Двухмерныя матэрыялы, такія як графен, прывабныя як для звычайных паўправадніковых прымяненняў, так і для новых прымяненняў у гнуткай электроніцы. Аднак высокая трываласць графена на расцяжэнне прыводзіць да разбурэння пры нізкіх дэфармацыях, што ўскладняе выкарыстанне яго незвычайных электронных уласцівасцей у расцяжной электроніцы. Каб забяспечыць выдатную залежнасць ад дэфармацыі прадукцыйнасці празрыстых графенавых праваднікоў, мы стварылі графенавыя нанаскруткі паміж складзенымі графенавымі пластамі, якія называюцца шматслаёвымі графен/графенавымі скруткамі (MGG). Пад дэфармацыяй некаторыя скруткі злучалі фрагментаваныя дамены графена, падтрымліваючы перкаляцыйную сетку, якая забяспечвала выдатную праводнасць пры высокіх дэфармацыях. Трохслаёвыя MGG, нанесеныя на эластамеры, захавалі 65% сваёй першапачатковай праводнасці пры 100% дэфармацыі, якая перпендыкулярная кірунку працякання току, тады як трохслаёвыя плёнкі графена без нанаскруткаў захавалі толькі 25% сваёй пачатковай праводнасці. Расцяжны цалкам вугляродны транзістар, выраблены з выкарыстаннем MGG у якасці электродаў, прадэманстраваў прапусканне >90% і захаваў 60% свайго першапачатковага выходнага току пры 120% дэфармацыі (паралельна кірунку пераносу зарада). Гэтыя высокарасцяжныя і празрыстыя цалкам вугляродныя транзістары могуць дазволіць ствараць складаную расцяжную оптаэлектроніку.
Расцяжная празрыстая электроніка — гэта развіваецца галіна, якая мае важнае прымяненне ў перадавых біяінтэграваных сістэмах (1, 2), а таксама патэнцыял для інтэграцыі з расцяжной оптаэлектронікай (3, 4) для стварэння складаных мяккіх робататэхнікі і дысплеяў. Графен валодае вельмі пажаданымі ўласцівасцямі атамнай таўшчыні, высокай празрыстасці і высокай праводнасці, але яго ўкараненне ў расцяжных прымяненнях стрымліваецца яго схільнасцю да расколін пры малых дэфармацыях. Пераадоленне механічных абмежаванняў графена можа адкрыць новыя функцыянальныя магчымасці ў расцяжных празрыстых прыладах.
Унікальныя ўласцівасці графена робяць яго моцным кандыдатам на наступнае пакаленне празрыстых праводзячых электродаў (5, 6). У параўнанні з найбольш распаўсюджаным празрыстым правадніком, аксідам індыя-волава [ITO; 100 Ом/кв. м пры 90% празрыстасці], монаслаёвы графен, выгадаваны метадам хімічнага асаджэння з паравой фазы (CVD), мае падобную камбінацыю ліставога супраціўлення (125 Ом/кв. м) і празрыстасці (97,4%) (5). Акрамя таго, графенавыя плёнкі валодаюць надзвычайнай гнуткасцю ў параўнанні з ITO (7). Напрыклад, на пластыкавай падкладцы яго праводнасць можа захоўвацца нават пры радыусе выгібу крывізны ўсяго 0,8 мм (8). Для далейшага паляпшэння яго электрычных характарыстык як празрыстага гнуткага правадніка ў папярэдніх працах былі распрацаваны гібрыдныя матэрыялы графена з аднамернымі (1D) сярэбранымі нанаправаднікамі або вугляроднымі нанатрубкамі (CNT) (9–11). Акрамя таго, графен выкарыстоўваўся ў якасці электродаў для змешаных гетэраструктурных паўправаднікоў (такіх як 2D аб'ёмны крэмній, 1D нанаправады/нанатрубкі і 0D квантавыя кропкі) (12), гнуткіх транзістараў, сонечных батарэй і святлодыёдаў (LED) (13–23).
Нягледзячы на тое, што графен паказаў шматабяцальныя вынікі для гнуткай электронікі, яго прымяненне ў расцяжной 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 вуглярод-вугляродная сетка не забяспечвае ніякіх механізмаў рассейвання энергіі для прыкладзенай дэфармацыі і таму лёгка расколваецца пры дэфармацыі менш за 5%. Напрыклад, графен, атрыманы метадам CVD, перанесены на пругкую падкладку з полідыметылсілоксану (PDMS), можа падтрымліваць сваю праводнасць толькі пры дэфармацыі менш за 6% (8). Тэарэтычныя разлікі паказваюць, што зморшчванне і ўзаемадзеянне паміж рознымі пластамі павінны значна зніжаць калянасць (26). Паведамляецца, што пры складанні графена ў некалькі пластоў гэты двух- або трохслаёвы графен расцягваецца да 30% дэфармацыі, дэманструючы змяненне супраціву ў 13 разоў меншае, чым у монаслаёвага графена (27). Аднак гэтая расцяжнасць усё яшчэ значна саступае сучасным расцяжным праваднікам (28, 29).
