Двовимірні матеріали, такі як графен, привабливі як для звичайних напівпровідникових застосувань, так і для нових застосувань у гнучкої електроніці.Однак висока міцність графену на розрив призводить до руйнування при низьких деформаціях, що ускладнює використання його надзвичайних електронних властивостей у розтяжній електроніці.Щоб забезпечити відмінні характеристики прозорих графенових провідників залежно від деформації, ми створили графенові наноскрутки між складеними шарами графену, які називаються багатошаровими графеновими/графеновими скрутками (MGG).Під напругою деякі сувої об’єднували фрагментовані домени графену, щоб підтримувати перколяційну мережу, яка забезпечувала чудову провідність при високих деформаціях.Тришарові MGG, нанесені на еластомери, зберегли 65% своєї вихідної провідності при 100% деформації, що перпендикулярно напрямку потоку струму, тоді як тришарові плівки графену без наноскрутків зберегли лише 25% своєї початкової провідності.Розтяжний повністю вуглецевий транзистор, виготовлений з використанням MGG в якості електродів, демонстрував коефіцієнт пропускання >90% і зберіг 60% вихідного струму при 120% деформації (паралельно напрямку транспортування заряду).Ці дуже розтяжні та прозорі повністю вуглецеві транзистори можуть створити складну оптоелектроніку, що розтягується.
Прозора електроніка, що розтягується, — це сфера, що розвивається, яка має важливе застосування в передових біоінтегрованих системах (1, 2), а також потенціал для інтеграції з розтяжною оптоелектронікою (3, 4) для виробництва складної м’якої робототехніки та дисплеїв.Графен демонструє дуже бажані властивості атомної товщини, високої прозорості та високої провідності, але його застосування в розтяжних додатках гальмується його тенденцією до розтріскування при малих деформаціях.Подолання механічних обмежень графену може дати нові функції в розтяжних прозорих пристроях.
Унікальні властивості графену роблять його сильним кандидатом для наступного покоління прозорих електропровідних електродів (5, 6).У порівнянні з найбільш часто використовуваним прозорим провідником, оксидом індію олова [ITO;100 Ом/квадрат (кв.) при 90% прозорості], моношаровий графен, вирощений методом хімічного осадження з парової фази (CVD), має подібну комбінацію опору листа (125 Ом/кв.) і прозорості (97,4%) (5).Крім того, графенові плівки мають надзвичайну гнучкість порівняно з ITO (7).Наприклад, на пластиковій підкладці її провідність може зберігатися навіть при радіусі вигину до 0,8 мм (8).Щоб ще більше підвищити його електричні характеристики як прозорого гнучкого провідника, попередні роботи розробили гібридні матеріали з графену з одновимірними (1D) срібними нанопроводами або вуглецевими нанотрубками (ВНТ) (9–11).Крім того, графен використовувався як електроди для змішаних 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 електроніці, що розтягується, було обмежене 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 жодних механізмів розсіювання енергії для прикладеної деформації, і тому легко розтріскується при деформації менше ніж 5%.Наприклад, CVD-графен, перенесений на еластичну підкладку з полідиметилсилоксану (PDMS), може підтримувати свою провідність лише при деформації менше 6% (8).Теоретичні розрахунки показують, що зминання та взаємодія між різними шарами повинні сильно зменшувати жорсткість (26).Повідомляється, що при укладанні графену в кілька шарів цей дво- або тришаровий графен розтягується до 30% деформації, демонструючи зміну опору в 13 разів менше, ніж у моношарового графену (27).Однак ця розтяжність все ще значно поступається найсучаснішим розтяжним c-кондукторам (28, 29).
Транзистори є важливими в програмах, що розтягуються, оскільки вони забезпечують складне зчитування датчиків і аналіз сигналів (30, 31).Транзистори на PDMS з багатошаровим графеном в якості електродів джерела/стоку та матеріалу каналу можуть підтримувати електричну функцію до 5% деформації (32), що значно нижче мінімального необхідного значення (~50%) для датчиків, які можна носити, і електронної шкіри ( 33, 34).Нещодавно був досліджений підхід кірігамі з графену, і транзистор, закритий рідким електролітом, може бути розтягнутий до 240% (35).Однак для цього методу потрібен підвішений графен, що ускладнює процес виготовлення.
