Двовимірні матеріали, такі як графен, є привабливими як для традиційних напівпровідникових додатків, так і для нових застосувань у гнучкій електроніці. Однак висока міцність графену на розрив призводить до руйнування при низькій деформації, що ускладнює використання його надзвичайних електронних властивостей у розтяжній електроніці. Щоб забезпечити чудову залежність від деформації прозорих графенових провідників, ми створили графенові наносувої між складеними графеновими шарами, які називаються багатошаровими графеновими/графеновими сувоями (MGG). Під напругою деякі сувої перемикали фрагментовані домени графену, щоб підтримувати просочувальну мережу, яка забезпечувала чудову провідність при високих напругах. Тришарові MGG на основі еластомерів зберегли 65% своєї початкової провідності при 100% деформації, яка перпендикулярна напрямку потоку струму, тоді як тришарові плівки з графену без наносвиток зберегли лише 25% своєї початкової провідності. Повністю вуглецевий транзистор, що розтягується, виготовлений з використанням MGG як електродів, показав коефіцієнт пропускання >90% і зберіг 60% вихідного вихідного струму при 120% деформації (паралельно напрямку транспортування заряду). Ці високорозтяжні та прозорі повністю вуглецеві транзистори можуть створити складну розтягнуту оптоелектроніку.
Прозора електроніка, що розтягується, є зростаючою галуззю, яка має важливі застосування в просунутих біоінтегрованих системах (1, 2), а також потенціал для інтеграції з розтяжною оптоелектронікою (3, 4) для створення складних м’яких робототехніки та дисплеїв. Графен демонструє такі бажані властивості, як атомна товщина, висока прозорість і висока провідність, але його застосування в розтяжних додатках перешкоджає його схильність розтріскуватися при невеликих деформаціях. Подолання механічних обмежень графену може створити нові функціональні можливості в розтягнутих прозорих пристроях.
Унікальні властивості графену роблять його сильним кандидатом для наступного покоління прозорих провідних електродів (5, 6). У порівнянні з найбільш часто використовуваним прозорим провідником, оксидом індію та олова [ITO; 100 Ом/квадрат (кв.) при 90% прозорості], моношаровий графен, вирощений методом хімічного осадження з парової фази (CVD), має подібну комбінацію опору листів (125 Ом/кв.) і прозорості (97,4%) (5). Крім того, графенові плівки мають надзвичайну гнучкість порівняно з ITO (7). Наприклад, на пластиковій підкладці його провідність може зберігатися навіть при радіусі вигину кривизни всього 0,8 мм (8). Для подальшого покращення його електричних характеристик як прозорого гнучкого провідника в попередніх роботах були розроблені графенові гібридні матеріали з одновимірними (1D) срібними нанодротами або вуглецевими нанотрубками (CNT) (9–11). Крім того, графен використовувався як електроди для змішаних розмірних гетероструктурних напівпровідників (таких як 2D об’ємний Si, 1D нанодроти/нанотрубки та 0D квантові точки) (12), гнучких транзисторів, сонячних елементів і світлодіодів (LED) (13). –23).
Хоча графен показав багатообіцяючі результати для гнучкої електроніки, його застосування в розтяжній електроніці було обмежено його механічними властивостями (17, 24, 25); графен має жорсткість у площині 340 Н/м і модуль Юнга 0,5 ТПа (26). Міцна вуглець-вуглецева мережа не забезпечує механізмів розсіювання енергії для прикладеної деформації, тому легко тріскається при деформації менше 5%. Наприклад, CVD-графен, перенесений на еластичну підкладку з полідиметилсилоксану (PDMS), може зберігати свою провідність лише при деформації менше 6% (8). Теоретичні розрахунки показують, що зминання та взаємодія між різними шарами повинні сильно зменшити жорсткість (26). Укладаючи графен у кілька шарів, повідомляється, що цей дво- або тришаровий графен розтягується до 30% деформації, виявляючи зміну опору в 13 разів меншу, ніж одношаровий графен (27). Однак ця розтяжність все ще значно поступається сучасним розтяжним провідникам (28, 29).
