Bahan rong dimensi, kayata graphene, menarik kanggo aplikasi semikonduktor konvensional lan aplikasi anyar ing elektronik fleksibel.Nanging, kekuatan tarik dhuwur saka graphene nyebabake fraktur ing galur sing kurang, dadi angel kanggo njupuk kauntungan saka sifat elektronik sing luar biasa ing elektronik sing bisa diregang.Kanggo ngaktifake kinerja gumantung galur banget konduktor graphene transparent, kita nggawe graphene nanoscrolls ing antarane lapisan graphene dibandhingke, diarani minangka multilayer graphene / graphene nggulung (MGGs).Ing galur, sawetara gulungan nyepetake domain graphene sing pecah-pecah kanggo njaga jaringan percolating sing ngaktifake konduktivitas sing apik ing galur dhuwur.MGG trilayer sing didhukung ing elastomer nahan 65% konduktansi asli ing galur 100%, sing tegak lurus karo arah aliran saiki, dene film trilayer graphene tanpa nanoscroll mung nahan 25% konduktansi wiwitan.Transistor kabeh-karbon sing bisa ditarik kanthi nggunakake MGG minangka elektrods nuduhake transmisi> 90% lan nahan 60% saka output saiki asli ing galur 120% (sejajar karo arah transportasi muatan).Transistor kabeh-karbon sing bisa luwes lan transparan iki bisa ngaktifake optoelektronik stretchable sing canggih.
Elektronik transparan Stretchable minangka lapangan berkembang sing nduweni aplikasi penting ing sistem biointegrasi canggih (1, 2) uga potensial kanggo nggabungake karo optoelektronik sing bisa diregang (3, 4) kanggo ngasilake robotika alus lan tampilan sing canggih.Graphene nuduhake sifat sing dikarepake kanthi kekandelan atom, transparansi dhuwur, lan konduktivitas dhuwur, nanging implementasine ing aplikasi sing bisa ditarik wis dicegah amarga cenderung retak ing galur cilik.Ngatasi watesan mekanis graphene bisa ngaktifake fungsi anyar ing piranti transparan sing bisa ditarik.
Sifat unik graphene ndadekake calon kuat kanggo elektroda konduktif transparan generasi sabanjure (5, 6).Dibandhingake karo konduktor transparan sing paling umum digunakake, indium timah oksida [ITO;100 ohm / kothak (sq) ing 90% transparan ], monolayer graphene thukul dening kimia wap deposition (CVD) wis kombinasi padha saka resistance sheet (125 ohms / sq) lan transparan (97,4%) (5).Kajaba iku, film graphene nduweni keluwesan sing luar biasa dibandhingake karo ITO (7).Contone, ing substrat plastik, konduktansi kasebut bisa ditahan sanajan radius lengkungan lengkungan cilik nganti 0,8 mm (8).Kanggo luwih ningkatake kinerja listrik minangka konduktor fleksibel transparan, karya sadurunge wis ngembangake bahan hibrida graphene kanthi kawat nano perak siji dimensi (1D) utawa nanotube karbon (CNTs) (9-11).Kajaba iku, graphene wis digunakake minangka elektroda kanggo semikonduktor heterostructural dimensi campuran (kayata massal 2D Si, 1D nanowires/nanotubes, lan titik kuantum 0D ) (12), transistor fleksibel, sel surya, lan dioda pemancar cahya (LED) (13). –23).
Senajan graphene wis nuduhake asil janjeni kanggo elektronik fleksibel, aplikasi ing electronics stretchable wis diwatesi dening mechanical sawijining (17, 24, 25);graphene nduweni kaku ing bidang 340 N/m lan modulus Young 0,5 TPa (26).Jaringan karbon-karbon sing kuwat ora nyedhiyakake mekanisme pambuangan energi kanggo regangan sing ditrapake lan mulane gampang retak ing regangan kurang saka 5%.Contone, graphene CVD sing ditransfer menyang substrat elastis polydimethylsiloxane (PDMS) mung bisa njaga konduktivitas kurang saka 6% galur (8).Petungan teori nuduhake yen crumpling lan interplay antarane lapisan beda kudu banget nyuda kaku (26).Kanthi numpuk graphene dadi pirang-pirang lapisan, dilaporake manawa graphene bi- utawa trilayer iki bisa diregang nganti 30% galur, nuduhake owah-owahan resistensi 13 kaping luwih cilik tinimbang graphene monolayer (27).Nanging, stretchability iki isih luwih cendhek tinimbang onduktor c stretchable (28, 29).