Тут ми досягаємо дуже розтяжних графенових пристроїв, вставляючи графенові сувої (довжиною від ~1 до 20 мкм, шириною від ~0,1 до 1 мкм і висотою від ~10 до 100 нм) між шарами графену.Ми припускаємо, що ці графенові сувої можуть забезпечувати провідні шляхи для перекриття тріщин у графенових листах, таким чином підтримуючи високу провідність під час деформації.Графенові сувої не вимагають додаткового синтезу або обробки;вони природним чином утворюються під час процедури вологого перенесення.Використовуючи багатошарові G/G (графен/графен) скрутки (MGG), графенові електроди, що розтягуються (джерело/сток і затвор) і напівпровідникові ВНТ, ми змогли продемонструвати дуже прозорі та дуже розтяжні повністю вуглецеві транзистори, які можна розтягнути до 120 % деформації (паралельно напрямку транспортування заряду) і зберігають 60 % вихідного струму.Це найбільш розтяжний прозорий транзистор на основі вуглецю на сьогоднішній день, і він забезпечує достатній струм для керування неорганічним світлодіодом.
Щоб увімкнути прозорі розтяжні графенові електроди великої площі, ми вибрали графен, вирощений CVD на Cu фользі.Cu фольга була підвішена в центрі CVD кварцової трубки, щоб дозволити ріст графену з обох сторін, утворюючи G/Cu/G структури.Щоб перенести графен, ми спочатку нанесли тонкий шар полі(метилметакрилату) (PMMA) для захисту однієї сторони графену, який ми назвали верхнім графеном (навпаки для іншої сторони графену), а потім, всю плівку (PMMA/верхній графен/Cu/нижній графен) змочували в розчині (NH4)2S2O8 для травлення Cu фольги.Графен з нижньої сторони без покриття PMMA неминуче матиме тріщини та дефекти, які дозволять протравителю проникнути крізь (36, 37).Як показано на рис. 1A, під впливом поверхневого натягу вивільнені графенові домени згорнулися у сувої, а потім прикріпилися до верхньої плівки G/PMMA, що залишилася.Скрутки top-G/G можна переносити на будь-яку підкладку, наприклад 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 розтяжного електрода.Під час перенесення графену зворотний графен на медній фользі розбивався на кордонах і дефектах, згортався в довільні форми і щільно прикріплювався до верхніх плівок, утворюючи наноскрутки.Четвертий мультфільм зображує складену структуру MGG.(B і C) ТЕМ-характеристики з високою роздільною здатністю моношарового MGG, зосередженого на моношаровому графені (B) і області прокрутки (C) відповідно.На вставці (B) є зображення з низьким збільшенням, що показує загальну морфологію одношарових MGG на сітці ТЕМ.Вставки (C) — це профілі інтенсивності, взяті вздовж прямокутних квадратів, зазначених на зображенні, де відстані між атомними площинами становлять 0,34 та 0,41 нм.(D ) Вуглецевий спектр EEL K-края з позначеними характерними графічними піками π* і σ*.(E) Розрізне зображення АСМ моношарових сувоїв G/G з профілем висоти вздовж жовтої пунктирної лінії.(F – I) Оптична мікроскопія та АСМ зображення тришарового G без (F та H) та зі скрутками (G та I) на підкладках SiO2/Si товщиною 300 нм відповідно.Репрезентативні сувої та зморшки були позначені, щоб підкреслити їх відмінності.
