Двуизмерните материали, като графен, са привлекателни както за конвенционални полупроводникови приложения, така и за зараждащи се приложения в гъвкавата електроника. Високата якост на опън на графена обаче води до разкъсване при ниско напрежение, което затруднява използването на неговите изключителни електронни свойства в разтеглива електроника. За да се осигури отлична производителност в зависимост от напрежението на прозрачни графенови проводници, ние създадохме графенови наносвирци между подредени графенови слоеве, наричани многослойни графенови/графенови свитъци (MGG). Под напрежение някои свитъци свързваха фрагментираните домейни на графена, за да поддържат перколираща мрежа, която осигуряваше отлична проводимост при високи напрежения. Трислойните MGG, поддържани върху еластомери, запазиха 65% от първоначалната си проводимост при 100% напрежение, което е перпендикулярно на посоката на протичане на тока, докато трислойните филми от графен без наносвирци запазиха само 25% от началната си проводимост. Разтеглив изцяло въглероден транзистор, изработен с помощта на MGG като електроди, показа пропускливост >90% и запази 60% от първоначалния си токов изход при 120% напрежение (успоредно на посоката на пренос на заряд). Тези силно разтегливи и прозрачни изцяло въглеродни транзистори биха могли да позволят създаването на сложна разтеглива оптоелектроника.
Разтегливата прозрачна електроника е развиваща се област, която има важни приложения в усъвършенствани биоинтегрирани системи (1, 2), както и потенциал за интегриране с разтеглива оптоелектроника (3, 4) за производство на сложни меки роботи и дисплеи. Графенът проявява силно желани свойства на атомна дебелина, висока прозрачност и висока проводимост, но прилагането му в разтегливи приложения е възпрепятствано от склонността му да се напуква при малки напрежения. Преодоляването на механичните ограничения на графена би могло да даде възможност за нова функционалност в разтегливи прозрачни устройства.
Уникалните свойства на графена го правят силен кандидат за следващото поколение прозрачни проводими електроди (5, 6). В сравнение с най-често използвания прозрачен проводник, индиево-калаен оксид [ITO; 100 ома/квадрат (кв.м) при 90% прозрачност], монослойният графен, отгледан чрез химическо отлагане на пари (CVD), има подобна комбинация от листово съпротивление (125 ома/кв.м) и прозрачност (97,4%) (5). Освен това, графеновите филми имат изключителна гъвкавост в сравнение с ITO (7). Например, върху пластмасова подложка, неговата проводимост може да се запази дори при радиус на огъване на кривината от едва 0,8 мм (8). За да се подобрят допълнително електрическите му характеристики като прозрачен гъвкав проводник, предишни изследвания са разработили графенови хибридни материали с едномерни (1D) сребърни нанопроводници или въглеродни нанотръби (CNT) (9–11). Освен това, графенът е бил използван като електроди за смесени размерни хетероструктурни полупроводници (като 2D обемен Si, 1D нанопроводници/нанотръби и 0D квантови точки) (12), гъвкави транзистори, слънчеви клетки и светодиоди (LED) (13–23).
Въпреки че графенът е показал обещаващи резултати за гъвкава електроника, приложението му в разтегливата електроника е ограничено от механичните му свойства (17, 24, 25); графенът има равнинна твърдост от 340 N/m и модул на Юнг от 0,5 TPa (26). Силната въглерод-въглеродна мрежа не осигурява никакви механизми за разсейване на енергия за приложеното напрежение и следователно лесно се напуква при по-малко от 5% напрежение. Например, CVD графен, пренесен върху еластичен субстрат от полидиметилсилоксан (PDMS), може да поддържа проводимостта си само при по-малко от 6% напрежение (8). Теоретичните изчисления показват, че намачкването и взаимодействието между различните слоеве би трябвало силно да намалят твърдостта (26). Чрез подреждане на графен в множество слоеве се съобщава, че този дву- или трислоен графен е разтеглив до 30% напрежение, показвайки промяна на съпротивлението 13 пъти по-малка от тази на еднослойния графен (27). Тази разтегливост обаче все още е значително по-ниска от тази на най-съвременните разтегливи проводници (28, 29).