Транзістары важныя ў расцяжных прымяненнях, паколькі яны дазваляюць складана зчытваць дадзеныя з датчыкаў і аналізаваць сігналы (30, 31). Транзістары на PDMS з шматслаёвым графенам у якасці электродаў вытока/стоку і матэрыялу 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 даследаваны падыход графен-кірыгамі, і транзістар, абмежаваны вадкім электралітам, можна расцягнуць да 240% (35). Аднак гэты метад патрабуе падвешанага графена, што ўскладняе працэс вырабу.
Тут мы дасягаем высокарасцяжных графенавых прылад шляхам інтэркаляцыі графенавых скруткаў (даўжынёй ~1-20 мкм, шырынёй ~0,1-1 мкм і вышынёй ~10-100 нм) паміж пластамі графена. Мы выказваем гіпотэзу, што гэтыя графенавыя скруткі могуць забяспечваць праводзячыя шляхі для пераадолення расколін у графенавых лістах, тым самым падтрымліваючы высокую праводнасць пры дэфармацыі. Графенавыя скруткі не патрабуюць дадатковага сінтэзу або апрацоўкі; яны натуральным чынам утвараюцца падчас працэдуры вільготнага пераносу. Выкарыстоўваючы шматслаёвыя G/G (графен/графен) скруткі (MGG), графенавыя расцяжныя электроды (выток/сток і затвор) і паўправадніковыя вугляродныя нанатрубкі, мы змаглі прадэманстраваць высокапразрыстыя і высокарасцяжныя цалкам вугляродныя транзістары, якія можна расцягваць да 120% дэфармацыі (паралельна кірунку пераносу зарада) і захоўваць 60% свайго першапачатковага выходнага току. Гэта самы расцяжны празрысты транзістар на аснове вугляроду на сённяшні дзень, і ён забяспечвае дастатковы ток для кіравання неарганічным святлодыёдам.
Каб атрымаць празрыстыя расцяжныя графенавыя электроды вялікай плошчы, мы выбралі графен, вырашчаны метадам CVD на меднай фальзе. Медная фальга была падвешана ў цэнтры кварцавай трубкі CVD, каб дазволіць рост графена з абодвух бакоў, утвараючы структуры G/Cu/G. Для пераносу графена мы спачатку нанеслі тонкі пласт полі(метылметакрылату) (PMMA) для абароны аднаго боку графена, які мы назвалі верхнім графенам (наадварот для другога боку графена), а затым усю плёнку (PMMA/верхні графен/Cu/ніжні графен) мы прасякнулі растворам (NH4)2S2O8 для пратраўлення меднай фальгі. Ніжні графен без пакрыцця PMMA непазбежна будзе мець расколіны і дэфекты, якія дазваляюць травілу пранікаць праз яго (36, 37). Як паказана на мал. 1A, пад уздзеяннем павярхоўнага нацяжэння вызваленыя графенавыя дамены згортваліся ў скруткі і пасля прымацаваліся да астатняй верхняй плёнкі G/PMMA. Скруткі Top-G/G можна перанесці на любую падкладку, такую як SiO2/Si, шкло або мяккі палімер. Паўтарэнне гэтага працэсу пераносу некалькі разоў на адну і тую ж падкладку дае структуры MGG.
(A) Схематычная ілюстрацыя працэдуры вырабу MGG у якасці расцяжнога электрода. Падчас пераносу графена графен з адваротнага боку на меднай фальзе быў парушаны на межах і дэфектах, згорнуты ў адвольныя формы і шчыльна прымацаваны да верхніх плёнак, утвараючы нанаскруткі. Чацвёрты малюнак паказвае шматслаёвую структуру MGG. (B і C) Характарыстыкі монаслаёвага MGG з высокім разрозненнем, зробленыя з дапамогай TEM, з акцэнтам на монаслаёвы графен (B) і вобласць скрутка (C) адпаведна. Устаўка (B) - гэта выява з малым павелічэннем, якая паказвае агульную марфалогію монаслаёвых MGG на сетцы TEM. Устаўкі (C) - гэта профілі інтэнсіўнасці, атрыманыя ўздоўж прамавугольных квадратаў, пазначаных на выяве, дзе адлегласці паміж атамнымі плоскасцямі складаюць 0,34 і 0,41 нм. (D) Спектр EEL вугляроду K-краю з пазначанымі характэрнымі графітавымі пікамі π* і σ*. (E) Зрэзаная AFM-выява монаслаёвых скруткаў G/G з профілем вышыні ўздоўж жоўтай пункцірнай лініі. (F і I) Выявы аптычнай мікраскапіі і АСМ трохслаёвай падкладкі G без (F і H) і са скруткамі (G і I) на падкладках SiO2/Si таўшчынёй 300 нм адпаведна. Тыповыя скруткі і маршчыны былі пазначаны, каб падкрэсліць іх адрозненні.