Щоб переконатися, що сувої за своєю природою є згорнутим графеном, ми провели дослідження просвітливої електронної мікроскопії високої роздільної здатності (TEM) та спектроскопії втрат енергії електронів (EEL) на моношарових структурах верхнього G/G скрутки.На малюнку 1B показано гексагональну структуру моношарового графену, а вставка – це загальна морфологія плівки, покритої єдиним вуглецевим отвором сітки ТЕМ.Моношаровий графен охоплює більшу частину сітки, і деякі графенові пластівці з’являються в присутності кількох стопок гексагональних кілець (рис. 1В).Збільшуючи масштаб окремого сувою (рис. 1C), ми спостерігали велику кількість країв графенової решітки з інтервалом гратки в діапазоні від 0,34 до 0,41 нм.Ці вимірювання свідчать про те, що пластівці згорнуті випадковим чином і не є ідеальним графітом, який має відстань між решітками 0,34 нм при укладанні шарів «ABAB».На малюнку 1D показано спектр EEL K-края вуглецю, де пік при 285 eV походить від π* орбіталі, а інший, близько 290 eV, обумовлений переходом σ* орбіталі.Можна помітити, що зв’язок sp2 домінує в цій структурі, що підтверджує, що сувої мають високу графітність.
Зображення оптичної мікроскопії та атомно-силової мікроскопії (АСМ) дають уявлення про розподіл графенових наносвитків у MGG (рис. 1, від E до G та рис. S1 і S2).Сувої випадково розподілені по поверхні, і їх щільність у площині збільшується пропорційно кількості шарів, що укладаються.Багато сувої заплутуються у вузли і мають неоднорідну 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 їх початкових пластівців графену.Як показано на рис. 1 (H та I), сувої мають значно більші розміри, ніж зморшки, що призводить до значно більш грубої межі між шарами графену.
Для вимірювання електричних властивостей ми розбили графенові плівки з або без спіральних структур і накладання шарів у смужки шириною 300 мкм і довжиною 2000 мкм за допомогою фотолітографії.Опір двох зондів як функцію деформації вимірювали в умовах навколишнього середовища.Наявність свитків зменшила питомий опір для моношарового графену на 80% зі зниженням коефіцієнта пропускання лише на 2,2% (рис. S4).Це підтверджує, що наноскрутки, які мають високу щільність струму до 5 × 107 А/см2 (38, 39 ), роблять дуже позитивний електричний внесок у MGG.Серед усіх одно-, дво- і тришарових простих графенів і MGG тришаровий MGG має найкращу провідність з прозорістю майже 90%.Для порівняння з іншими джерелами графену, про які йдеться в літературі, ми також виміряли опір 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 опір листів штучно складеного багатошарового простого графену з літератури дещо вищий, ніж у нашого MGG, ймовірно, через їх неоптимізовані умови росту та метод перенесення.
(A) Чотиризондові опори листів у порівнянні з коефіцієнтом пропускання при 550 нм для кількох типів графену, де чорні квадрати позначають одно-, дво- і тришарові MGG;червоні кола та сині трикутники відповідають багатошаровому простому графену, вирощеному на Cu та Ni з досліджень Li et al.(6) та Kim et al.(8) відповідно і згодом перенесені на SiO2/Si або кварц;і зелені трикутники є значеннями для RGO на різних ступенях зменшення з дослідження Bonaccorso et al.(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 бішару G (червоний) і MGG (чорний) при циклічній деформації до 50% перпендикулярної деформації.(E) Нормована зміна опору тришару G (червоний) і MGG (чорний) при циклічній деформації до 90% паралельної деформації.(F) Нормована зміна ємності одно-, дво- і тришарових G і дво- і тришарових MGG як функція деформації.Вставка являє собою конденсаторну структуру, 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 в ширину і ~ 5 см в довжину), і провідність вимірювали, коли підкладка була розтягнута. (див. Матеріали та методи) як перпендикулярно, так і паралельно напрямку течії струму (рис. 2, Б і В).Залежна від деформації електрична поведінка покращилася з включенням наносвитків і збільшенням кількості шарів графену.Наприклад, коли деформація перпендикулярна потоку струму, для моношарового графену додавання свитків збільшило деформацію при електричному розриві від 5 до 70%.Стійкість до деформації тришарового графену також значно покращена в порівнянні з одношаровим графеном.