Transistor penting ing aplikasi stretchable amarga bisa maca sensor canggih lan analisis sinyal (30, 31).Transistor ing PDMS kanthi graphene multilayer minangka elektroda sumber / saluran lan materi saluran bisa njaga fungsi listrik nganti 5% galur (32), sing Ngartekno ngisor nilai minimal sing dibutuhake (~ 50%) kanggo sensor pemantauan kesehatan sing bisa dipakai lan kulit elektronik ( 33, 34).Bubar, pendekatan graphene kirigami wis ditliti, lan transistor sing ditutupi elektrolit cair bisa digawe dowo nganti 240% (35).Nanging, cara iki mbutuhake graphene sing digantung, sing nggawe rumit proses fabrikasi.
Ing kene, kita entuk piranti graphene sing bisa ditarik kanthi interkalasi gulungan graphene (~ 1 nganti 20 μm dawa, ~ 0.1 nganti 1 μm, lan ~ 10 nganti 100 nm dhuwur) ing antarane lapisan graphene.Kita hipotesis manawa gulungan graphene iki bisa nyedhiyakake jalur konduktif kanggo nyepetake retakan ing lembaran graphene, saéngga njaga konduktivitas dhuwur ing galur.Gulungan graphene ora mbutuhake sintesis utawa proses tambahan;lagi alamiah kawangun sak prosedur transfer udan.Kanthi nggunakake multilayer G / G (graphene / graphene) nggulung (MGGs) graphene elektroda stretchable (sumber / saluran lan gapura) lan semikonduktor CNTs, kita bisa nduduhake Transistor kabeh-karbon transparan lan Highly stretchable, kang bisa digawe dowo kanggo 120 % galur (sejajar karo arah transportasi muatan) lan nahan 60% saka output saiki asli.Iki minangka transistor basis karbon transparan sing paling fleksibel nganti saiki, lan nyedhiyakake arus sing cukup kanggo nyopir LED anorganik.
Kanggo ngaktifake elektroda graphene sing bisa digulung kanthi transparan, kita milih graphene sing ditanam CVD ing foil Cu.Foil Cu digantung ing tengah tabung kuarsa CVD kanggo ngidini pertumbuhan graphene ing loro-lorone, mbentuk struktur G / Cu / G.Kanggo nransfer graphene, kita pisanan dilapisi lapisan poli (metil metakrilat) (PMMA) sing tipis kanggo nglindhungi sisih siji graphene, sing dijenengi topside graphene (kosok baline kanggo sisih liyane graphene), lan sabanjure, kabeh film (PMMA / graphene ndhuwur / Cu / graphene ngisor) direndhem ing (NH4) 2S2O8 solusi kanggo etch adoh Cu foil.Grafene sisih ngisor tanpa lapisan PMMA mesthi bakal retak lan cacat sing ngidini etchant bisa nembus (36, 37).Minangka gambaran ing Fig. 1A, ing efek saka tension lumahing, domain graphene dirilis mbalek munggah menyang nggulung lan salajengipun ditempelake menyang isih ndhuwur-G / film PMMA.Gulungan ndhuwur-G / G bisa ditransfer menyang substrat apa wae, kayata SiO2 / Si, kaca, utawa polimer alus.Mbaleni proses transfer kaping pirang-pirang menyang substrat sing padha menehi struktur MGG.
(A) Ilustrasi skematis saka prosedur fabrikasi kanggo MGG minangka elektroda sing bisa ditarik.Sajrone transfer graphene, graphene mburi ing foil Cu dirusak ing wates lan cacat, digulung dadi bentuk sing sewenang-wenang, lan ditempelake kanthi rapet ing film ndhuwur, mbentuk nanoscrolls.Kartun kaping papat nggambarake struktur MGG sing ditumpuk.(B lan C) Karakterisasi TEM kanthi resolusi dhuwur saka MGG monolayer, fokus ing wilayah graphene monolayer (B) lan gulung (C).Inset saka (B) minangka gambar pembesaran rendah sing nuduhake morfologi sakabèhé monolayer MGGs ing kothak TEM.Insets of (C) minangka profil intensitas sing dijupuk ing kothak persegi dowo sing dituduhake ing gambar, ing ngendi jarak antarane bidang atom yaiku 0,34 lan 0,41 nm.(D) Spektrum EEL Karbon K-edge kanthi puncak grafit π* lan σ* sing dilabeli.(E) Gambar AFM bagean saka gulung G / G monolayer kanthi profil dhuwur ing sadawane garis titik kuning.(F kanggo aku) Mikroskopi optik lan gambar AFM s saka trilayer G tanpa (F lan H) lan karo nggulung (G lan aku) ing 300-nm-nglukis SiO2 / substrat Si, mungguh.Gulungan lan kerut perwakilan diwenehi label kanggo nyorot bedane.