Транзистори є важливими для розтягнутих додатків, оскільки вони дозволяють складне зчитування датчиків і аналіз сигналів (30, 31). Транзистори на PDMS з багатошаровим графеном як електродами витоку/стоку та матеріалом каналу можуть підтримувати електричну функцію до 5% деформації (32), що значно нижче мінімального необхідного значення (~50%) для носимих датчиків моніторингу здоров’я та електронної шкіри ( 33, 34). Нещодавно був досліджений графеновий підхід кірігамі, і транзистор, закритий рідким електролітом, може бути розтягнутий до 240% (35). Однак цей метод вимагає підвішеного графену, що ускладнює процес виготовлення.
Тут ми досягаємо високорозтяжних графенових пристроїв шляхом інтеркаляції графенових сувоїв (від ~1 до 20 мкм завдовжки, від ~0,1 до 1 мкм завширшки та від ~10 до 100 нм у висоту) між шарами графену. Ми припускаємо, що ці графенові сувої можуть забезпечити провідні шляхи для перекриття тріщин у графенових листах, таким чином зберігаючи високу провідність під напругою. Сувої з графену не вимагають додаткового синтезу чи обробки; вони природним чином утворюються під час процедури вологого перенесення. Використовуючи багатошарові G/G (графен/графен) сувої (MGG), графенові електроди, що розтягуються (витік/сток і затвор) і напівпровідникові ВНТ, ми змогли продемонструвати високопрозорі та високорозтягувані повністю вуглецеві транзистори, які можна розтягнути до 120 % деформації (паралельно напрямку транспортування заряду) і зберігають 60 % вихідного вихідного струму. Це найбільш розтяжний прозорий вуглецевий транзистор на сьогоднішній день, і він забезпечує достатній струм для керування неорганічним світлодіодом.
Щоб отримати прозорі розтягувані графенові електроди великої площі, ми вибрали графен, вирощений CVD на мідній фользі. Мідна фольга була підвішена в центрі кварцової трубки CVD, щоб забезпечити ріст графену з обох боків, утворюючи структури G/Cu/G. Щоб перенести графен, ми спочатку накрили тонкий шар полі(метилметакрилату) (ПММА) для захисту однієї сторони графену, який ми назвали верхнім графеном (навпаки, для іншої сторони графену), а згодом, вся плівка (PMMA/верхній графен/Cu/нижній графен) була змочена в розчині (NH4)2S2O8 для витравлення Cu фольги. Графен з нижньої сторони без покриття з ПММА неминуче матиме тріщини та дефекти, які дозволяють травителю проникнути крізь (36, 37). Як показано на рис. 1A, під дією поверхневого натягу вивільнені графенові домени згортаються в сувої, а потім прикріплюються до залишкової верхньої плівки G/PMMA. Верхні сувої G/G можна перенести на будь-яку підкладку, таку як SiO2/Si, скло або м’який полімер. Повторення цього процесу перенесення кілька разів на ту саму підкладку дає структури MGG.
(A) Схематична ілюстрація процедури виготовлення MGG як розтягуваного електрода. Під час перенесення графену тильна сторона графену на мідній фользі була розбита на кордонах і дефектах, згорнута в довільні форми та щільно прикріплена до верхніх плівок, утворюючи наносвитки. Четвертий мультфільм зображує складену структуру MGG. (B і C) ТЕМ-характеристики високої роздільної здатності моношарового MGG, зосереджуючись на моношаровій графеновій (B) та сувійній (C) області відповідно. Вставка (B) - це зображення з низьким збільшенням, яке показує загальну морфологію одношарових MGG на сітці TEM. Вставки (C) являють собою профілі інтенсивності, взяті вздовж прямокутників, зазначених на зображенні, де відстані між атомними площинами становлять 0,34 і 0,41 нм. (D) Спектр EEL вуглецю K-краю з позначеними характерними графітними піками π* та σ*. (E) Розрізне АСМ зображення одношарових сувоїв G/G з профілем висоти вздовж жовтої пунктирної лінії. (F–I) Оптична мікроскопія та AFM зображення тришарового G без (F і H) і зі свитками (G та I) на підкладках SiO2/Si товщиною 300 нм відповідно. Типові сувої та зморшки були позначені, щоб підкреслити їхні відмінності.