З наноскрутками, при 100% перпендикулярному деформації, опір тришарової структури MGG збільшився лише на 50%, порівняно з 300% для тришарового графену без свитків.Досліджено зміну опору при циклічному деформаційному навантаженні.Для порівняння (рис. 2D), опір простої двошарової графенової плівки збільшувався приблизно в 7,5 разів після ~700 циклів при 50% перпендикулярній деформації і продовжував зростати з деформацією в кожному циклі.З іншого боку, опір двошарового MGG збільшився лише приблизно в 2,5 рази після ~700 циклів.Застосовуючи до 90% деформації вздовж паралельного напрямку, опір тришарового графену зріс у ~100 разів після 1000 циклів, тоді як у тришаровому MGG він лише ~8 разів (рис. 2Е).Результати циклу показані на рис.S7.Відносно швидше збільшення опору вздовж паралельного напрямку деформації пояснюється тим, що орієнтація тріщин перпендикулярна до напрямку потоку струму.Відхилення опору під час навантаження та розвантаження обумовлено в’язкопружним відновленням еластомерної підкладки SEBS.Більш стабільний опір смужок MGG під час циклювання пояснюється наявністю великих сувитків, які можуть перекривати розтріскані частини графену (як помічено AFM), допомагаючи підтримувати шлях просочування.Про це явище збереження провідності шляхом просочування повідомлялося раніше для металевих або напівпровідникових плівок із тріщинами на еластомерних підкладках (40, 41).
Щоб оцінити ці плівки на основі графену як електроди затвора в розтяжних пристроях, ми покрили шар графену шаром діелектрика SEBS (товщиною 2 мкм) і відстежили зміну діелектричної ємності як функцію деформації (див. рис. 2F і додаткові матеріали для деталі).Ми помітили, що ємності з простими одношаровими та двошаровими графеновими електродами швидко зменшувалися через втрату провідності графену в площині.На противагу цьому, ємності, створені MGG, а також простим тришаровим графеном, показали збільшення ємності з деформацією, що очікується через зменшення товщини діелектрика з деформацією.Очікуване збільшення ємності дуже добре відповідало структурі MGG (рис. S8).Це вказує на те, що MGG підходить як електрод затвора для розтяжних транзисторів.
Для подальшого дослідження ролі одновимірного графенового сувої на стійкість до деформації електропровідності та кращого контролю поділу між шарами графену ми використовували ВНТ із напиленням, щоб замінити графенові сувої (див. Додаткові матеріали).Щоб імітувати структури MGG, ми нанесли три щільності ВНТ (тобто ВНТ1
(A до C) АСМ зображення трьох різних щільностей ВНТ (CNT1
Щоб краще зрозуміти їхню здатність як електродів для електроніки, що розтягується, ми систематично досліджували морфологію MGG та G-CNT-G під напругою.Оптична мікроскопія та скануюча електронна мікроскопія (SEM) не є ефективними методами визначення характеристик, оскільки в обох відсутні кольоровий контраст, а SEM піддається артефактам зображення під час електронного сканування, коли графен знаходиться на полімерних підкладках (рис. S9 і S10).Щоб спостерігати in situ поверхню графену під напругою, ми зібрали вимірювання АСМ на тришарових MGG і звичайному графені після перенесення на дуже тонкі (завтовшки ~ 0,1 мм) і еластичні підкладки SEBS.Через внутрішні дефекти графену CVD та зовнішні пошкодження під час процесу перенесення на напруженому графені неминуче утворюються тріщини, і зі збільшенням деформації тріщини ставали більш щільними (рис. 4, A–D).Залежно від структури укладання вуглецевих електродів, тріщини мають різну морфологію (рис. S11) (27).Щільність площі тріщини (визначена як площа тріщини/аналізована площа) багатошарового графену менша, ніж у моношарового графену після деформації, що узгоджується зі збільшенням електропровідності для MGG.З іншого боку, часто спостерігаються сувої, які перекривають тріщини, забезпечуючи додаткові провідні шляхи в напруженій плівці.Наприклад, як позначено на зображенні на рис. 4B, широкий сувій перетинав тріщину в тришаровому MGG, але на звичайному графені не спостерігалося жодного сувія (рис. 4, від E до H).Аналогічно, ВНТ також перекривають тріщини в графені (рис. S11).Щільність області тріщин, щільність області прокручування та шорсткість плівок узагальнено на рис. 4K.