Каб пераканацца, што скруткі па сваёй прыродзе з'яўляюцца згорнутым графенам, мы правялі даследаванні з выкарыстаннем прасвечвальнай электроннай мікраскапіі (ПЭМ) высокага разрознення і спектраскапіі страт энергіі электронаў (ЭЭЛ) на монаслаёвых структурах скруткаў top-G/G. На малюнку 1B паказана шасцікутная структура монаслаёвага графена, а на ўстаўцы — агульная марфалогія плёнкі, пакрытай на адным вугляродным адтуліне сеткі ПЭМ. Монаслаёвы графен ахоплівае большую частку сеткі, і з'яўляюцца некаторыя графенавыя лускавінкі ў прысутнасці некалькіх стосаў шасцікутных кольцаў (мал. 1B). Пры павелічэнні асобнага скрутка (мал. 1C) мы назіралі вялікую колькасць графенавых рашоткавых палос з міжкратнай адлегласцю рашоткі ў дыяпазоне ад 0,34 да 0,41 нм. Гэтыя вымярэнні сведчаць аб тым, што лускавінкі згорнутыя выпадковым чынам і не з'яўляюцца ідэальным графітам, які мае міжкратную адлегласць 0,34 нм пры кладцы слаёў «ABAB». На малюнку 1D паказаны спектр EEL вугляроду K-краю, дзе пік пры 285 эВ паходзіць з π*-арбіталі, а другі каля 290 эВ абумоўлены пераходам σ*-арбіталі. Відаць, што ў гэтай структуры дамінуе sp2-сувязь, што пацвярджае высокую графітавасць скруткаў.
Здымкі аптычнай мікраскапіі і атамна-сілавай мікраскапіі (АСМ) даюць уяўленне аб размеркаванні нанаскруткаў графена ў MGG (мал. 1, E-G, і мал. S1 і S2). Скруткі размеркаваны па паверхні выпадковым чынам, і іх шчыльнасць у плоскасці павялічваецца прапарцыйна колькасці складзеных слаёў. Многія скруткі заблытаныя ў вузлы і маюць неаднастайную вышыню ў дыяпазоне ад 10 да 100 нм. Яны маюць даўжыню ад 1 да 20 мкм і шырыню ад 0,1 да 1 мкм, у залежнасці ад памераў іх пачатковых графенавых лускавінак. Як паказана на мал. 1 (H і I), скруткі маюць значна большыя памеры, чым маршчыны, што прыводзіць да значна больш шурпатай паверхні паміж пластамі графена.
Для вымярэння электрычных уласцівасцей мы сфармавалі малюнкі графена са скруткавымі структурамі або без іх і ўкладвалі пласты ў палоскі шырынёй 300 мкм і даўжынёй 2000 мкм з дапамогай фоталітаграфіі. Супраціўленне двух зондаў у залежнасці ад дэфармацыі вымяралася ў навакольных умовах. Прысутнасць скруткаў знізіла супраціўленне монаслаёвага графена на 80% пры зніжэнні 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 простых графенаў і MGG трохслаёвы MGG мае найлепшую праводнасць з празрыстасцю амаль 90%. Для параўнання з іншымі крыніцамі графена, апісанымі ў літаратуры, мы таксама вымералі супраціўленне чатырохзондавых пластоў (мал. S5) і пералічылі яго ў залежнасці ад прапускання пры 550 нм (мал. S6) на мал. 2A. МГГ паказвае параўнальную або вышэйшую праводнасць і празрыстасць, чым штучна складзены шматслаёвы просты графен і адноўлены аксід графену (RGO) (6, 8, 18). Звярніце ўвагу, што супраціўленне пластоў штучна складзенага шматслаёвага простага графену з літаратуры крыху вышэйшае, чым у нашага МГГ, верагодна, з-за неаптымізаваных умоў росту і метаду пераносу.
(A) Супраціўленне чатырохзондавых пластоў у залежнасці ад прапускання пры 550 нм для некалькіх тыпаў графена, дзе чорныя квадраты абазначаюць мона-, двух- і трохслаёвыя MGG; чырвоныя кругі і сінія трохвугольнікі адпавядаюць шматслаёваму простаму графену, вырашчанаму на Cu і Ni з даследаванняў Лі і інш. (6) і Кіма і інш. (8) адпаведна, а затым перанесенаму на SiO2/Si або кварц; а зялёныя трохвугольнікі - гэта значэнні для RGO пры розных ступенях аднаўлення з даследавання Банаккорса і інш. (18). (B і C) Нармалізаванае змяненне супраціўлення мона-, двух- і трохслаёвых MGG і G у залежнасці ад перпендыкулярнай (B) і паралельнай (C) дэфармацыі да кірунку працякання току. (D) Нармалізаванае змяненне супраціўлення двухслаёвага G (чырвоны) і MGG (чорны) пры цыклічнай дэфармацыйнай нагрузцы да 50% перпендыкулярнай дэфармацыі. (E) Нармалізаванае змяненне супраціўлення трохслаёвага 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 у залежнасці ад дэфармацыі. Устаўка паказвае структуру кандэнсатара, дзе палімерная падкладка — SEBS, а палімерны дыэлектрычны пласт — SEBS таўшчынёй 2 мкм.