Kanggo verifikasi manawa gulungan kasebut minangka graphene sing digulung ing alam, kita nganakake studi mikroskop elektron transmisi resolusi dhuwur (TEM) lan spektroskopi mundhut energi elektron (EEL) ing struktur gulung ndhuwur-G / G monolayer.Gambar 1B nuduhake struktur heksagonal saka graphene monolayer, lan inset minangka morfologi sakabèhé saka film sing ditutupi ing bolongan karbon siji saka kothak TEM.Grafene monolayer mbentang paling kothak, lan sawetara flakes graphene ing ngarsane sawetara tumpukan dering heksagonal katon (Fig. 1B).Kanthi nggedhekake menyang gulungan individu (Fig. 1C), kita mirsani jumlah gedhe saka graphene kisi pinggiran, karo jarak kisi ing sawetara saka 0,34 kanggo 0,41 nm.Pangukuran kasebut nuduhake manawa serpihan kasebut digulung kanthi acak lan dudu grafit sing sampurna, sing duwe jarak kisi 0,34 nm ing tumpukan lapisan "ABAB".Gambar 1D nuduhake spektrum EEL karbon K-edge, ing ngendi puncak ing 285 eV asal saka orbital π* lan siji liyane watara 290 eV amarga transisi orbital σ*.Bisa dideleng manawa ikatan sp2 didominasi ing struktur iki, mbuktekake manawa gulungan kasebut pancen grafis banget.
Gambar mikroskop optik lan mikroskop gaya atom (AFM) menehi wawasan babagan distribusi nanoscroll graphene ing MGG (Fig. 1, E nganti G, lan anjir. S1 lan S2).Gulungan sing acak mbagekke liwat lumahing, lan Kapadhetan ing -pesawat mundhak proporsional kanggo jumlah lapisan dibandhingke.Akeh gulungan sing kusut dadi knot lan nuduhake dhuwur sing ora seragam ing kisaran 10 nganti 100 nm.Dawane 1 nganti 20 μm lan ambane 0,1 nganti 1 μm, gumantung saka ukuran serpihan graphene awal.Minangka ditampilake ing Fig.. 1 (H lan I), gulungan duwe ukuran Ngartekno luwih gedhe tinimbang kisut, anjog kanggo antarmuka akeh rougher antarane lapisan graphene.
Kanggo ngukur sifat listrik, kita nggawe pola film graphene kanthi utawa tanpa struktur gulung lan tumpukan lapisan dadi jalur 300-μm lan dawa 2000-μm kanthi nggunakake fotolitografi.Resistansi loro-probe minangka fungsi saka galur diukur ing kahanan sekitar.Ing ngarsane gulungan suda resistivity kanggo monolayer graphene 80% karo mung 2,2% nyuda ing transmittance (anjir. S4).Iki nandheske yen nanoscrolls, kang duwe Kapadhetan saiki dhuwur nganti 5 × 107 A / cm2 (38, 39), nggawe kontribusi electrical banget positif kanggo MGGs.Ing antarane kabeh mono-, bi-, lan trilayer graphene polos lan MGGs, MGG trilayer nduweni konduktansi paling apik kanthi transparansi meh 90%.Kanggo mbandhingaké karo sumber liyane graphene kacarita ing literatur, kita uga ngukur resistance sheet papat probe (anjir. S5) lan kadhaptar minangka fungsi transmitansi ing 550 nm (anjir. S6) ing Fig. 2A.MGG nuduhake konduktivitas iso dibandhingke utawa luwih lan transparan saka artificially dibandhingke multila yer graphene kosong lan suda graphene oxide (RGO) (6, 8, 18).Elinga yen resistensi lembar graphene polos multilayer sing ditumpuk sacara artifisial saka literatur rada luwih dhuwur tinimbang MGG kita, bisa uga amarga kahanan pertumbuhan lan cara transfer sing ora dioptimalake.
(A) Resistensi lembar papat-probe versus transmitansi ing 550 nm kanggo sawetara jinis graphene, ing ngendi kothak ireng nuduhake MGG mono-, bi-, lan trilayer;bunder abang lan segitiga biru cocog karo graphene kosong multilayer thukul ing Cu lan Ni saka pasinaon Li et al.(6) lan Kim et al.(8), mungguh, lan banjur ditransfer menyang SiO2 / Si utawa kuarsa;lan segi telu ijo minangka nilai kanggo RGO kanthi derajat pengurangan sing beda saka sinau Bonaccorso et al.( 18).(B lan C) Owah-owahan resistance normal saka mono-, bi- lan trilayer MGGs lan G minangka fungsi jejeg (B) lan podo (C) galur kanggo arah aliran saiki.(D) Owah-owahan resistance normal saka bilayer G (abang) lan MGG (ireng) ing galur siklik loading nganti 50% galur jejeg.(E) Owah-owahan resistance normal saka trilayer G (abang) lan MGG (ireng) ing galur cyclic loading nganti 90% galur podo.(F) Normalisasi pangowahan kapasitansi mono-, bi- lan trilayer G lan bi- lan trilayer MGGs minangka functio n galur.Inset yaiku struktur kapasitor, ing ngendi substrat polimer yaiku SEBS lan lapisan dielektrik polimer yaiku SEBS sing kandel 2-μm.