(A–H) In situ АСМ зображення тришарових сувитків G/G (A–D) та тришарових G–структур (E–H) на дуже тонкому еластомері SEBS (товщиною ~0,1 мм) при 0, 20, 60 і 100 % напруження.Репрезентативні тріщини та сувої загострені стрілками.Усі АСМ-зображення розміщені в області 15 мкм × 15 мкм із використанням тієї ж колірної шкали, що й позначені.(I) Геометрія моделювання візерункових моношарових графенових електродів на підкладці SEBS.(J) Імітаційна контурна карта максимального головного логарифмічного деформації в моношаровому графені та підкладці SEBS при 20% зовнішньої деформації.(K) Порівняння щільності області тріщини (червоний стовпець), щільності області прокрутки (жовтий стовпець) і шорсткості поверхні (синій стовпець) для різних графенових структур.
Коли плівки MGG розтягуються, існує важливий додатковий механізм, за допомогою якого сувої можуть замикати ділянки графену з тріщинами, підтримуючи перколяційну мережу.Графенові сувої є багатообіцяючими, оскільки вони можуть мати довжину в десятки мікрометрів і, отже, здатні перекривати тріщини, які зазвичай досягають мікрометрового масштабу.Крім того, оскільки сувої складаються з багатьох шарів графену, очікується, що вони будуть мати низький опір.Для порівняння, відносно щільні (нижчий коефіцієнт пропускання) CNT мережі необхідні для забезпечення порівнянної провідної здатності моста, оскільки CNT менші (як правило, кілька мікрометрів у довжину) і менш провідні, ніж скрутки.З іншого боку, як показано на рис.S12, тоді як графен розтріскується під час розтягування, щоб пристосуватись до деформації, сувої не тріскаються, що вказує на те, що останній може ковзати по підлеглому графені.Причина того, що вони не тріскаються, ймовірно, пов’язана з згорнутою структурою, що складається з багатьох шарів графену (довжиною від ~1 до 20 мкм, шириною від ~0,1 до 1 мкм і висотою від ~10 до 100 нм). більш високий ефективний модуль, ніж одношаровий графен.Як повідомляють Green and Hersam (42), металеві мережі CNT (діаметр трубки 1,0 нм) можуть досягати низького опору листа <100 Ом/кв., незважаючи на великий опір переходу між CNT.Враховуючи, що наші графенові сувої мають ширину від 0,1 до 1 мкм і що сувої G/G мають набагато більші площі контакту, ніж CNT, контактний опір і площа контакту між графеновими та графеновими свитками не повинні бути обмежуючими факторами для підтримки високої провідності.
Графен має набагато більший модуль пружності, 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 моделювали деформацію графену товщиною 1 нм на підкладці SEBS (детальніше див. Додаткові матеріали).Згідно з результатами моделювання, коли 20% деформації прикладають до підкладки SEBS ззовні, 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 в області графену та підкладки і виявили, що деформація в області підкладки принаймні вдвічі перевищує деформацію в області графену.Це вказує на те, що деформація, прикладена до візерунків графенових електродів, може бути значно обмежена, утворюючи жорсткі графенові острівці на вершині SEBS (26, 43, 44).
Таким чином, здатність електродів MGG підтримувати високу провідність при високій напругі, ймовірно, забезпечується двома основними механізмами: (i) сувої можуть з’єднувати роз’єднані ділянки, щоб підтримувати провідний шлях перколяції, і (ii) багатошарові графенові листи/еластомер можуть ковзати один над одним, що призводить до зниження навантаження на графенові електроди.Для кількох шарів графену, перенесеного на еластомер, шари не міцно з’єднані один з одним, що може ковзати у відповідь на деформацію (27).Сувої також збільшили шорсткість графенових шарів, що може допомогти збільшити поділ між шарами графену і, отже, дозволити ковзання шарів графену.