Каб ацаніць залежнасць прадукцыйнасці MGG ад дэфармацыі, мы перанеслі графен на падкладкі з тэрмапластычнага эластамера стырол-этылен-бутадыен-стыролу (SEBS) (шырынёй ~2 см і даўжынёй ~5 см), і праводнасць вымяралася пры расцяжэнні падкладкі (гл. Матэрыялы і метады) як перпендыкулярна, так і паралельна кірунку току (мал. 2, B і C). Электрычныя ўласцівасці ў залежнасці ад дэфармацыі палепшыліся з даданнем нанаскруткаў і павелічэннем колькасці слаёў графена. Напрыклад, калі дэфармацыя перпендыкулярная току, для монаслаёвага графена даданне скруткаў павялічвала дэфармацыю пры электрычным разрыве з 5 да 70%. Талерантнасць трохслаёвага графена да дэфармацыі таксама значна паляпшаецца ў параўнанні з монаслаёвым графенам. З нанаскруткамі пры 100% перпендыкулярнай дэфармацыі супраціўленне трохслаёвай структуры MGG павялічылася толькі на 50% у параўнанні з 300% для трохслаёвага графена без скруткаў. Было даследавана змяненне супраціўлення пры цыклічнай дэфармацыйнай нагрузцы. Для параўнання (мал. 2D), супраціўленне простай двухслаёвай графенавай плёнкі павялічылася прыкладна ў 7,5 разоў пасля ~700 цыклаў пры 50% перпендыкулярнай дэфармацыі і працягвала павялічвацца з дэфармацыяй у кожным цыкле. З іншага боку, супраціўленне двухслаёвага MGG павялічылася толькі прыкладна ў 2,5 разы пасля ~700 цыклаў. Пры ўжыванні дэфармацыі да 90% уздоўж паралельнага кірунку супраціўленне трохслаёвага графена павялічылася ~100 разоў пасля 1000 цыклаў, тады як у трохслаёвага MGG яно павялічылася толькі ~8 разоў (мал. 2E). Вынікі цыклавання паказаны на мал. S7. Адносна хутчэйшае павелічэнне супраціву ўздоўж паралельнага кірунку дэфармацыі звязана з тым, што арыентацыя расколін перпендыкулярная кірунку працякання току. Адхіленне супраціву падчас дэфармацыі пры нагрузцы і разгрузцы звязана з глейкапругкім аднаўленнем эластамернай падложкі SEBS. Больш стабільнае супраціўленне палос MGG падчас цыклавання звязана з наяўнасцю вялікіх скруткаў, якія могуць перакрываць трэшчыны ў графене (як назіралася з дапамогай АСМ), дапамагаючы падтрымліваць шлях прасочвання. Гэтая з'ява падтрымання праводнасці шляхам прасочвання ўжо была апісана раней для трэснутых металічных або паўправадніковых плёнак на эластамерных падкладках (40, 41).
Каб ацаніць гэтыя плёнкі на аснове графена ў якасці затворных электродаў у расцяжных прыладах, мы пакрылі пласт графена дыэлектрычным пластом SEBS (таўшчынёй 2 мкм) і кантралявалі змяненне дыэлектрычнай ёмістасці ў залежнасці ад дэфармацыі (падрабязнасці гл. на мал. 2F і ў дадатковых матэрыялах). Мы назіралі, што ёмістасці з простымі монаслаёвымі і двухслаёвымі графенавымі электродамі хутка змяншаліся з-за страты плоскаснай праводнасці графена. Наадварот, ёмістасці, заснаваныя на MGG, а таксама просты трохслаёвы графен, паказалі павелічэнне ёмістасці з дэфармацыяй, што чакалася з-за памяншэння таўшчыні дыэлектрыка з дэфармацыяй. Чаканае павелічэнне ёмістасці вельмі добра адпавядала структуры MGG (мал. S8). Гэта сведчыць аб тым, што MGG падыходзіць у якасці затворнага электрода для расцяжных транзістараў.
Каб далей даследаваць ролю аднамернага графенавага скрутка на талерантнасць да дэфармацыі электраправоднасці і лепш кантраляваць падзел паміж пластамі графена, мы выкарысталі нанесеныя распыленнем вугляродныя нанатрубкі для замены графенавых скруткаў (гл. Дадатковыя матэрыялы). Каб імітаваць структуры MGG, мы нанеслі тры шчыльнасці вугляродных нанатрубак (гэта значыць CNT1
(А—С) АСМ-выявы трох вугляродных наначасціц рознай шчыльнасці (ВНТ1
Каб лепш зразумець іх магчымасці ў якасці электродаў для расцяжной электронікі, мы сістэматычна даследавалі марфалогію MGG і G-CNT-G пад напружаннем. Аптычная мікраскапія і сканіруючая электронная мікраскапія (SEM) не з'яўляюцца эфектыўнымі метадамі характарызацыі, паколькі ў абедзвюх выпадках адсутнічае каляровы кантраст, а SEM схільная да артэфактаў выявы падчас электроннага сканавання, калі графен знаходзіцца на палімерных падкладках (мал. S9 і S10). Каб назіраць in situ паверхню графена пад напружаннем, 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 у CVD-графене і знешніх пашкоджанняў падчас працэсу пераносу на напружаным графене непазбежна ўтвараюцца расколіны, і з павелічэннем дэфармацыі расколіны становяцца больш шчыльнымі (мал. 4, ад A да D). У залежнасці ад структуры кладкі вугляродных электродаў, расколіны праяўляюць розную марфалогію (мал. S11) (27). Шчыльнасць плошчы расколін (вызначаная як плошча расколіны/прааналізаваная плошча) шматслаёвага графена меншая, чым у монаслаёвага графена пасля дэфармацыі, што адпавядае павелічэнню электраправоднасці для MGG. З іншага боку, часта назіраюцца скруткі, якія перакрываюць расколіны, забяспечваючы дадатковыя праводзячыя шляхі ў дэфармаванай плёнцы. Напрыклад, як паказана на малюнку 4B, шырокі скрутак перасякаў расколіну ў трохслаёвым MGG, але ў простым графене скрутак не назіраўся (мал. 4, E-H). Падобным чынам, вугляродныя нанатрубкі таксама перакрывалі расколіны ў графене (мал. S11). Шчыльнасць плошчы расколін, шчыльнасць плошчы скруткаў і шурпатасць плёнак прыведзены на мал. 4K.