Щоб переконатися, що за своєю природою сувої є згорнутим графеном, ми провели дослідження електронної мікроскопії високої роздільної здатності (TEM) і спектроскопії втрат енергії електронів (EEL) на одношарових структурах сувою верхнього G/G. На малюнку 1B показано гексагональну структуру моношарового графену, а вставка — загальна морфологія плівки, покритої одним вуглецевим отвором сітки ТЕМ. Моношар графену охоплює більшу частину сітки, і з’являються деякі пластівці графену в присутності кількох стопок гексагональних кілець (рис. 1B). Збільшивши окремий сувій (рис. 1C), ми спостерігали велику кількість смуг графенової решітки з відстанню решітки в діапазоні від 0,34 до 0,41 нм. Ці вимірювання свідчать про те, що лусочки випадково згорнуті і не є ідеальним графітом, який має відстань між ґратками 0,34 нм у шарі «ABAB». На малюнку 1D показано спектр EEL вуглецевого K-краю, де пік при 285 еВ походить від орбіталі π*, а інший пік при 290 еВ пов’язаний з переходом орбіталі σ*. Можна побачити, що зв’язок sp2 домінує в цій структурі, підтверджуючи, що сувої дуже графітні.
Зображення оптичної мікроскопії та атомно-силової мікроскопії (АСМ) дають уявлення про розподіл графенових наносвиток у MGG (рис. 1, від E до G та рис. S1 і S2). Сувої випадковим чином розподілені по поверхні, і їх щільність у площині збільшується пропорційно кількості складених шарів. Багато сувоїв заплутані у вузли та мають нерівномірну висоту в діапазоні від 10 до 100 нм. Вони мають довжину від 1 до 20 мкм і ширину від 0,1 до 1 мкм, залежно від розмірів їхніх початкових графенових пластівців. Як показано на рис. 1 (H і I), сувої мають значно більші розміри, ніж зморшки, що призводить до набагато грубішого контакту між шарами графену.
Для вимірювання електричних властивостей ми створили візерунки графенових плівок з або без структур сувою та шарів, складених у смуги шириною 300 мкм і довжиною 2000 мкм за допомогою фотолітографії. Опір двох зондів як функцію деформації вимірювали в умовах навколишнього середовища. Наявність сувоїв зменшила питомий опір для моношарового графену на 80% із зменшенням пропускання лише на 2,2% (рис. S4). Це підтверджує, що наносвитки, які мають високу щільність струму до 5 × 107 А/см2 (38, 39), роблять дуже позитивний електричний внесок у MGG. Серед усіх моно-, дво- та тришарових простих графенів і MGG тришаровий MGG має найкращу провідність із прозорістю майже 90%. Для порівняння з іншими джерелами графену, про які повідомляється в літературі, ми також виміряли опори листів чотирьох зондів (рис. S5) і перерахували їх як функцію пропускання при 550 нм (рис. S6) на рис. 2A. MGG демонструє порівнянну або вищу провідність і прозорість, ніж штучно складений багатошаровий простий графен і відновлений оксид графену (RGO) (6, 8, 18). Зауважте, що листовий опір штучно складеного багатошарового звичайного графену з літератури дещо вищий, ніж у нашого MGG, ймовірно, через неоптимізовані умови росту та метод перенесення.
(A) Опір листів із чотирма зондами проти пропускання при 550 нм для кількох типів графену, де чорні квадрати позначають моно-, дво- та тришарові MGG; червоні кола та сині трикутники відповідають багатошаровому звичайному графену, вирощеному на Cu та Ni, згідно з дослідженнями Лі та ін. (6) і Кім та ін. (8) відповідно, а потім перенесено на SiO2/Si або кварц; і зелені трикутники є значеннями для RGO при різних ступенях зменшення з дослідження Bonaccorso та ін. (18). (B і C) Нормована зміна опору одно-, дво- і тришарових MGG і G як функція перпендикулярної (B) і паралельної (C) деформації до напрямку потоку струму. (D) Нормована зміна опору двошару G (червоний) і MGG (чорний) при циклічному навантаженні деформації до 50% перпендикулярної деформації. (E) Нормована зміна опору тришарового шару G (червоний) і MGG (чорний) при циклічному навантаженні деформації до 90% паралельної деформації. (F) Нормована зміна ємності моно-, дво- та тришарових G і дво- та тришарових MGG як функція деформації. Вставка являє собою структуру конденсатора, де полімерною підкладкою є SEBS, а полімерним діелектричним шаром є SEBS товщиною 2 мкм.