Kanggo ngevaluasi kinerja MGG sing gumantung saka galur, kita nransfer graphene menyang substrat elastomer termoplastik styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~2 cm lebar lan ~ 5 cm dawa), lan konduktivitas diukur nalika substrat digawe dowo. (pirsani Bahan lan Metode) loro jejeg lan podo karo arah aliran saiki (Fig. 2, B lan C).Prilaku listrik sing gumantung saka galur saya apik kanthi nggabungake nanoscrolls lan nambah jumlah lapisan graphene.Contone, nalika galur jejeg aliran saiki, kanggo monolayer graphene, tambahan gulungan nambah galur ing breakage electrical saka 5 kanggo 70%.Toleransi galur saka graphene trilayer uga luwih apik dibandhingake karo graphene monolayer.Kanthi nanoscrolls, ing 100% galur jejeg, resistance saka struktur trilayer MGG mung tambah dening 50%, dibandhingake 300% kanggo trilayer graphene tanpa nggulung.Owah-owahan resistensi ing beban regangan siklik diselidiki.Kanggo mbandhingake (Fig. 2D), resistensi film graphene bilayer kosong tambah udakara 7,5 kaping sawise ~ 700 siklus ing 50% galur jejeg lan terus nambah kanthi galur ing saben siklus.Ing tangan liyane, resistance saka MGG bilayer mung mundhak bab 2.5 kaping sawise ~ 700 siklus.Nglamar nganti 90% galur bebarengan arah podo, resistance saka trilayer graphene tambah ~ 100 kaping sawise 1000 siklus, dene mung ~ 8 kaping ing trilayer MGG (Fig. 2E).Asil cycling ditampilake ing anjir.S7.Tambah luwih cepet ing resistance ing sadawane arah galur paralel amarga orientasi retak jejeg arah aliran saiki.Penyimpangan saka resistance nalika loading lan unloading galur amarga Recovery viscoelastic saka SEBS elastomer substrate.Resistance luwih stabil saka MGG ngudani sak muter amarga ana gulung gedhe sing bisa Bridge bagean retak saka graphene (minangka obse rved dening AFM), mbantu kanggo njaga pathway percolating.Fenomena iki kanggo njaga konduktivitas kanthi jalur percolating wis dilaporake sadurunge kanggo logam retak utawa film semikonduktor ing substrat elastomer (40, 41).
Kanggo ngevaluasi film-film berbasis graphene iki minangka elektroda gerbang ing piranti sing bisa ditarik, kita nutupi lapisan graphene kanthi lapisan dielektrik SEBS (2 μm tebal) lan ngawasi owah-owahan kapasitansi dielektrik minangka fungsi galur (pirsani Fig. 2F lan Bahan Tambahan kanggo rincian).Kita mirsani sing kapasitansi karo monolayer kosong lan elektrods graphene bilayer cepet sudo amarga mundhut saka konduktivitas ing-bidang saka graphene.Ing kontras, kapasitansi gated dening MGGs uga graphene trilayer kosong nuduhake Tambah saka kapasitansi karo galur, kang samesthine amarga abang ing kekandelan dielektrik karo galur.Tambah samesthine ing kapasitansi cocog banget karo struktur MGG (anjir. S8).Iki nuduhake yen MGG cocok minangka elektroda gerbang kanggo transistor stretchable.
Kanggo luwih neliti peran gulungan graphene 1D ing toleransi galur konduktivitas listrik lan luwih ngontrol pemisahan ing antarane lapisan graphene, kita nggunakake CNT sing dilapisi semprotan kanggo ngganti gulungan graphene (pirsani Bahan Tambahan).Kanggo niru struktur MGG, kita setor telung kepadatan CNT (yaiku, CNT1
(A nganti C) Gambar AFM saka telung macem-macem kepadatan CNTs (CNT1
Kanggo luwih ngerti kemampuane minangka elektrods kanggo elektronik sing bisa ditarik, kita kanthi sistematis nyelidiki morfologi MGG lan G-CNT-G ing galur.Mikroskopi optik lan mikroskop elektron scanning (SEM) ora cara karakterisasi efektif amarga loro lack kontras werna lan SEM tundhuk artefak gambar sak scan elektron nalika graphene ing substrat polimer (anjir. S9 lan S10).Kanggo mirsani ing situ lumahing graphene ing galur, kita ngumpulake pangukuran AFM ing MGGs trilayer lan graphene kosong sawise nransfer menyang banget tipis (~ 0,1 mm nglukis) lan substrat SEBS elastis.Amarga cacat intrinsik ing graphene CVD lan karusakan ekstrinsik sajrone proses transfer, retakan mesthi diasilake ing graphene sing disaring, lan kanthi nambah ketegangan, retakan dadi luwih padhet (Gambar 4, A nganti D).Gumantung ing struktur numpuk elektrods adhedhasar karbon, retak nuduhake morfologi beda (anjir. S11) (27).Kapadhetan area retak (ditetepake minangka area retak / area sing dianalisis) graphene multilayer kurang saka graphene monolayer sawise galur, sing konsisten karo kenaikan konduktivitas listrik kanggo MGG.Ing sisih liya, gulungan asring diamati kanggo nyepetake retakan, nyedhiyakake jalur konduktif tambahan ing film sing disaring.Contone, minangka labeled ing gambar 4B, gulung sudhut nyabrang retak ing MGG trilayer, nanging ora gulung diamati ing graphene kosong (Fig. 4, E kanggo H).Kajaba iku, CNTs uga bridged retak ing graphene (anjir. S11).Kapadhetan area retak, Kapadhetan area gulung, lan kekasaran film diringkes ing Fig. 4K.