Транзисторите са важни в разтегливите приложения, защото позволяват сложно отчитане на сензори и анализ на сигнали (30, 31). Транзисторите върху PDMS с многослоен графен като сорс/дрейн електроди и канален материал могат да поддържат електрическа функция до 5% деформация (32), което е значително под минимално изискваната стойност (~50%) за носими сензори за наблюдение на здравето и електронна кожа (33, 34). Наскоро беше изследван подход с графенов киригами и транзисторът, затворен от течен електролит, може да се разтегне до 240% (35). Този метод обаче изисква суспендиран графен, което усложнява процеса на производство.
Тук ние постигаме силно разтегливи графенови устройства чрез интеркалиране на графенови свитъци (с дължина ~1 до 20 μm, ширина ~0,1 до 1 μm и височина ~10 до 100 nm) между графеновите слоеве. Предполагаме, че тези графенови свитъци биха могли да осигурят проводими пътища за преодоляване на пукнатини в графеновите листове, като по този начин поддържат висока проводимост при напрежение. Графеновите свитъци не изискват допълнителен синтез или процес; те се образуват естествено по време на процедурата на мокър трансфер. Чрез използване на многослойни G/G (графен/графен) свитъци (MGG), разтегливи графенови електроди (сорс/дрейн и гейт) и полупроводникови въглеродни нанотрубки, успяхме да демонстрираме силно прозрачни и силно разтегливи изцяло въглеродни транзистори, които могат да бъдат разтегнати до 120% напрежение (успоредно на посоката на пренос на заряд) и да запазят 60% от първоначалния си токов изход. Това е най-разтегливият прозрачен транзистор на въглеродна основа досега и той осигурява достатъчен ток за захранване на неорганичен светодиод.
За да се получат прозрачни, разтегливи графенови електроди с голяма площ, избрахме графен, отгледан чрез CVD, върху медно фолио. Медното фолио беше окачено в центъра на кварцова CVD тръба, за да се позволи растежът на графена от двете страни, образувайки G/Cu/G структури. За да прехвърлим графена, първо нанесохме чрез центрофугиране тънък слой поли(метилметакрилат) (PMMA), за да защитим едната страна на графена, който нарекохме горен графен (обратно за другата страна на графена), а впоследствие целият филм (PMMA/горен графен/Cu/долен графен) беше напоен с разтвор на (NH4)2S2O8, за да ецваме медното фолио. Долният графен без PMMA покритие неизбежно ще има пукнатини и дефекти, които позволяват на ецващото средство да проникне през него (36, 37). Както е показано на Фиг. 1А, под въздействието на повърхностно напрежение, освободените графенови домени се навиват на свитъци и впоследствие се прикрепват към останалия горен G/PMMA филм. Спиралите отгоре G/G могат да бъдат прехвърлени върху всякакъв субстрат, като например SiO2/Si, стъкло или мек полимер. Повтарянето на този процес на прехвърляне няколко пъти върху същия субстрат дава MGG структури.
(A) Схематична илюстрация на процедурата за производство на MGG като разтеглив електрод. По време на прехвърлянето на графен, задната страна на графена върху Cu фолио е била счупена по граници и дефекти, навита в произволни форми и плътно прикрепена към горните филми, образувайки наносвитаци. Четвъртата карикатура изобразява подредената MGG структура. (B и C) TEM характеристики с висока резолюция на монослоен MGG, фокусирани съответно върху монослойния графен (B) и областта на свитъка (C). Вложката на (B) е изображение с ниско увеличение, показващо цялостната морфология на монослойните MGG върху TEM мрежата. Вложките на (C) са профилите на интензитета, направени по правоъгълните кутии, посочени на изображението, където разстоянията между атомните равнини са 0,34 и 0,41 nm. (D) EEL спектър на въглеродния K-ръб с обозначени характерни графитни π* и σ* пикове. (E) Секционно AFM изображение на монослойни G/G свитъци с височинен профил по жълтата пунктирана линия. (F до I) Изображения от оптична микроскопия и AFM на трислой G без (F и H) и със спирали (G и I) върху SiO2/Si субстрати с дебелина 300 nm, съответно. Представителните спирали и гънки бяха обозначени, за да се подчертаят разликите им.