(А - Н) Выявы АСМ in situ трохслаёвых скруткаў G/G (А - D) і трохслаёвых структур G (Е - Н) на вельмі тонкім эластамеры SEBS (таўшчынёй ~0,1 мм) пры дэфармацыі 0, 20, 60 і 100%. Тыповыя расколіны і скруткі пазначаны стрэлкамі. Усе выявы АСМ знаходзяцца ў вобласці 15 мкм × 15 мкм, з выкарыстаннем той жа каляровай шкалы, што і пазначана. (I) Мадэляванне геаметрыі ўзорчатых монаслаёвых графенавых электродаў на падкладцы SEBS. (J) Мадэляванне контурнай карты максімальнай галоўнай лагарыфмічнай дэфармацыі ў монаслаёвым графене і падкладцы SEBS пры знешняй дэфармацыі 20%. (K) Параўнанне шчыльнасці плошчы расколін (чырвоны слупок), шчыльнасці плошчы скруткаў (жоўты слупок) і шурпатасці паверхні (сіні слупок) для розных структур графена.
Пры расцяжэнні плёнак MGG існуе важны дадатковы механізм, з дапамогай якога скруткі могуць перакрываць трэшчыны ў графене, падтрымліваючы перкаляцыйную сетку. Графенавыя скруткі перспектыўныя, таму што яны могуць мець даўжыню ў дзясяткі мікраметраў і, такім чынам, здольныя перакрываць расколіны, якія звычайна дасягаюць мікраметра. Акрамя таго, паколькі скруткі складаюцца з шматслаёвага графена, чакаецца, што яны будуць мець нізкае супраціўленне. Для параўнання, для забеспячэння параўнальнай праводнасці перамычак патрабуюцца адносна шчыльныя (з меншым каэфіцыентам прапускання) сеткі з вугляродных нанапруткаў, паколькі вугляродныя нанапруткі меншыя (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 прыстасавацца да дэфармацыі, скруткі не трэскаюцца, што сведчыць аб тым, што апошнія могуць слізгаць па графене, які ляжыць пад імі. Прычына таго, што яны не трэскаюцца, верагодна, звязана са згорнутай структурай, якая складаецца з многіх слаёў графена (даўжынёй ~1-20 мкм, шырынёй ~0,1-1 мкм і вышынёй ~10-100 нм), які мае больш высокі эфектыўны модуль пругкасці, чым аднаслаёвы графен. Як паведамляюць Грын і Херсам (42), металічныя сеткі з вугляродных нанатрубак (дыяметр трубкі 1,0 нм) могуць дасягнуць нізкага супраціўлення ліста <100 Ом/кв.м, нягледзячы на вялікае супраціўленне пераходу паміж вугляроднымі нанатрубкамі. Улічваючы, што нашы графенавыя скруткі маюць шырыню ад 0,1 да 1 мкм і што скруткі G/G маюць значна большую плошчу кантакту, чым вугляродныя нанатрубкі, супраціўленне кантакту і плошча кантакту паміж графенам і графенавымі скруткамі не павінны быць абмяжоўваючымі фактарамі для падтрымання высокай праводнасці.
Графен мае значна вышэйшы модуль пругкасці, чым падкладка SEBS. Нягледзячы на тое, што эфектыўная таўшчыня графенавага электрода значна меншая за таўшчыню падкладкі, калянасць графена, памножаная на яго таўшчыню, параўнальная з калянасцю падкладкі (43, 44), што прыводзіць да ўмеранага эфекту жорсткага астраўка. Мы мадэлявалі дэфармацыю графена таўшчынёй 1 нм на падкладцы SEBS (падрабязнасці гл. у дадатковых матэрыялах). Згодна з вынікамі мадэлявання, калі да падкладкі SEBS звонку прыкладаецца 20% дэфармацыя, сярэдняя дэфармацыя ў графене складае ~6,6% (мал. 4J і мал. S13D), што адпавядае эксперыментальным назіранням (гл. мал. S13). Мы параўналі дэфармацыю ў абласцях графена з малюнкам і падкладкі з дапамогай аптычнай мікраскапіі і выявілі, што дэфармацыя ў вобласці падкладкі прынамсі ўдвая перавышае дэфармацыю ў вобласці графена. Гэта сведчыць аб тым, што дэфармацыя, прыкладзеная да малюнкаў графенавага электрода, можа быць значна абмежаваная, утвараючы жорсткія астраўкі графена на паверхні SEBS (26, 43, 44).