(A nganti H) Gambar AFM in situ saka gulungan trilayer G/G (A nganti D) lan struktur trilayer G (E nganti H) ing elastomer SEBS (~0,1 mm) sing tipis banget ing 0, 20, 60, lan 100 % galur.Retak perwakilan lan gulungan dituding nganggo panah.Kabeh gambar AFM ana ing area 15 μm × 15 μm, nggunakake garis skala warna sing padha karo label.(I) Geometri simulasi saka elektroda graphene monolayer pola ing substrat SEBS.(J) Peta kontur simulasi saka galur logaritma utama maksimal ing graphene monolayer lan substrat SEBS ing galur eksternal 20%.(K) Perbandingan kerapatan area retak (kolom abang), kerapatan area gulir (kolom kuning), lan kasar permukaan (kolom biru) kanggo struktur graphene sing beda.
Nalika film MGG digawe dowo, ana mekanisme tambahan penting sing nggulung bisa Bridge wilayah retak graphene, njaga jaringan percolating.Gulungan graphene pancen janjeni amarga dawane bisa puluhan mikrometer lan mulane bisa nyepetake retakan sing biasane nganti skala mikrometer.Salajengipun, amarga gulungan kasusun saka multilayers graphene, padha samesthine duwe resistance kurang.Dibandhingake, jaringan CNT sing relatif kandhel (transmitansi ngisor) dibutuhake kanggo nyedhiyakake kemampuan bridging konduktif sing bisa dibandhingake, amarga CNT luwih cilik (biasane sawetara mikrometer dawa) lan kurang konduktif tinimbang gulungan.Ing tangan liyane, minangka ditampilake ing anjir.S12, dene graphene retak sajrone peregangan kanggo nampung galur, gulungan kasebut ora retak, sing nuduhake yen graphene bisa geser ing graphene dhasar.Alesan sing ora retak kemungkinan amarga struktur sing digulung, kasusun saka pirang-pirang lapisan graphene (~ 1 nganti 2 0 μm dawa, ~ 0,1 nganti 1 μm, lan ~ 10 nganti 100 nm dhuwur), sing nduweni modulus efektif sing luwih dhuwur tinimbang graphene lapisan tunggal.Minangka kacarita dening Green lan Hersam (42), jaringan CNT metalik (diameter tabung 1,0 nm) bisa entuk resistance sheet kurang <100 ohms / sq senadyan resistance prapatan gedhe antarane CNTs.Ngelingi manawa gulungan graphene kita duwe jembar 0.1 nganti 1 μm lan gulungan G / G duwe area kontak sing luwih gedhe tinimbang CNT, resistensi kontak lan area kontak antarane gulungan graphene lan graphene ora kudu mbatesi faktor kanggo njaga konduktivitas dhuwur.
Grafene nduweni modulus sing luwih dhuwur tinimbang substrat SEBS.Senadyan kekandelan efektif saka elektroda graphene luwih murah tinimbang saka substrat, kaku saka graphene kaping kekandelan iku iso dibandhingke karo substrat (43, 44), asil ing efek pulo kaku Moderate.Kita simulasi deformasi graphene 1-nm-tebal ing substrat SEBS (pirsani Bahan Tambahan kanggo rincian).Miturut asil simulasi, nalika 20% galur wis Applied menyang substrat SEBS externally, galur rata-rata ing graphene punika ~ 6,6% (Fig. 4J lan anjir. S13D), kang konsisten karo pengamatan eksperimen (pirsani anjir. S13). .Kita mbandhingake galur ing wilayah graphene lan substrat kanthi pola nggunakake mikroskop optik lan nemokake galur ing wilayah substrat paling sethithik kaping pindho galur ing wilayah graphene.Iki nuduhake yen galur sing ditrapake ing pola elektroda graphene bisa diwatesi sacara signifikan, mbentuk pulo kaku graphene ing ndhuwur SEBS (26, 43, 44).