За да проверим дали свитъците са навити от графен, проведохме изследвания с трансмисионна електронна микроскопия (TEM) с висока резолюция и спектроскопия за загуба на електронна енергия (EEL) върху монослойните структури на свитъците отгоре G/G. Фигура 1B показва хексагоналната структура на монослоен графен, а вложката е обща морфология на филма, покрит върху единичен въглероден отвор на TEM решетката. Монослойният графен обхваща по-голямата част от решетката и се появяват някои графенови люспи в присъствието на множество стекове от шестоъгълни пръстени (фиг. 1B). Чрез увеличаване на отделен свитък (фиг. 1C) наблюдавахме голямо количество графенови решетъчни ресни, с разстояние между решетките в диапазона от 0,34 до 0,41 nm. Тези измервания показват, че люспите са навити на случаен принцип и не са перфектен графит, който има разстояние между решетките от 0,34 nm при подреждане на слоеве „ABAB“. Фигура 1D показва EEL спектъра на K-ръба на въглерода, където пикът при 285 eV произхожда от π* орбиталата, а другият около 290 eV се дължи на прехода на σ* орбиталата. Вижда се, че sp2 връзката доминира в тази структура, което потвърждава, че спиралите са силно графитни.
Изображенията от оптична микроскопия и атомно-силова микроскопия (АСМ) предоставят представа за разпределението на графеновите наносвитки в MGG (фиг. 1, E до G и фиг. S1 и S2). Свитките са разпределени на случаен принцип по повърхността и тяхната плътност в равнината се увеличава пропорционално на броя на подредените слоеве. Много свитъци са заплетени във възли и показват неравномерни височини в диапазона от 10 до 100 nm. Те са с дължина от 1 до 20 μm и ширина от 0,1 до 1 μm, в зависимост от размерите на първоначалните им графенови люспи. Както е показано на фиг. 1 (H и I), свитъците имат значително по-големи размери от бръчките, което води до много по-груб интерфейс между графеновите слоеве.
За да измерим електрическите свойства, ние оформихме графенови филми със или без спираловидни структури и подреждане на слоеве в ленти с ширина 300 μm и дължина 2000 μm, използвайки фотолитография. Съпротивленията с две сонди като функция на деформацията бяха измерени при околни условия. Наличието на спирали намали съпротивлението на монослойния графен с 80%, като пропускливостта намаля само с 2,2% (фиг. S4). Това потвърждава, че наноспиралите, които имат висока плътност на тока до 5 × 107 A/cm2 (38, 39), имат много положителен електрически принос към MGG. Сред всички моно-, дву- и трислойни обикновени графени и MGG, трислойният MGG има най-добра проводимост с прозрачност от почти 90%. За сравнение с други източници на графен, докладвани в литературата, ние също измерихме съпротивленията на четирисондови листове (фиг. S5) и ги изброихме като функция на пропускливостта при 550 nm (фиг. S6) на фиг. 2A. MGG показва сравнима или по-висока проводимост и прозрачност от изкуствено подреден многослоен обикновен графен и редуциран графенов оксид (RGO) (6, 8, 18). Обърнете внимание, че съпротивленията на слоевете на изкуствено подреден многослоен обикновен графен от литературата са малко по-високи от тези на нашия MGG, вероятно поради неоптимизираните им условия на растеж и метод на трансфер.
(A) Съпротивления на четирислойни листове спрямо пропускливостта при 550 nm за няколко вида графен, където черните квадрати означават моно-, дву- и трислойни MGG; червените кръгове и сините триъгълници съответстват на многослоен обикновен графен, отгледан върху Cu и Ni от изследванията на Li et al. (6) и Kim et al. (8), съответно, и впоследствие прехвърлен върху SiO2/Si или кварц; а зелените триъгълници са стойности за RGO при различни степени на редукция от изследването на Bonaccorso et al. (18). (B и C) Нормализирана промяна на съпротивлението на моно-, дву- и трислойни MGG и G като функция на перпендикулярно (B) и паралелно (C) напрежение спрямо посоката на протичане на тока. (D) Нормализирана промяна на съпротивлението на двуслой G (червено) и MGG (черно) при циклично натоварване с деформация до 50% перпендикулярна деформация. (E) Нормализирана промяна на съпротивлението на трислой G (червено) и MGG (черно) при циклично натоварване с деформация до 90% паралелна деформация. (F) Нормализирана промяна на капацитета на моно-, дву- и трислойни G и дву- и трислойни MGG като функция на деформацията. Вложката е кондензаторната структура, където полимерният субстрат е SEBS, а полимерният диелектричен слой е SEBS с дебелина 2 μm.