Щоб оцінити залежну від деформації продуктивність MGG, ми перенесли графен на підкладки з термопластичного еластомеру стирол-етилен-бутадієн-стирол (SEBS) (~2 см завширшки та ~5 см завдовжки), і провідність вимірювалася, коли підкладку розтягували. (див. Матеріали та методи) як перпендикулярно, так і паралельно напрямку потоку струму (рис. 2, B і C). Залежна від деформації електрична поведінка покращилася завдяки введенню наносвиток і збільшенню кількості графенових шарів. Наприклад, коли деформація перпендикулярна потоку струму, для моношарового графену додавання сувоїв збільшило деформацію при електричному розриві з 5 до 70%. Стійкість до деформації тришарового графену також значно покращена порівняно з одношаровим графеном. З наносвитками при 100% перпендикулярній деформації опір тришарової структури MGG збільшився лише на 50% порівняно з 300% для тришарового графену без сувоїв. Досліджено зміну опору при циклічному деформаційному навантаженні. Для порівняння (рис. 2D), опір звичайної двошарової графенової плівки збільшився приблизно в 7,5 разів після ~700 циклів при 50% перпендикулярній деформації та продовжував зростати з деформацією в кожному циклі. З іншого боку, стійкість двошарового MGG збільшилася приблизно в 2,5 рази після ~700 циклів. Застосовуючи до 90% деформації вздовж паралельного напрямку, опір тришарового графену збільшився у ~100 разів після 1000 циклів, тоді як він лише у ~8 разів у тришаровому MGG (рис. 2E). Результати велоспорту показані на рис. S7. Відносно швидше збільшення опору вздовж паралельного напрямку деформації пояснюється тим, що орієнтація тріщин перпендикулярна напрямку течії струму. Відхилення опору під час деформації навантаження та розвантаження пов’язане з в’язкопружним відновленням еластомерної підкладки SEBS. Стабільніша стійкість смужок MGG під час циклювання пояснюється наявністю великих сувоїв, які можуть закрити тріснуті частини графену (як спостерігає AFM), допомагаючи підтримувати шлях просочування. Про це явище збереження провідності шляхом перколяції повідомлялося раніше для тріснутих металевих або напівпровідникових плівок на еластомерних підкладках (40, 41).
Щоб оцінити ці плівки на основі графену як електроди затвора в пристроях, що розтягуються, ми покрили шар графену шаром діелектрика SEBS (2 мкм завтовшки) і спостерігали за зміною діелектричної ємності як функцію деформації (див. рис. 2F і додаткові матеріали для деталі). Ми спостерігали, що ємності з простими одношаровими та двошаровими графеновими електродами швидко зменшувалися через втрату площинної провідності графену. Навпаки, ємності, які регулюються MGG, а також звичайний тришаровий графен показали збільшення ємності з деформацією, що очікувалося через зменшення товщини діелектрика з деформацією. Очікуване збільшення ємності дуже добре збігалося зі структурою MGG (рис. S8). Це вказує на те, що MGG підходить як електрод затвора для розтягуваних транзисторів.
Для подальшого дослідження ролі 1D графенового сувою на стійкість до деформації електропровідності та кращого контролю за розділенням між графеновими шарами ми використали ВНТ із напиленням для заміни графенових сувоїв (див. Додаткові матеріали). Щоб імітувати структури MGG, ми нанесли ВНТ трьох щільностей (тобто CNT1
(А–С) AFM-зображення трьох різних щільностей ВНТ (CNT1
Щоб краще зрозуміти їхню здатність як електродів для електроніки, що розтягується, ми систематично досліджували морфологію MGG і G-CNT-G під напругою. Оптична мікроскопія та скануюча електронна мікроскопія (SEM) не є ефективними методами визначення характеристик, оскільки обидва не мають кольорового контрасту, а SEM піддається артефактам зображення під час електронного сканування, коли графен знаходиться на полімерних підкладках (рис. S9 та S10). Щоб спостерігати in situ поверхню графену під напругою, ми зібрали вимірювання АСМ на тришарових MGG і звичайному графені після перенесення на дуже тонкі (~0,1 мм товщиною) і еластичні підкладки SEBS. Через внутрішні дефекти CVD-графену та зовнішні пошкодження під час процесу перенесення на деформованому графені неминуче утворюються тріщини, і зі збільшенням деформації тріщини стають щільнішими (рис. 4, A–D). Залежно від структури укладання вуглецевих електродів, тріщини мають різну морфологію (рис. S11) (27). Щільність площі тріщини (визначена як площа тріщини/проаналізована площа) багатошарового графену менша, ніж у одношарового графену після деформації, що узгоджується зі збільшенням електропровідності для MGG. З іншого боку, сувої часто спостерігаються для перекриття тріщин, забезпечуючи додаткові провідні шляхи в напруженій плівці. Наприклад, як зазначено на зображенні на рис. 4B, широкий сувій перетнув тріщину в тришаровому MGG, але жодного сувою не спостерігалося в простому графені (рис. 4, від E до H). Подібним чином УНТ також перекрили тріщини в графені (рис. S11). Щільність зони тріщин, щільність зони прокручування та шорсткість плівок узагальнено на рис. 4K.