Mulane, kemampuan elektroda MGG kanggo njaga konduktivitas dhuwur ing galur dhuwur kemungkinan diaktifake kanthi rong mekanisme utama: (i) Gulungan bisa nyepetake wilayah sing ora nyambung kanggo njaga jalur perkolasi konduktif, lan (ii) lembaran graphene / elastomer multilayer bisa geser. liwat saben liyane, asil ing suda galur ing elektroda graphene.Kanggo pirang-pirang lapisan graphene sing ditransfer ing elastomer, lapisan kasebut ora bisa digandhengake karo siji liyane, sing bisa geser kanggo nanggepi galur (27).Gulungan kasebut uga nambah kekasaran lapisan graphene, sing bisa nambah pamisahan antarane lapisan graphene lan mulane bisa nggeser lapisan graphene.
Piranti kabeh-karbon diupayakake kanthi semangat amarga biaya sing murah lan throughput sing dhuwur.Ing kasus kita, transistor kabeh-karbon digawe nggunakake gerbang graphene ngisor, sumber graphene ndhuwur / kontak saluran, semikonduktor CNT diurutake, lan SEBS minangka dielektrik (Fig. 5A).Minangka ditampilake ing Fig. 5B, piranti kabeh-karbon karo CNTs minangka sumber / saluran lan gapura (piranti ngisor) luwih opaque saka piranti karo elektrods graphene (piranti ndhuwur).Iki amarga jaringan CNT mbutuhake kekandelan luwih gedhe lan, akibate, transmitans optik ngisor kanggo entuk resistance sheet padha karo graphene (anjir. S4).Figure 5 (C lan D) nuduhake transfer wakil lan kurva output sadurunge galur kanggo transistor digawe karo elektrods MGG bilayer.Jembaré saluran lan dawa transistor sing ora ditetepake yaiku 800 lan 100 μm, masing-masing.Rasio on/off sing diukur luwih gedhe tinimbang 103 kanthi arus on lan off ing level 10−5 lan 10−8 A.Kurva output nuduhake rezim linear lan sa turation becik karo gapura-voltase katergantungan cetha, nuduhake kontak becik antarane CNTs lan elektrods graphene (45).Rintangan kontak karo elektroda graphene diamati luwih murah tinimbang karo film Au sing nguap (pirsani anjir. S14).Mobilitas kejenuhan transistor sing bisa direnggang kira-kira 5,6 cm2/Vs, padha karo transistor CNT sing diurutake polimer sing padha ing substrat Si kaku kanthi 300-nm SiO2 minangka lapisan dielektrik.dandan luwih ing mobilitas bisa karo Kapadhetan tabung optimized lan jinis tabung liyane (46).
(A) Skema transistor stretchable adhedhasar graphene.SWNTs, nanotube karbon berdinding tunggal.(B) Foto transistor stretchable digawe saka elektrods graphene (ndhuwur) lan elektrods CNT (ngisor).Bentenipun ing transparansi cetha katon.(C lan D) Transfer lan kurva output saka transistor basis graphene ing SEBS sadurunge galur.(E lan F) Transfer kurva, on lan off current, on/off ratio, lan mobilitas transistor basis graphene ing galur sing beda.
Nalika piranti transparan kabeh-karbon digawe dowo ing arah podo karo arah transportasi daya, degradasi minimal diamati nganti 120% galur.Sajrone regangan, mobilitas terus mudhun saka 5,6 cm2 / Vs ing 0% galur dadi 2,5 cm2 / Vs ing 120% galur (Fig. 5F).Kita uga mbandhingake kinerja transistor kanggo dawa saluran sing beda-beda (ndeleng tabel S1).Utamane, ing galur nganti 105%, kabeh transistor iki isih nuduhake rasio on/off dhuwur (>103) lan mobilitas (>3 cm2/Vs).Kajaba iku, kita ngringkes kabeh karya anyar ing transistor kabeh-karbon (ndeleng tabel S2) (47-52).Kanthi ngoptimalake fabrikasi piranti ing elastomer lan nggunakake MGG minangka kontak, transistor kabeh-karbon kita nuduhake kinerja sing apik ing babagan mobilitas lan histeresis uga bisa direnggangake.