За да оценим зависимата от деформацията характеристика на MGG, пренесохме графен върху термопластични еластомерни стирен-етилен-бутадиен-стиренови (SEBS) субстрати (~2 cm ширина и ~5 cm дължина) и проводимостта беше измерена при разтягане на субстрата (вижте Материали и методи), както перпендикулярно, така и успоредно на посоката на протичане на тока (Фиг. 2, B и C). Зависимото от деформацията електрическо поведение се подобри с включването на наносвитки и увеличаване на броя на графеновите слоеве. Например, когато деформацията е перпендикулярна на протичането на тока, за монослойния графен, добавянето на свитъци увеличи деформацията при електрическо скъсване от 5 на 70%. Толерансът на деформация на трислойния графен също е значително подобрен в сравнение с монослойния графен. При наносвитки, при 100% перпендикулярна деформация, съпротивлението на трислойната MGG структура се увеличи само с 50%, в сравнение с 300% за трислойния графен без свитъци. Беше изследвана промяната на съпротивлението при циклично деформационно натоварване. За сравнение (фиг. 2D), съпротивленията на обикновен двуслоен графенов филм се увеличават около 7,5 пъти след ~700 цикъла при 50% перпендикулярно напрежение и продължават да се увеличават с напрежението във всеки цикъл. От друга страна, съпротивлението на двуслоен MGG се увеличава само около 2,5 пъти след ~700 цикъла. Прилагайки до 90% напрежение по паралелната посока, съпротивлението на трислойния графен се увеличава ~100 пъти след 1000 цикъла, докато при трислоен MGG е само ~8 пъти (фиг. 2E). Резултатите от циклирането са показани на фиг. S7. Относително по-бързото увеличение на съпротивлението по паралелната посока на напрежение се дължи на факта, че ориентацията на пукнатините е перпендикулярна на посоката на протичане на тока. Отклонението на съпротивлението по време на натоварване и разтоварване се дължи на вискоеластичното възстановяване на еластомерния субстрат SEBS. По-стабилното съпротивление на MGG лентите по време на циклиране се дължи на наличието на големи спирали, които могат да преодолеят напуканите части на графена (както е наблюдавано чрез AFM), помагайки за поддържане на перколиращ път. Това явление на поддържане на проводимост чрез перколиращ път е било докладвано преди за напукани метални или полупроводникови филми върху еластомерни подложки (40, 41).
За да оценим тези филми на основата на графен като гейт електроди в разтегливи устройства, покрихме графеновия слой с диелектричен слой SEBS (с дебелина 2 μm) и наблюдавахме промяната на диелектричния капацитет като функция на деформацията (вижте Фиг. 2F и Допълнителните материали за подробности). Наблюдавахме, че капацитетите с обикновени монослойни и двуслойни графенови електроди бързо намаляват поради загубата на проводимост в равнината на графена. За разлика от това, капацитетите, гейтирани от MGG, както и обикновен трислоен графен, показват увеличение на капацитета с деформацията, което се очаква поради намаляване на диелектричната дебелина с деформацията. Очакваното увеличение на капацитета съвпада много добре със структурата на MGG (фиг. S8). Това показва, че MGG е подходящ като гейт електрод за разтегливи транзистори.