Такім чынам, здольнасць электродаў MGG падтрымліваць высокую праводнасць пры высокім напружанні, верагодна, забяспечваецца двума асноўнымі механізмамі: (i) скруткі могуць злучаць раз'яднаныя вобласці, падтрымліваючы шлях праводнасці, і (ii) шматслаёвыя графенавыя лісты/эластамер могуць слізгаць адзін па адным, што прыводзіць да зніжэння напружання на графенавыя электроды. Пры некалькіх пластах графена, перанесеных на эластамер, пласты не моцна злучаны адзін з адным, што можа слізгаць у адказ на напружанне (27). Скруткі таксама павялічылі шурпатасць графенавых слаёў, што можа дапамагчы павялічыць адлегласць паміж імі і, такім чынам, дазволіць слізгаць графенавым слаям.
Цалкам вугляродныя прылады карыстаюцца энтузіязмам 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/сток, сартаванага паўправадніка з вугляродных нанотрубак і SEBS у якасці дыэлектрыка (мал. 5A). Як паказана на мал. 5B, цалкам вугляродная прылада з вугляроднымі нанотрубкамі ў якасці крыніцы/стоку і затвора (ніжняя прылада) больш непразрыстая, чым прылада з графенавымі электродамі (верхняя прылада). Гэта звязана з тым, што сеткі з вугляроднымі нанотрубкамі патрабуюць большай таўшчыні і, адпаведна, меншага аптычнага прапускання для дасягнення супраціўлення пластоў, падобнага да супраціўлення графена (мал. S4). На малюнку 5 (C і D) паказаны тыповыя крывыя перадачы і выхаду да дэфармацыі для транзістара, вырабленага з двухслаёвымі MGG-электродамі. Шырыня і даўжыня канала недэфармаванага транзістара складалі 800 і 100 мкм адпаведна. Вымераны каэфіцыент уключэння/выключэння большы за 103 пры токах уключэння і выключэння на ўзроўнях 10⁻⁶ і 10⁻⁶ А адпаведна. Выхадная крывая дэманструе ідэальныя лінейныя рэжымы і рэжым насычэння з выразнай залежнасцю ад напружання на затворе, што сведчыць аб ідэальным кантакце паміж вугляроднымі нанатрастамі (CNT) і графенавымі электродамі (45). Кантактнае супраціўленне з графенавымі электродамі аказалася ніжэйшым, чым з выпарванай плёнкай золата (гл. мал. S14). Рухомасць насычэння расцяжнога транзістара складае каля 5,6 см²/Вс, што падобна да рухомасці тых жа палімерна-сартаваных CNT-транзістараў на цвёрдых крэмніевых падкладках з 300-нм SiO2 у якасці дыэлектрычнага пласта. Далейшае паляпшэнне рухомасці магчыма пры аптымізаванай шчыльнасці трубак і іншых тыпах трубак (46).
(A) Схема расцяжнога транзістара на аснове графена. SWNT, аднаслаёвыя вугляродныя нанатрубкі. (B) Фота расцяжных транзістараў, вырабленых з графенавых электродаў (уверсе) і вугляродных нанатрубак (унізе). Розніца ў празрыстасці добра бачная. (C і D) Крывыя перадачы і выхаду графенавага транзістара на аснове SEBS перад дэфармацыяй. (E і F) Крывыя перадачы, ток уключэння і выключэння, каэфіцыент уключэння/выключэння і рухомасць графенавага транзістара пры розных дэфармацыях.
Калі празрыстая прылада, зробленая цалкам з вугляроду, расцягвалася ў кірунку, паралельным кірунку пераносу зарада, назіралася мінімальная дэградацыя да 120% дэфармацыі. Падчас расцяжэння рухомасць пастаянна змяншалася з 5,6 см²/Вс пры 0% дэфармацыі да 2,5 см²/Вс пры 120% дэфармацыі (мал. 5F). Мы таксама параўналі прадукцыйнасць транзістараў для розных даўжынь канала (гл. табліцу S1). Прыкметна, што пры дэфармацыі да 105% усе гэтыя транзістары ўсё яшчэ дэманстравалі высокі каэфіцыент уключэння/выключэння (>10³) і рухомасць (>3 см²/Вс). Акрамя таго, мы абагульнілі ўсе нядаўнія працы па цалкам вугляродных транзістарах (гл. табліцу S2) (47–52). Дзякуючы аптымізацыі вырабу прылад на эластамерах і выкарыстанню MGG у якасці кантактаў, нашы цалкам вугляродныя транзістары дэманструюць добрыя характарыстыкі з пункту гледжання рухомасці і гістэрэзісу, а таксама высокую расцяжнасць.