Повністю вуглецеві пристрої з ентузіазмом переслідуються через низьку вартість і високу пропускну здатність.У нашому випадку повністю вуглецеві транзистори були виготовлені з використанням нижнього графенового затвора, верхнього графенового контакту джерела/стоку, відсортованого напівпровідника CNT і SEBS як діелектрика (рис. 5A).Як показано на рис. 5B, повністю вуглецеве пристрій з CNT як джерело/сток і затвор (нижній пристрій) є більш непрозорим, ніж пристрій з графеновими електродами (верхній пристрій).Це пояснюється тим, що мережі CNT вимагають більшої товщини і, отже, нижчих оптичних коефіцієнтів пропускання для досягнення опору листа, подібного 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 ненапруженого транзистора становили 800 і 100 мкм відповідно.Виміряний коефіцієнт включення/вимкнення більше 103 при струмах увімкнення та вимкнення на рівнях 10−5 і 10−8 A відповідно.Вихідна крива демонструє ідеальні лінійні режими та режими насичення з чіткою залежністю напруги затвора, що вказує на ідеальний контакт між УНТ та графеновими електродами (45).Помічено, що контактний опір з графеновими електродами нижчий, ніж з випареною плівкою Au (див. рис. S14).Рухливість насичення розтягуючого транзистора становить близько 5,6 см2/Вс, подібна до таких же полімерно-сортованих ВНТ транзисторів на жорстких Si-підкладках із 300-нм SiO2 як шар діелектрика.Подальше покращення мобільності можливе завдяки оптимізованій щільності трубок та інших типів трубок (46).
(A) Схема розтяжного транзистора на основі графену.ОСОНТ, одностінні вуглецеві нанотрубки.(B) Фото розтяжних транзисторів, виготовлених з графенових електродів (вгорі) та електродів CNT (внизу).Різниця в прозорості чітко помітна.( C і D) Криві передачі та виходу транзистора на основі графену на SEBS до деформації.(E та F) Криві передачі, струм увімкнення та вимкнення, співвідношення включення/вимкнення та рухливість транзистора на основі графену при різних деформаціях.
Коли прозорий повністю вуглецевий пристрій було розтягнуто в напрямку, паралельному напрямку транспортування заряду, спостерігалося мінімальне руйнування до 120% деформації.Під час розтягування рухливість постійно 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 до 105% усі ці транзистори все ще демонстрували високий коефіцієнт увімкнення/вимкнення (>103) і рухливість (>3 см2/Vs).Крім того, ми підсумували всі останні роботи над повністю вуглецевими транзисторами (див. таблицю S2) (47–52).Завдяки оптимізації виготовлення пристроїв на еластомерах і використання MGG як контактів, наші повністю вуглецеві транзистори демонструють хорошу продуктивність з точки зору мобільності та гістерезису, а також відрізняються високою розтяжністю.
Як застосування повністю прозорого транзистора, що розтягується, ми використовували його для керування перемиканням світлодіода (рис. 6A).Як показано на рис. 6B, зелений світлодіод можна добре побачити через розтяжний повністю вуглецевий пристрій, розміщений прямо над ним.При розтягуванні до ~100% (рис. 6, C і D), інтенсивність світлодіодного світла не змінюється, що узгоджується з характеристиками транзистора, описаними вище (див. фільм S1).Це перша доповідь про блоки керування, що розтягуються, виготовлені з використанням графенових електродів, що демонструє нову можливість розтяжної електроніки з графену.
(A) Схема транзистора для приводу світлодіода.GND, заземлення.(B) Фотографія розтяжного та прозорого повністю вуглецевого транзистора з деформацією 0%, встановленого над зеленим світлодіодом.(C) Повністю вуглецевий прозорий і розтяжний транзистор, який використовується для перемикання світлодіода, монтується над світлодіодом при 0% (ліворуч) і ~100% деформації (праворуч).Білі стрілки вказують на жовті маркери на пристрої, щоб показати зміну відстані, що розтягується.(D) Вид збоку на розтягнутий транзистор зі світлодіодом, вставленим в еластомер.