(A–H) In situ AFM зображення тришарових G/G сувоїв (A–D) і тришарових G структур (E–H) на дуже тонкому еластомері SEBS (~0,1 мм завтовшки) при 0, 20, 60 та 100 % штаму. Типові тріщини та сувої позначені стрілками. Усі AFM-зображення знаходяться в області 15 мкм × 15 мкм, використовуючи ту саму шкалу кольорів, що й на мітці. (I) Геометрія моделювання візерункових моношарових графенових електродів на підкладці SEBS. (J) Контурна карта моделювання максимальної головної логарифмічної деформації в моношарі графену та підкладці SEBS при 20% зовнішньої деформації. (K) Порівняння щільності площі тріщини (червоний стовпець), щільності області прокручування (жовтий стовпець) і шорсткості поверхні (синій стовпець) для різних графенових структур.
Коли плівки MGG розтягуються, існує важливий додатковий механізм, за допомогою якого сувої можуть перемикати тріснуті ділянки графену, зберігаючи просочувальну мережу. Сувої з графену є перспективними, тому що вони можуть мати десятки мікрометрів у довжину і, отже, здатні закривати тріщини, які зазвичай мають мікрометровий масштаб. Крім того, оскільки сувої складаються з багатьох шарів графену, очікується, що вони матимуть низький опір. Для порівняння, відносно щільні (з нижчим коефіцієнтом пропускання) мережі ВНТ потрібні для забезпечення порівнянної провідної здатності перемикання, оскільки УНТ менші (зазвичай кілька мікрометрів у довжину) і менш провідні, ніж сувої. З іншого боку, як показано на рис. S12, тоді як графен тріскається під час розтягування, щоб витримати деформацію, сувої не тріскаються, що вказує на те, що останні можуть ковзати по нижньому графену. Причина того, що вони не тріскаються, ймовірно, пов’язана з згорнутою структурою, що складається з багатьох шарів графену (~1–20 мкм завдовжки, ~0,1–1 мкм завширшки та ~10–100 нм заввишки), яка має вищий ефективний модуль, ніж одношаровий графен. Як повідомили Грін і Херсам (42), металеві мережі ВНТ (діаметр трубки 1,0 нм) можуть досягати низького опору листів <100 Ом/кв, незважаючи на великий опір з’єднання між ВНТ. Враховуючи, що наші графенові сувої мають ширину від 0,1 до 1 мкм і що G/G сувої мають набагато більшу площу контакту, ніж ВНТ, контактний опір і площа контакту між графеном і графеновими сувоями не повинні бути обмежуючими факторами для підтримки високої провідності.
Графен має набагато вищий модуль, ніж підкладка SEBS. Хоча ефективна товщина графенового електрода набагато нижча, ніж у підкладки, жорсткість графену, помножена на його товщину, порівнянна з товщиною підкладки (43, 44), що призводить до помірного ефекту жорсткого острова. Ми змоделювали деформацію графену товщиною 1 нм на підкладці SEBS (подробиці див. у Додаткових матеріалах). Згідно з результатами моделювання, коли 20% деформація прикладається до підкладки SEBS зовні, середня деформація в графені становить ~6,6% (рис. 4J і рис. S13D), що узгоджується з експериментальними спостереженнями (див. рис. S13) . За допомогою оптичної мікроскопії ми порівняли деформацію графену з візерунками та ділянок підкладки та виявили, що деформація в ділянці підкладки принаймні вдвічі перевищує деформацію в графеновій області. Це вказує на те, що деформація, застосована до моделей графенових електродів, може бути значно обмеженою, утворюючи жорсткі графенові острівці поверх SEBS (26, 43, 44).