За да проучим по-нататък ролята на 1D графеновия свитък върху толеранса за деформация на електрическата проводимост и по-добре да контролираме разделянето между графеновите слоеве, използвахме нанесени чрез пръскане CNT, за да заменим графеновите свитъци (вижте Допълнителни материали). За да имитираме MGG структури, отложихме CNT с три плътности (т.е. CNT1
(A до C) AFM изображения на три различни плътности на въглеродни нанотрубки (CNT1
За да разберем по-добре способността им като електроди за разтеглива електроника, систематично изследвахме морфологиите на MGG и G-CNT-G под напрежение. Оптичната микроскопия и сканиращата електронна микроскопия (SEM) не са ефективни методи за характеризиране, тъй като и двете нямат цветен контраст, а SEM е подложен на артефакти в изображението по време на електронно сканиране, когато графенът е върху полимерни субстрати (фиг. S9 и S10). За да наблюдаваме in situ графеновата повърхност под напрежение, събрахме AFM измервания върху трислойни MGG и обикновен графен след прехвърляне върху много тънки (~0,1 мм дебелина) и еластични SEBS субстрати. Поради присъщите дефекти в CVD графена и външните повреди по време на процеса на прехвърляне, неизбежно се генерират пукнатини върху опънатия графен и с увеличаване на напрежението пукнатините стават по-плътни (фиг. 4, A до D). В зависимост от структурата на подреждане на въглеродните електроди, пукнатините показват различна морфология (фиг. S11) (27). Плътността на площта на пукнатините (дефинирана като площ на пукнатината/анализирана площ) на многослойния графен е по-малка от тази на монослойния графен след деформация, което е в съответствие с увеличаването на електрическата проводимост на MGG. От друга страна, често се наблюдават спирали, които преодоляват пукнатините, осигурявайки допълнителни проводими пътища в деформирания филм. Например, както е отбелязано на изображението на Фиг. 4B, широка спирала пресича пукнатина в трислойния MGG, но не се наблюдава спирала в обикновения графен (Фиг. 4, от E до H). По подобен начин, въглеродните нанотрубки (CNT) също преодоляват пукнатините в графена (Фиг. S11). Плътността на площта на пукнатините, плътността на площта на спиралите и грапавостта на филмите са обобщени на Фиг. 4K.
(A до H) In situ AFM изображения на трислойни G/G спирали (A до D) и трислойни G структури (E до H) върху много тънък SEBS (~0,1 mm дебел) еластомер при 0, 20, 60 и 100% деформация. Представителните пукнатини и спирали са обозначени със стрелки. Всички AFM изображения са в област от 15 μm × 15 μm, като се използва същата цветова скала, както е обозначена. (I) Симулационна геометрия на шарени монослойни графенови електроди върху SEBS субстрата. (J) Симулационна контурна карта на максималното главно логаритмично деформиране в монослойния графен и SEBS субстрата при 20% външно деформиране. (K) Сравнение на плътността на площта на пукнатините (червена колона), плътността на площта на спиралите (жълта колона) и грапавостта на повърхността (синя колона) за различни графенови структури.
Когато MGG филмите се разтягат, съществува важен допълнителен механизъм, чрез който свитъците могат да преодолеят напукани области на графена, поддържайки перколираща мрежа. Графеновите свитъци са обещаващи, защото могат да бъдат с дължина десетки микрометри и следователно са способни да преодолеят пукнатини, които обикновено са с мащаб до микрометър. Освен това, тъй като свитъците се състоят от многослойни графени, се очаква те да имат ниско съпротивление. За сравнение, са необходими относително плътни (с по-ниска пропускливост) CNT мрежи, за да се осигури сравнима проводима мостова способност, тъй като CNT са по-малки (обикновено с дължина няколко микрометра) и по-малко проводими от свитъците. От друга страна, както е показано на фиг. S12, докато графенът се напуква по време на разтягане, за да се поеме напрежение, свитъците не се напукват, което показва, че последните може да се плъзгат върху подлежащия графен. Причината, поради която те не се напукват, вероятно се дължи на навитата структура, съставена от много слоеве графен (~1 до 20 μm дължина, ~0,1 до 1 μm ширина и ~10 до 100 nm височина), който има по-висок ефективен модул от еднослойния графен. Както е съобщено от Green и Hersam (42), металните CNT мрежи (диаметър на тръбата 1,0 nm) могат да постигнат ниски съпротивления на слоя <100 ома/кв. см, въпреки голямото съпротивление на прехода между CNT. Като се има предвид, че нашите графенови свитъци имат ширина от 0,1 до 1 μm и че G/G свитъците имат много по-големи контактни площи от CNT, контактното съпротивление и контактната площ между графена и графеновите свитъци не би трябвало да са ограничаващи фактори за поддържане на висока проводимост.