На завершення ми розробили прозору провідну структуру графену, яка підтримує високу провідність при великих деформаціях у вигляді розтяжних електродів, завдяки графеновим наноскруткам між укладеними шарами графену.Ці дво- та тришарові MGG-електродні структури на еластомері можуть підтримувати 21 і 65%, відповідно, їх 0% деформаційної провідності при деформації до 100%, порівняно з повною втратою провідності при деформації 5% для типових одношарових графенових електродів. .Додаткові провідні шляхи графенових свитків, а також слабка взаємодія між перенесеними шарами сприяють вищій стабільності провідності під час деформації.Далі ми застосували цю графенову структуру для виготовлення повністю вуглецевих розтяжних транзисторів.Поки що це найбільш розтяжний транзистор на основі графену з найкращою прозорістю без використання викривлення.Незважаючи на те, що це дослідження було проведено, щоб зробити графен для розтяжної електроніки, ми вважаємо, що цей підхід можна поширити на інші 2D-матеріали, щоб уможливити розтягуючу 2D електроніку.
Графен CVD великої площі вирощували на підвішеній фользі Cu (99,999%; Alfa Aesar) під постійним тиском 0,5 мторр з 50–SCCM (стандартний кубічний сантиметр на хвилину) CH4 та 20–SCCM H2 як попередниками при 1000 °C.Обидві сторони медної фольги були покриті одношаровим графеном.Тонкий шар ПММА (2000 об/хв; A4, Microchem) був нанесений на одну сторону фольги Cu, утворюючи структуру PMMA/G/Cu фольга/G.потім всю плівку замочували в 0,1 М розчині персульфату амонію [(NH4)2S2O8] приблизно на 2 години для протравлення Cu фольги.Під час цього процесу незахищений графен на задній стороні спочатку розривається вздовж меж зерен, а потім згортається у сувої через поверхневий натяг.Сувої були прикріплені до верхньої графенової плівки на основі ПММА, утворюючи сувої ПММА/G/G.Потім плівки кілька разів промивали в деіонізованій воді та накладали на цільову підкладку, таку як жорстка SiO2/Si або пластикова підкладка.Як тільки прикріплена плівка висохла на підкладці, зразок послідовно змочували в ацетоні, 1:1 ацетон/IPA (ізопропіловий спирт) і IPA протягом 30 с для видалення PMMA.Плівки нагрівали при 100°C протягом 15 хв або витримували у вакуумі протягом ночі для повного видалення уловленої води перед тим, як на неї перенесли інший шар G/G-скрутку.Цей крок покликаний уникнути відриву графенової плівки від підкладки та забезпечити повне покриття MGG під час вивільнення шару-носія ПММА.
Морфологію структури MGG спостерігали за допомогою оптичного мікроскопа (Leica) та скануючого електронного мікроскопа (1 кВ; FEI).Атомно-силовий мікроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) працював у режимі постукування, щоб спостерігати деталі сувої G.Прозорість плівки перевіряли ультрафіолетово-видимим спектрометром (Agilent Cary 6000i).Для випробувань, коли деформація була вздовж перпендикулярного напрямку потоку струму, використовували фотолітографію та плазму O2 для візерунка графенових структур на смуги (~300 мкм завширшки та ~2000 мкм завдовжки), а Au (50 нм) електроди термічно наносили за допомогою тіньові маски на обох кінцях довгої сторони.Потім графенові смужки контактували з еластомером SEBS (~2 см в ширину і ~5 см в довжину), причому довга вісь смужок була паралельна короткій стороні SEBS, а потім BOE (буферне оксидне травлення) (HF:H2O 1:6) травлення та евтектичний галій-індій (EGaIn) як електричні контакти.Для паралельних випробувань на деформацію графенові структури без візерунка (~5 × 10 мм) переносили на підкладки SEBS з довгими осями, паралельними довгій стороні підкладки SEBS.В обох випадках весь G (без G-свитків)/SEBS був розтягнутий уздовж довгої сторони еластомеру в ручному апараті, і in situ ми виміряли зміни їх опору при навантаженні на зондовій станції за допомогою напівпровідникового аналізатора (Keithley 4200). -SCS).