Таким чином, здатність електродів MGG підтримувати високу провідність за високої напруги, ймовірно, забезпечується двома основними механізмами: (i) сувої можуть перемикати роз’єднані області для підтримки провідного шляху перколяції, і (ii) багатошарові графенові листи/еластомер можуть ковзати. один над одним, що призводить до зменшення напруги на графенових електродах. Для кількох шарів перенесеного графену на еластомер шари не міцно прикріплені один до одного, що може ковзати у відповідь на деформацію (27). Сувої також збільшили шорсткість графенових шарів, що може допомогти збільшити відстань між графеновими шарами і, отже, забезпечити ковзання графенових шарів.
Повністю вуглецеві пристрої з ентузіазмом шукають через низьку вартість і високу пропускну здатність. У нашому випадку повністю вуглецеві транзистори були виготовлені з використанням нижнього графенового затвора, верхнього графенового контакту джерело/сток, відсортованого напівпровідника CNT і SEBS як діелектрика (рис. 5A). Як показано на рис. 5B, повністю вуглецевий пристрій із ВНТ як джерело/сток і затвор (нижній пристрій) більш непрозорий, ніж пристрій із графеновими електродами (верхній пристрій). Це пов’язано з тим, що мережі CNT вимагають більшої товщини і, як наслідок, нижчого оптичного пропускання для досягнення стійкості листів, подібної до опору графену (рис. S4). На малюнку 5 (C і D) показані репрезентативні криві передачі та виходу до деформації для транзистора, виготовленого з двошаровими електродами MGG. Ширина каналу і довжина недеформованого транзистора становили 800 і 100 мкм відповідно. Виміряний коефіцієнт увімкнення/вимкнення перевищує 103 із струмами увімкнення та вимкнення на рівнях 10−5 та 10−8 A відповідно. Вихідна крива демонструє ідеальні лінійні режими та режими насичення з чіткою залежністю напруги затвора, що вказує на ідеальний контакт між ВНТ та графеновими електродами (45). Спостерігалося, що контактний опір із графеновими електродами був нижчим, ніж контактний опір із випареною плівкою Au (див. рис. S14). Рухливість насичення розтягуваного транзистора становить приблизно 5,6 см2/Вс, подібно до рухомості тих самих полімерно-сортованих ВНТ-транзисторів на жорстких кремнієвих підкладках із 300-нм SiO2 як діелектричний шар. Подальше покращення мобільності можливе за допомогою оптимізованої щільності трубок та інших типів трубок (46).
(A) Схема розтягуваного транзистора на основі графену. SWNTs, одностінні вуглецеві нанотрубки. (B) Фото розтягуваних транзисторів, виготовлених із графенових електродів (угорі) та електродів з CNT (внизу). Різниця в прозорості чітко помітна. (C і D) Криві передачі та виходу транзистора на основі графену на SEBS до деформації. (E і F) Криві передачі, струм увімкнення та вимкнення, коефіцієнт увімкнення/вимкнення та рухливість транзистора на основі графену при різних деформаціях.
Коли прозорий повністю вуглецевий пристрій розтягували в напрямку, паралельному напрямку транспортування заряду, спостерігалося мінімальне погіршення деформації до 120%. Під час розтягування рухливість безперервно зменшувалася з 5,6 см2/Vs при 0% деформації до 2,5 см2/Vs при 120% деформації (рис. 5F). Ми також порівняли продуктивність транзистора для різних довжин каналів (див. таблицю S1). Примітно, що при деформації 105% усі ці транзистори все ще демонстрували високий коефіцієнт увімкнення/вимкнення (>103) і рухливість (>3 см2/Вс). Крім того, ми узагальнили всю недавню роботу над повністю вуглецевими транзисторами (див. таблицю S2) (47–52). Завдяки оптимізації виготовлення пристроїв на еластомерах і використанню MGG як контактів наші повністю вуглецеві транзистори демонструють хорошу продуктивність з точки зору мобільності та гістерезису, а також є високою еластичністю.
У якості застосування повністю прозорого та розтягуваного транзистора ми використовували його для керування перемиканням світлодіодів (рис. 6A). Як показано на рис. 6B, зелений світлодіод можна чітко побачити крізь розтягнутий повністю вуглецевий пристрій, розміщений прямо над ним. Під час розтягування до ~100% (рис. 6, C і D) інтенсивність світлодіода не змінюється, що узгоджується з характеристиками транзистора, описаними вище (див. фільм S1). Це перший звіт про розтягувані блоки керування, виготовлені з використанням графенових електродів, що демонструє нові можливості для розтягуваної електроніки з графену.