Графенът има много по-висок модул от SEBS субстрата. Въпреки че ефективната дебелина на графеновия електрод е много по-ниска от тази на субстрата, твърдостта на графена, умножена по дебелината му, е сравнима с тази на субстрата (43, 44), което води до умерен ефект на твърд остров. Симулирахме деформацията на графен с дебелина 1 nm върху SEBS субстрат (вижте Допълнителните материали за подробности). Според резултатите от симулацията, когато към SEBS субстрата се прилага 20% деформация отвън, средната деформация в графена е ~6,6% (фиг. 4J и фиг. S13D), което е в съответствие с експерименталните наблюдения (вижте фиг. S13). Сравнихме деформацията в областите на графена и субстрата с помощта на оптична микроскопия и установихме, че деформацията в областта на субстрата е поне два пъти по-голяма от деформацията в областта на графена. Това показва, че деформацията, приложена върху моделите на графенови електроди, може да бъде значително ограничена, образувайки твърди графенови острови върху SEBS (26, 43, 44).
Следователно, способността на MGG електродите да поддържат висока проводимост при високо напрежение вероятно се осигурява от два основни механизма: (i) Спиралите могат да преодоляват несвързани области, за да поддържат проводим перколационен път, и (ii) многослойните графенови листове/еластомер могат да се плъзгат един върху друг, което води до намалено напрежение върху графеновите електроди. При множество слоеве прехвърлен графен върху еластомер, слоевете не са здраво свързани помежду си, което може да се плъзга в отговор на напрежението (27). Спиралите също така увеличават грапавостта на графеновите слоеве, което може да помогне за увеличаване на разстоянието между графеновите слоеве и следователно да позволи плъзгането на графеновите слоеве.
Изцяло въглеродните устройства са ентусиазирано разработени поради ниската цена и високата производителност. В нашия случай, изцяло въглеродните транзистори бяха изработени с използване на долен графенов гейт, горен графенов контакт източник/дрейн, сортиран CNT полупроводник и SEBS като диелектрик (фиг. 5A). Както е показано на фиг. 5B, изцяло въглеродно устройство с CNT като източник/дрейн и гейт (долно устройство) е по-непрозрачно от устройството с графенови електроди (горно устройство). Това е така, защото CNT мрежите изискват по-големи дебелини и следователно по-ниски оптични пропускливости, за да се постигнат съпротивления на слоевете, подобни на тези на графена (фиг. S4). Фигура 5 (C и D) показва представителни криви на прехвърляне и изход преди деформация за транзистор, направен с двуслойни MGG електроди. Ширината и дължината на канала на ненапрегнатия транзистор бяха съответно 800 и 100 μm. Измереното съотношение на включване/изключване е по-голямо от 103 с токове на включване и изключване на нива от 10−5 и 10−8 A, съответно. Изходната крива показва идеални линейни и наситени режими с ясна зависимост от напрежението на затвора, което показва идеален контакт между въглеродните нанотрубки и графеновите електроди (45). Наблюдавано е, че контактното съпротивление с графенови електроди е по-ниско от това с изпарен Au филм (виж фиг. S14). Подвижността на насищане на разтегливия транзистор е около 5,6 cm2/Vs, подобно на тази на същите полимерно сортирани въглеродни нанотрубки върху твърди Si подложки с 300 nm SiO2 като диелектричен слой. По-нататъшно подобрение на мобилността е възможно с оптимизирана плътност на тръбите и други видове тръби (46).
(A) Схема на разтеглив транзистор на основата на графен. SWNT, едностенни въглеродни нанотръби. (B) Снимка на разтегливите транзистори, изработени от графенови електроди (горе) и CNT електроди (долу). Разликата в прозрачността е ясно забележима. (C и D) Криви на прехвърляне и изход на транзистора на основата на графен върху SEBS преди деформация. (E и F) Криви на прехвърляне, ток на включване и изключване, съотношение на включване/изключване и мобилност на транзистора на основата на графен при различни деформации.