Високорозтяжні та прозорі повністю вуглецеві транзистори на пружній підкладці були виготовлені за допомогою наступних процедур, щоб уникнути пошкодження полімерного діелектрика та підкладки органічними розчинниками.Структури MGG були перенесені на SEBS як електроди затвора.Для отримання однорідного тонкоплівкового полімерного діелектричного шару (товщиною 2 мкм) розчин толуолу SEBS (80 мг/мл) наносили на октадецилтрихлорсилану (OTS)-модифіковану підкладку SiO2/Si при 1000 об/хв протягом 1 хв.Тонку діелектричну плівку можна легко перенести з гідрофобної поверхні OTS на підкладку SEBS, покриту підготовленим графеном.Конденсатор можна зробити шляхом нанесення рідкометалевого (EGaIn; Sigma-Aldrich) верхнього електрода для визначення ємності як функції деформації за допомогою вимірювача LCR (індуктивності, ємності, опору) (Agilent).Інша частина транзистора складалася з відсортованих полімерами напівпровідникових ВНТ, дотримуючись процедур, про які повідомлялося раніше (53).Узорні електроди джерела/стоку були виготовлені на жорстких підкладках SiO2/Si.Згодом дві частини, діелектрик/G/SEBS і CNTs/малюнок G/SiO2/Si, були ламіновані один на одного та замочували в BOE для видалення жорсткої підкладки SiO2/Si.Таким чином, були виготовлені повністю прозорі та розтяжні транзистори.Електричне випробування на деформацію проводили на ручній установці на розтягування як вищезгаданий метод.
Додатковий матеріал до цієї статті доступний за адресою http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
рис.S1.Оптична мікроскопія зображень моношару MGG на підкладках SiO2/Si при різних збільшеннях.
рис.S4.Порівняння опорів і коефіцієнтів пропускання двох зондових листів при 550 нм одно-, дво- і тришарового простого графену (чорні квадрати), MGG (червоні кола) і CNT (синій трикутник).
рис.S7.Нормована зміна опору одно- і двошарових MGG (чорний) і G (червоний) при навантаженні на циклічну деформацію ~1000 до 40 і 90% паралельної деформації відповідно.
рис.S10.Зображення SEM тришарового MGG на еластомері SEBS після деформації, що показує довгий хрестовий хрест на кількох тріщинах.
рис.S12.АСМ зображення тришарового MGG на дуже тонкому еластомері SEBS при деформації 20%, що показує, що сувій перетинає тріщину.
таблиця S1.Рухливість двошарових транзисторів MGG–одностінних вуглецевих нанотрубок на різних довжинах каналів до і після деформації.
Це стаття з відкритим доступом, яка поширюється згідно з умовами ліцензії Creative Commons Attribution-NonCommercial, яка дозволяє використовувати, розповсюджувати та відтворювати на будь-якому носії, за умови, що кінцеве використання не призначене для комерційної вигоди та за умови, що оригінальний твір належним чином цитується.
ПРИМІТКА. Ми просимо вашу адресу електронної пошти лише для того, щоб особа, якій ви рекомендуєте сторінку, знала, що ви хотіли, щоб вона її побачила, і що це не небажана пошта.Ми не фіксуємо жодну адресу електронної пошти.
Це запитання призначено для перевірки того, чи є ви відвідувачем чи ні, і щоб запобігти автоматичному надсиланню спаму.
Автори: Нан Лю, Алекс Чортос, Тін Лей, Ліхуа Цзінь, Таехо Рой Кім, Вон-Гю Бае, Ченсінь Чжу, Сіхон Ван, Рафаель Пфатнер, Сіюань Чен, Роберт Сінклер, Чженань Бао
Автори: Нан Лю, Алекс Чортос, Тін Лей, Ліхуа Цзінь, Таехо Рой Кім, Вон-Гю Бае, Ченсінь Чжу, Сіхон Ван, Рафаель Пфатнер, Сіюань Чен, Роберт Сінклер, Чженань Бао
© 2021 Американська асоціація розвитку науки.Всі права захищені.AAAS є партнером HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef і COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Час розміщення: 28 січня 2021 р