бэ, Чэнсінь Чжу, Сіхонг Ван, Рафаэль Пфатнер, Сіюань Чэнь, Роберт Сінклер, Чжэнань Бао
© 2021 Амерыканская асацыяцыя садзейнічання развіццю навукі. Усе правы абароненыя. AAAS з'яўляецца партнёрам HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef і COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Час публікацыі: 28 студзеня 2021 г