Minangka aplikasi saka transistor kebak transparent lan stretchable, kita digunakake kanggo kontrol ngoper LED (Fig. 6A).Minangka ditampilake ing Fig. 6B, LED ijo bisa katon cetha liwat piranti stretchable kabeh-karbon diselehake langsung ing ndhuwur.Nalika mulet kanggo ~ 100% (Fig. 6, C lan D), kakiyatan cahya LED ora ngganti, kang konsisten karo kinerja transistor ing ndhuwur (ndeleng film S1).Iki minangka laporan pisanan saka unit kontrol sing bisa ditarik sing digawe nggunakake elektroda graphene, sing nuduhake kemungkinan anyar kanggo elektronik sing bisa ditarik graphene.
(A) Circuit saka transistor kanggo drive LED.GND, lemah.(B) Foto transistor kabeh-karbon sing bisa ditarik lan transparan kanthi galur 0% sing dipasang ing ndhuwur LED ijo.(C) Transistor transparan lan stretchable kabeh karbon sing digunakake kanggo ngalih LED dipasang ing ndhuwur LED kanthi 0% (kiwa) lan ~ 100% galur (tengen).Panah putih nunjuk minangka tandha kuning ing piranti kanggo nuduhake owah-owahan jarak sing digawe dowo.(D) Sisih tampilan transistor digawe dowo, karo LED di-push menyang elastomer ing.
Kesimpulane, kita wis ngembangake struktur graphene konduktif transparan sing njaga konduktivitas dhuwur ing galur gedhe minangka elektroda sing bisa diregang, diaktifake dening nanoscroll graphene ing antarane lapisan graphene sing ditumpuk.Struktur elektroda MGG bi- lan trilayer ing elastomer bisa njaga 21 lan 65%, masing-masing, saka 0% konduktivitas regangan ing galur nganti 100%, dibandhingake karo konduktivitas konduktivitas lengkap ing galur 5% kanggo elektroda graphene monolayer khas. .Jalur konduktif tambahan saka gulungan graphene uga interaksi sing lemah ing antarane lapisan sing ditransfer nyumbang kanggo stabilitas konduktivitas sing unggul ing galur.Kita luwih nggunakake struktur graphene iki kanggo nggawe transistor stretchable kabeh-karbon.Nganti saiki, iki minangka transistor berbasis graphene sing paling fleksibel kanthi transparansi paling apik tanpa nggunakake buckling.Sanajan panliten iki ditindakake kanggo ngaktifake graphene kanggo elektronik sing bisa diregang, kita percaya manawa pendekatan iki bisa ditambahake menyang bahan 2D liyane kanggo ngaktifake elektronik 2D sing bisa diregang.
Graphene CVD area gedhe ditanam ing foil Cu sing digantung (99,999%; Alfa Aesar) kanthi tekanan konstan 0,5 mtorr kanthi 50-SCCM (standar kubik sentimeter per menit) CH4 lan 20-SCCM H2 minangka prekursor ing 1000 ° C.Loro-lorone saka foil Cu ditutupi dening graphene monolayer.Lapisan tipis saka PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) iki muter-dilapisi ing sisih siji saka foil Cu, mbentuk struktur PMMA / G / Cu foil / G.salajengipun, kabeh film iki direndhem ing 0,1 M amonium persulfate [(NH4)2S2O8] solusi kanggo bab 2 jam kanggo etch adoh Cu foil.Sajrone proses iki, graphene sisih mburi sing ora dilindhungi pisanan nyuwek ing wates-wates gandum lan banjur digulung dadi gulungan amarga tegangan permukaan.Gulungan kasebut ditempelake ing film graphene ndhuwur sing didhukung PMMA, mbentuk gulungan PMMA / G / G.Film kasebut banjur dikumbah ing banyu deionisasi kaping pirang-pirang lan dilebokake ing landasan target, kayata SiO2 / Si kaku utawa substrat plastik.Sanalika film ditempelake pepe ing landasan, sampel w minangka sequentially direndhem ing aseton, 1: 1 aseton / IPA (isopropil alkohol), lan IPA kanggo 30 s saben kanggo mbusak PMMA.Film kasebut dipanasake ing 100 ° C suwene 15 menit utawa disimpen ing vakum sewengi kanggo mbusak banyu sing kepepet sadurunge lapisan gulungan G / G liyane ditransfer menyang.Langkah iki kanggo ngindhari detasemen film graphene saka substrat lan mesthekake jangkoan lengkap MGG nalika ngeculake lapisan operator PMMA.