Когато прозрачното, изцяло въглеродно устройство беше разтегнато в посока, успоредна на посоката на пренос на заряда, се наблюдаваше минимално влошаване до 120% деформация. По време на разтягане, мобилността непрекъснато намаляваше от 5,6 cm2/Vs при 0% деформация до 2,5 cm2/Vs при 120% деформация (фиг. 5F). Също така сравнихме производителността на транзистора за различни дължини на канала (вижте таблица S1). Забележително е, че при деформация до 105%, всички тези транзистори все още показваха високо съотношение включване/изключване (>103) и мобилност (>3 cm2/Vs). Освен това, обобщихме всички скорошни изследвания върху изцяло въглеродни транзистори (вижте таблица S2) (47–52). Чрез оптимизиране на производството на устройства върху еластомери и използване на MGG като контакти, нашите изцяло въглеродни транзистори показват добри характеристики по отношение на мобилност и хистерезис, както и висока разтегливост.
Като приложение на напълно прозрачния и разтеглив транзистор, ние го използвахме за управление на превключването на светодиод (фиг. 6A). Както е показано на фиг. 6B, зеленият светодиод може да се види ясно през разтегливото изцяло въглеродно устройство, поставено директно отгоре. При разтягане до ~100% (фиг. 6, C и D), интензитетът на светлината на светодиода не се променя, което е в съответствие с описаните по-горе характеристики на транзистора (вижте филма S1). Това е първият доклад за разтегливи управляващи устройства, направени с помощта на графенови електроди, демонстрирайки нова възможност за разтеглива графенова електроника.
(A) Верига на транзистор за управление на светодиода. GND, земя. (B) Снимка на разтегливия и прозрачен изцяло въглероден транзистор при 0% напрежение, монтиран над зелен светодиод. (C) Изцяло въглеродният прозрачен и разтеглив транзистор, използван за превключване на светодиода, е монтиран над светодиода при 0% (вляво) и ~100% напрежение (вдясно). Белите стрелки сочат като жълти маркери на устройството, за да покажат промяната на разстоянието при разтягане. (D) Страничен изглед на разтегнатия транзистор, като светодиодът е натиснат в еластомера.
В заключение, ние разработихме прозрачна проводима графенова структура, която поддържа висока проводимост при големи напрежения, подобно на разтегливи електроди, благодарение на графенови наносвирки между подредени графенови слоеве. Тези дву- и трислойни MGG електродни структури върху еластомер могат да поддържат съответно 21 и 65% от своята 0% проводимост при напрежения до 100%, в сравнение с пълна загуба на проводимост при 5% напрежения за типични еднослойни графенови електроди. Допълнителните проводими пътища на графеновите свитъци, както и слабото взаимодействие между прехвърлените слоеве, допринасят за превъзходната стабилност на проводимостта при напрежения. Освен това приложихме тази графенова структура, за да създадем изцяло въглеродни разтегливи транзистори. Досега това е най-разтегливият транзистор на базата на графен с най-добра прозрачност без използване на огъване. Въпреки че настоящото проучване е проведено, за да се даде възможност за използване на графен за разтеглива електроника, ние вярваме, че този подход може да бъде разширен до други 2D материали, за да се даде възможност за разтеглива 2D електроника.
CVD графен с голяма площ беше отгледан върху окачени Cu фолиа (99,999%; Alfa Aesar) под постоянно налягане от 0,5 mtorr с 50–SCCM (стандартен кубичен сантиметър на минута) CH4 и 20–SCCM H2 като прекурсори при 1000°C. Двете страни на Cu фолиото бяха покрити с монослоен графен. Тънък слой PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) беше нанесен чрез центрофугиране от едната страна на Cu фолиото, образувайки структура PMMA/G/Cu фолио/G. Впоследствие целият филм беше накиснат в 0,1 M разтвор на амониев персулфат [(NH4)2S2O8] за около 2 часа, за да се ецва Cu фолиото. По време на този процес, незащитеният графен от задната страна първо се разкъса по границите на зърната и след това се нави на свитъци поради повърхностното напрежение. Свитъците бяха прикрепени към горния графенов филм, поддържан от PMMA, образувайки PMMA/G/G свитъци. Впоследствие филмите бяха измити няколко пъти в дейонизирана вода и поставени върху целеви субстрат, като например твърд SiO2/Si или пластмасов субстрат. Веднага след като прикрепеният филм изсъхне върху субстрата, пробата беше последователно накисната в ацетон, 1:1 ацетон/IPA (изопропилов алкохол) и IPA за по 30 секунди, за да се отстрани PMMA. Филмите бяха нагрявани при 100°C за 15 минути или държани във вакуум за една нощ, за да се отстрани напълно задържаната вода, преди върху тях да се прехвърли друг слой G/G спирала. Тази стъпка беше, за да се избегне отделянето на графеновия филм от субстрата и да се осигури пълно покритие на MGG по време на освобождаването на носещия слой PMMA.