(A) Схема транзистора для керування світлодіодом. GND, земля. (B) Фото розтягуваного та прозорого повністю вуглецевого транзистора з деформацією 0%, встановленого над зеленим світлодіодом. (C) Повністю вуглецевий прозорий транзистор, що розтягується, який використовується для перемикання світлодіода, монтується над світлодіодом із напругою 0% (ліворуч) і ~100% (праворуч). Білі стрілки вказують на жовті маркери на пристрої, щоб показати зміну відстані, що розтягується. (D) Вид збоку розтягнутого транзистора зі світлодіодом, вставленим у еластомер.
Підсумовуючи, ми розробили прозору провідну графенову структуру, яка підтримує високу провідність за великих навантажень як електроди, що розтягуються, завдяки графеновим наносвиткам між складеними шарами графену. Ці дво- та тришарові електродні структури MGG на еластомері можуть підтримувати 21 і 65% відповідно їх 0% електричної провідності при деформації до 100%, порівняно з повною втратою провідності при 5% деформації для типових моношарових графенових електродів. . Додаткові провідні шляхи графенових сувоїв, а також слабка взаємодія між перенесеними шарами сприяють чудовій стабільності провідності під напругою. Далі ми застосували цю графенову структуру для виготовлення повністю вуглецевих розтягуваних транзисторів. На даний момент це найбільш розтяжний транзистор на основі графену з найкращою прозорістю без використання вигину. Незважаючи на те, що це дослідження було проведено, щоб використовувати графен для розтяжної електроніки, ми вважаємо, що цей підхід можна поширити на інші 2D-матеріали, щоб забезпечити розтягувану 2D електроніку.
CVD-графен великої площі вирощували на підвішеній мідній фользі (99,999%; Alfa Aesar) під постійним тиском 0,5 мторр з 50–SCCM (стандартним кубічним сантиметром на хвилину) CH4 і 20–SCCM H2 як попередниками при 1000°C. Обидві сторони Cu фольги були покриті одношаровим графеном. Тонкий шар ПММА (2000 об/хв; A4, Microchem) був нанесений центрифугуванням на одну сторону фольги Cu, утворюючи структуру ПММА/G/Cu фольга/G. згодом усю плівку замочували в 0,1 М розчині персульфату амонію [(NH4)2S2O8] приблизно на 2 години, щоб витравити Cu фольгу. Під час цього процесу незахищений задній графен спочатку розірвався вздовж меж зерен, а потім згорнувся в сувої через поверхневий натяг. Сувої були прикріплені до верхньої графенової плівки на основі ПММА, утворюючи сувої з ПММА/G/G. Потім плівки кілька разів промивали в деіонізованій воді та клали на цільову підкладку, таку як жорсткий SiO2/Si або пластикову підкладку. Як тільки прикріплена плівка висохла на підкладці, зразок послідовно замочували в ацетоні, 1:1 ацетон/IPA (ізопропіловий спирт) і IPA протягом 30 секунд для видалення PMMA. Плівки нагрівали при 100°C протягом 15 хвилин або витримували у вакуумі протягом ночі, щоб повністю видалити воду, що потрапила в пастку, перш ніж на неї було перенесено інший шар сувою G/G. Цей крок мав уникнути від’єднання графенової плівки від підкладки та забезпечити повне покриття MGG під час вивільнення несучого шару ПММА.
Морфологію структури MGG спостерігали за допомогою оптичного мікроскопа (Leica) і скануючого електронного мікроскопа (1 кВ; FEI). Атомно-силовий мікроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) працював у режимі постукування, щоб спостерігати деталі сувоїв G. Прозорість плівки перевіряли за допомогою ультрафіолетового видимого спектрометра (Agilent Cary 6000i). Для випробувань, коли деформація була вздовж перпендикулярного напрямку потоку струму, фотолітографія та плазма O2 використовувалися для формування графенових структур у смуги (~300 мкм завширшки та ~2000 мкм завдовжки), а Au (50 нм) електроди були термічно осаджені за допомогою тіньові маски на обох кінцях довгої сторони. Потім графенові смужки контактували з еластомером SEBS (~2 см завширшки та ~5 см завдовжки), при цьому довга вісь смужок була паралельна короткій стороні SEBS, а потім BOE (буферизоване оксидне травлення) (HF:H2O). 1:6) травлення та евтектичний галій-індій (EGaIn) як електричні контакти. Для паралельних тестів на деформацію графенові структури без візерунків (~5 × 10 мм) були перенесені на підкладки SEBS, з довгими осями, паралельними довгій стороні підкладки SEBS. В обох випадках весь G (без сувоїв G)/SEBS було розтягнуто вздовж довгої сторони еластомеру в ручному пристрої, і на місці ми виміряли зміни їх опору під напругою на зондовій станції з напівпровідниковим аналізатором (Keithley 4200). -SCS).