Morfologi struktur MGG diamati nggunakake mikroskop optik (Leica) lan mikroskop elektron scanning (1 kV; FEI).Mikroskop gaya atom (Nanoscope III, Instrumen Digital) dioperasikake ing mode nutul kanggo mirsani rincian gulungan G.Transparansi film dites nganggo spektrometer sing bisa dideleng ultraviolet (Agilent Cary 6000i).Kanggo tes nalika galur ana ing arah tegak lurus aliran arus, fotolitografi lan plasma O2 digunakake kanggo pola struktur graphene dadi strip (~300 μm lebar lan ~ 2000 μm dawa), lan Au (50 nm) elektroda didepositokake kanthi termal nggunakake topeng bayangan ing loro ends saka sisih dawa.Strip graphene banjur dilebokake ing kontak karo elastomer SEBS (~ 2 cm lebar lan ~ 5 cm dawa), kanthi sumbu dawa saka jalur kasebut sejajar karo sisih cendhak SEBS diikuti BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O). 1:6) etsa lan eutektik gallium indium (EGaIn) minangka kontak listrik.Kanggo tes galur paralel, struktur graphene tanpa pola (~ 5 × 10 mm) ditransfer menyang substrat SEBS, kanthi sumbu dawa sing sejajar karo sisih dawa saka substrat SEBS.Kanggo loro kasus kasebut, kabeh G (tanpa gulung G) / SEBS digawe dowo ing sisih dawa elastomer ing piranti manual, lan ing situ, kita ngukur owah-owahan resistance ing strain ing stasiun probe karo analyzer semikonduktor (Keithley 4200). -SCS).
Transistor kabeh-karbon sing fleksibel lan transparan ing substrat elastis digawe kanthi prosedur ing ngisor iki kanggo ngindhari karusakan pelarut organik saka dielektrik polimer lan substrat.Struktur MGG ditransfer menyang SEBS minangka elektroda gerbang.Kanggo entuk lapisan dielektrik polimer film tipis sing seragam (kandel 2 μm), solusi SEBS toluene (80 mg / ml) dilapisi spin ing substrat SiO2 / Si sing dimodifikasi octadecyltrichlorosilane (OTS) ing 1000 rpm suwene 1 menit.Film dielektrik tipis bisa gampang ditransfer saka permukaan OTS hidrofobik menyang substrat SEBS sing ditutupi karo graphene sing wis disiapake.A kapasitor bisa digawe dening depositing Cairan-logam (EGaIn; Sigma-Aldrich) elektroda ndhuwur kanggo nemtokake kapasitansi minangka fungsi saka galur nggunakake LCR (induktansi, kapasitansi, resistance) meter (Agilent).Sisih liyane saka transistor kapérang saka polimer-diurutake semikonduktor CNTs, miturut tata cara kacarita sadurunge (53).Elektrod sumber / saluran berpola digawe ing substrat SiO2 / Si kaku.Sabanjure, rong bagean, dielektrik / G / SEBS lan CNTs / pola G / SiO2 / Si, padha laminated kanggo saben liyane, lan direndhem ing BOE kanggo mbusak kaku SiO2 / Si substrate.Mangkono, transistor transparan lan stretchable digawe.Pengujian listrik ing galur ditindakake kanthi persiyapan peregangan manual minangka cara sing kasebut ing ndhuwur.
Materi tambahan kanggo artikel iki kasedhiya ing http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
anjir.S1.Gambar mikroskop optik saka monolayer MGG ing substrat SiO2 / Si ing magnifications beda.
anjir.S4.Perbandingan resistance sheet loro-probe lan transmisi @550 nm saka mono-, bi- lan trilayer graphene kosong (kotak ireng), MGG (bunderan abang), lan CNTs (segitiga biru).
anjir.S7.Owah-owahan resistance normal saka mono- lan bilayer MGGs (ireng) lan G (abang) ing ~ 1000 galur siklik loading nganti 40 lan 90% galur podo, mungguh.
anjir.S10.Gambar SEM saka trilayer MGG ing SEBS elastomer sawise galur, nuduhake salib gulung dawa liwat sawetara retak.
anjir.S12.Gambar AFM saka trilayer MGG ing elastomer SEBS banget lancip ing 20% galur, nuduhake yen gulung nyabrang liwat retak.
Tabel S1.Mobilitas bilayer MGG-tunggal-dinding karbon nanotube transistor ing dawa saluran beda sadurunge lan sawise galur.
Iki minangka artikel akses terbuka sing disebarake miturut syarat-syarat lisensi Creative Commons Attribution-NonCommercial, sing ngidini panggunaan, distribusi, lan reproduksi ing media apa wae, anggere asil panggunaan kasebut ora kanggo keuntungan komersial lan kasedhiya yen karya asline bener. dikutip.
CATETAN: Kita mung njaluk alamat email sampeyan supaya wong sing menehi rekomendasi kaca kasebut ngerti manawa sampeyan pengin ndeleng, lan iku dudu surat ajur.Kita ora njupuk alamat email.
Pitakonan iki kanggo nguji manawa sampeyan minangka pengunjung manungsa utawa ora lan kanggo nyegah kiriman spam otomatis.
Miturut 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
Miturut Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science.Kabeh hak dilindhungi undhang-undhang.AAAS minangka mitra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef lan COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Wektu kirim: Jan-28-2021