У якасці прымянення цалкам празрыстага і расцяжнога транзістара мы выкарысталі яго для кіравання пераключэннем святлодыёдаў (мал. 6A). Як паказана на мал. 6B, зялёны святлодыёд выразна бачны праз расцяжную цалкам вугляродную прыладу, размешчаную непасрэдна над ёй. Пры расцяжэнні да ~100% (мал. 6, C і D) інтэнсіўнасць святла святлодыёда не змяняецца, што адпавядае апісаным вышэй характарыстыкам транзістара (гл. відэа S1). Гэта першы даклад аб расцяжных блоках кіравання, вырабленых з выкарыстаннем графенавых электродаў, які дэманструе новыя магчымасці для расцяжной графенавай электронікі.
(A) Схема транзістара для кіравання святлодыёдам. GND, зямля. (B) Фотаздымак расцяжнога і празрыстага цалкам вугляроднага транзістара пры 0% дэфармацыі, усталяванага над зялёным святлодыёдам. (C) Цалкам вугляродны празрысты і расцяжны транзістар, які выкарыстоўваецца для пераключэння святлодыёда, усталёўваецца над святлодыёдам пры 0% (злева) і ~100% дэфармацыі (справа). Белыя стрэлкі паказваюць жоўтыя маркеры на прыладзе, каб паказаць змяненне адлегласці пры расцяжэнні. (D) Выгляд збоку расцягнутага транзістара, са святлодыёдам, уціснутым у эластамер.
У заключэнне, мы распрацавалі празрыстую праводную структуру графена, якая падтрымлівае высокую праводнасць пры вялікіх дэфармацыях у якасці расцяжных электродаў, дзякуючы графенавым нанаскруткам паміж складзенымі пластамі графена. Гэтыя двух- і трохслаёвыя структуры электродаў MGG на эластамеры могуць падтрымліваць 21 і 65% адпаведна ад сваёй 0% праводнасці пры дэфармацыі да 100%, у параўнанні з поўнай стратай праводнасці пры 5% дэфармацыі для тыповых монаслаёвых графенавых электродаў. Дадатковыя праводныя шляхі графенавых скруткаў, а таксама слабае ўзаемадзеянне паміж перанесенымі пластамі спрыяюць найвышэйшай стабільнасці праводнасці пры дэфармацыі. Далей мы ўжылі гэту структуру графена для вырабу цалкам вугляродных расцяжных транзістараў. Пакуль што гэта самы расцяжны транзістар на аснове графена з найлепшай празрыстасцю без выкарыстання выгібу. Нягледзячы на тое, што дадзенае даследаванне было праведзена для таго, каб выкарыстоўваць графен для расцяжной электронікі, мы лічым, што гэты падыход можна распаўсюдзіць на іншыя 2D-матэрыялы для стварэння расцяжной 2D-электронікі.
Графен вялікай плошчы, атрыманы метадам хімічнага осаду (CVD), быў вырашчаны на падвешаных медных фальгах (99,999%; Alfa Aesar) пад пастаянным ціскам 0,5 мТор з выкарыстаннем 50–SCCM (стандартных кубічных сантыметраў у хвіліну) CH4 і 20–SCCM H2 у якасці папярэднікаў пры тэмпературы 1000°C. Абодва бакі меднай фальгі былі пакрытыя монаслаёвым графенам. Тонкі пласт PMMA (2000 аб/мін; A4, Microchem) быў нанесены метадам ацынкаванага ацынкаванага ... Пасля гэтага плёнкі некалькі разоў прамывалі ў дэіянізаванай вадзе і клалі на мэтавую падкладку, такую як цвёрдая SiO2/Si або пластыкавая падкладка. Як толькі прымацаваная плёнка высахла на падкладцы, узор паслядоўна замочвалі ў ацэтоне, ацэтоне/IPA (ізапрапілавым спірце) у суадносінах 1:1 і IPA на працягу 30 секунд для выдалення PMMA. Плёнкі награвалі пры тэмпературы 100°C на працягу 15 хвілін або вытрымлівалі ў вакууме на працягу ночы, каб цалкам выдаліць затрыманую ваду, перш чым на іх пераносілі чарговы пласт скрутка G/G. Гэты крок быў прызначаны для таго, каб пазбегнуць аддзялення графенавай плёнкі ад падкладкі і забяспечыць поўнае пакрыццё MGG падчас вызвалення пласта-носьбіта PMMA.