Високорозтяжні та прозорі повністю вуглецеві транзистори на еластичній підкладці були виготовлені за такими процедурами, щоб уникнути пошкодження полімерного діелектрика та підкладки органічним розчинником. Структури MGG були перенесені на SEBS як електроди затвора. Щоб отримати рівномірний тонкоплівковий полімерний діелектричний шар (2 мкм завтовшки), розчин SEBS толуолу (80 мг/мл) наносили центрифугуванням на модифіковану октадецилтрихлорсиланом (OTS) підкладку SiO2/Si при 1000 об/хв протягом 1 хв. Тонку діелектричну плівку можна легко перенести з гідрофобної поверхні OTS на підкладку SEBS, покриту готовим графеном. Конденсатор можна виготовити шляхом осадження верхнього електрода з рідкого металу (EGaIn; Sigma-Aldrich) для визначення ємності як функції деформації за допомогою вимірювача LCR (індуктивності, ємності, опору) (Agilent). Інша частина транзистора складалася з відсортованих за полімером напівпровідникових ВНТ згідно з процедурами, про які повідомлялося раніше (53). Електроди витоку/стоку з малюнком були виготовлені на жорстких підкладках SiO2/Si. Згодом дві частини, діелектрик/G/SEBS та CNT/G/SiO2/Si з малюнком, були ламіновані одна з одною та змочені в BOE для видалення жорсткої підкладки SiO2/Si. Таким чином, були виготовлені повністю прозорі та розтягувані транзистори. Електричні випробування під напругою проводили на установці для ручного розтягування як вищезгаданий метод.
Додаткові матеріали до цієї статті доступні за адресою http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
фіг. S1. Зображення оптичної мікроскопії моношарового MGG на підкладках SiO2/Si при різних збільшеннях.
фіг. S4. Порівняння опорів і коефіцієнтів пропускання двох зондів при 550 нм моно-, дво- та тришарового звичайного графену (чорні квадрати), MGG (червоні кружечки) та CNT (синій трикутник).
фіг. S7. Нормована зміна опору моно- та двошарових MGG (чорний) і G (червоний) під ~1000 циклічним навантаженням деформації до 40 і 90% паралельної деформації відповідно.
фіг. S10. SEM-зображення тришарового MGG на еластомері SEBS після деформації, що показує довгий прокручуючий хрест над кількома тріщинами.
фіг. S12. AFM-зображення тришарового MGG на дуже тонкому еластомері SEBS при деформації 20%, показує, що сувій перетинає тріщину.
таблиця S1. Рухливість двошарових транзисторів MGG–одностінних вуглецевих нанотрубок на різних довжинах каналів до та після деформації.
Це стаття відкритого доступу, яка розповсюджується згідно з умовами ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial, яка дозволяє використання, розповсюдження та відтворення на будь-якому носії, за умови, що кінцеве використання не призначене для отримання комерційної вигоди та за умови, що оригінальний твір належним чином цитується.
ПРИМІТКА. Ми запитуємо вашу електронну адресу лише для того, щоб особа, якій ви рекомендуєте сторінку, знала, що ви хочете, щоб вона її побачила, і що це не небажана пошта. Ми не фіксуємо жодної електронної адреси.
Це запитання призначене для того, щоб перевірити, чи є ви відвідувачем, і запобігти автоматичному надсиланню спаму.
Нан Лю, Алекс Чортос, Тін Лей, Ліхуа Цзінь, Таехо Рой Кім, Вон-Гю Бе, Ченсінь Чжу, Сіхонг Ван, Рафаель Пфатнер, Сіюань Чен, Роберт Сінклер, Женан Бао
Нан Лю, Алекс Чортос, Тін Лей, Ліхуа Цзінь, Таехо Рой Кім, Вон-Гю Бе, Ченсінь Чжу, Сіхонг Ван, Рафаель Пфатнер, Сіюань Чен, Роберт Сінклер, Женан Бао
© 2021 Американська асоціація сприяння розвитку науки. Всі права захищені. AAAS є партнером HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef і COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Час публікації: 28 січня 2021 р