Марфалогія структуры MGG назіралася з дапамогай аптычнага мікраскопа (Leica) і сканіруючага электроннага мікраскопа (1 кВ; FEI). Атамна-сілавы мікраскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) працаваў у рэжыме націскання для назірання за дэталямі G-скруткаў. Празрыстасць плёнкі правяралася з дапамогай ультрафіялетава-бачнага спектрометра (Agilent Cary 6000i). Для выпрабаванняў, калі дэфармацыя ішла ўздоўж перпендыкулярнага кірунку працякання току, выкарыстоўваліся фоталітаграфія і плазма O2 для фарміравання графенавых структур у палоскі (шырынёй ~300 мкм і даўжынёй ~2000 мкм), а электроды Au (50 нм) былі тэрмічна нанесены з выкарыстаннем ценявых масак на абодвух канцах доўгага боку. Затым графенавыя палоскі кантактавалі з эластамерам SEBS (шырынёй ~2 см і даўжынёй ~5 см), прычым доўгая вось палосак была паралельная кароткаму боку SEBS, а затым выкарыстоўвалася травленне BOE (буферным аксідным травленнем) (HF:H2O 1:6) і эўтэктычны галій-індый (EGaIn) у якасці электрычных кантактаў. Для паралельных выпрабаванняў на дэфармацыю неўзорчатыя графенавыя структуры (~5 × 10 мм) былі перанесены на падложкі SEBS, прычым доўгія восі былі паралельныя доўгаму боку падложкі SEBS. У абодвух выпадках увесь G (без скруткаў G)/SEBS быў расцягнуты ўздоўж доўгага боку эластамеру ў ручным апараце, і in situ мы вымералі змены іх супраціву пад дэфармацыяй на зондавай станцыі з дапамогай паўправадніковага аналізатара (Keithley 4200-SCS).
Высокарасцяжныя і празрыстыя цалкам вугляродныя транзістары на эластычнай падкладцы былі выраблены з выкарыстаннем наступных працэдур, каб пазбегнуць пашкоджання палімернага дыэлектрыка і падкладкі арганічнымі растваральнікамі. Структуры MGG былі перанесены на SEBS у якасці затворных электродаў. Для атрымання аднастайнага тонкаплёнкавага палімернага дыэлектрычнага пласта (таўшчынёй 2 мкм) раствор SEBS у талуоле (80 мг/мл) быў нанесены метадам ацынкавання на мадыфікаваную актадэцылтрыхлорсіланам (OTS) падкладку SiO2/Si пры 1000 абаротаў у хвіліну на працягу 1 хвіліны. Тонкая дыэлектрычная плёнка можа быць лёгка перанесена з гідрафобнай паверхні OTS на падкладку SEBS, пакрытую падрыхтаваным графенам. Кандэнсатар можна было вырабіць, нанёсшы верхні электрод з вадкага металу (EGaIn; Sigma-Aldrich) для вызначэння ёмістасці ў залежнасці ад дэфармацыі з дапамогай LCR-метра (індуктыўнасць, ёмістасць, супраціўленне) (Agilent). Іншая частка транзістара складалася з палімерна-сартаваных паўправадніковых вугляродных нанатрубак, выконваючы працэдуры, апісаныя раней (53). Электроды вытоку/стоку з малюнкам былі выраблены на цвёрдых падкладках SiO2/Si. Пасля гэтага дзве часткі, дыэлектрык/G/SEBS і вугляродныя нанатрубкі/узорчаты G/SiO2/Si, былі ламінаваныя адна з адной і прасякнуты BOE для выдалення цвёрдай падложкі SiO2/Si. Такім чынам, былі выраблены цалкам празрыстыя і расцяжныя транзістары. Электрычныя выпрабаванні пад напружаннем былі праведзены на ўсталёўцы для ручнога расцяжэння, як апісана вышэй.
Дадатковыя матэрыялы да гэтага артыкула даступныя па адрасе http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
мал. S1. Здымкі монаслаёвага MGG на падкладках SiO2/Si, атрыманыя з дапамогай аптычнай мікраскапіі, пры розных павелічэннях.
мал. S4. Параўнанне супраціўленняў і прапускання двухзондавых пластоў пры 550 нм мона-, двух- і трохслаёвага гладкага графена (чорныя квадраты), MGG (чырвоныя кругі) і вугляродных нанацтваў (сіні трохкутнік).
мал. S7. Нармалізаванае змяненне супраціву мона- і двухслаёвых MGG (чорны) і G (чырвоны) пры цыклічнай дэфармацыі ~1000 да 40% і 90% паралельнай дэфармацыі адпаведна.
мал. S10. SEM-выява трохслаёвага MGG на эластамеры SEBS пасля дэфармацыі, якое паказвае доўгі скрутак, які перасякае некалькі расколін.
мал. S12. АСМ-выява трохслаёвага MGG на вельмі тонкім эластамеры SEBS пры 20% дэфармацыі, якое паказвае, што скрутак перасякаў расколіну.
Табліца S1. Рухомасць двухслаёвых транзістараў MGG–аднаслаёвыя вугляродныя нанатрубкі пры рознай даўжыні канала да і пасля дэфармацыі.
Гэты артыкул знаходзіцца ў адкрытым доступе і распаўсюджваецца ў адпаведнасці з умовамі ліцэнзіі Creative Commons Attribution-NonCommercial, якая дазваляе выкарыстанне, распаўсюджванне і прайграванне на любым носьбіце, пакуль выніковае выкарыстанне не мае камерцыйнай выгады і пры ўмове належнай цытацыі арыгінальнай працы.
ЗАЎВАГА: Мы просім ваш адрас электроннай пошты толькі для таго, каб чалавек, якому вы рэкамендуеце старонку, ведаў, што вы хацелі, каб ён яе ўбачыў, і што гэта не непажаданая пошта. Мы не фіксуем ніякіх адрасоў электроннай пошты.
Гэтае пытанне задаецца для праверкі таго, ці з'яўляецеся вы чалавекам, 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.