Морфологията на MGG структурата е наблюдавана с помощта на оптичен микроскоп (Leica) и сканиращ електронен микроскоп (1 kV; FEI). Атомно-силов микроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) е работел в режим на потупване, за да се наблюдават детайлите на G-образните свитъци. Прозрачността на филма е тествана с ултравиолетов-видим спектрометър (Agilent Cary 6000i). За тестовете, когато деформацията е по посока, перпендикулярна на посоката на протичане на тока, са използвани фотолитография и O2 плазма за моделиране на графеновите структури в ленти (~300 μm ширина и ~2000 μm дължина), а Au (50 nm) електроди са термично отложени с помощта на маски за сянка в двата края на дългата страна. След това графеновите ленти са поставени в контакт с SEBS еластомер (~2 cm ширина и ~5 cm дължина), като дългата ос на лентите е успоредна на късата страна на SEBS, последвано от BOE (буферирано оксидно ецване) (HF:H2O 1:6) ецване и евтектичен галий-индий (EGaIn) като електрически контакти. За паралелни тестове на деформация, неструктурирани графенови структури (~5 × 10 mm) бяха пренесени върху SEBS субстрати, с дълги оси, успоредни на дългата страна на SEBS субстрата. И в двата случая целият G (без G свитъци)/SEBS беше разтегнат по дългата страна на еластомера в ръчен апарат и in situ измерихме промените в съпротивлението им под напрежение на сондираща станция с полупроводников анализатор (Keithley 4200-SCS).
Силно разтегливите и прозрачни изцяло въглеродни транзистори върху еластичен субстрат бяха изработени по следните процедури, за да се избегне увреждане от органичен разтворител на полимерния диелектрик и субстрата. MGG структурите бяха прехвърлени върху SEBS като гейт електроди. За да се получи равномерен тънкослоен полимерен диелектричен слой (с дебелина 2 μm), разтвор на SEBS толуен (80 mg/ml) беше нанесен чрез центрофугиране върху модифициран с октадецилтрихлоросилан (OTS) SiO2/Si субстрат при 1000 rpm за 1 минута. Тънкият диелектричен филм може лесно да се прехвърли от хидрофобната OTS повърхност върху SEBS субстрата, покрит с приготвения графен. Кондензатор може да се направи чрез отлагане на горен електрод от течен метал (EGaIn; Sigma-Aldrich), за да се определи капацитетът като функция на напрежението с помощта на LCR (индуктивност, капацитет, съпротивление) метър (Agilent). Другата част на транзистора се състоеше от полимерно сортирани полупроводникови въглеродни нанотрубки, следвайки процедурите, описани по-рано (53). Структурираните сорс/дрейн електроди бяха изработени върху твърди SiO2/Si субстрати. Впоследствие двете части, диелектрик/G/SEBS и въглеродни нанотрубки/моделиран G/SiO2/Si, бяха ламинирани една към друга и накиснати в BOE, за да се отстрани твърдият SiO2/Si субстрат. По този начин бяха изработени напълно прозрачни и разтегливи транзистори. Електрическите тестове под напрежение бяха извършени на установка за ръчно разтягане по гореспоменатия метод.
Допълнителни материали към тази статия са достъпни на http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
фиг. S1. Изображения от оптична микроскопия на монослоен MGG върху SiO2/Si субстрати при различни увеличения.
фиг. S4. Сравнение на съпротивленията и пропускливостта на двуслойни листове при 550 nm на моно-, дву- и трислоен обикновен графен (черни квадрати), MGG (червени кръгове) и CNT (син триъгълник).
фиг. S7. Нормализирана промяна на съпротивлението на едно- и двуслойни MGG (черен) и G (червен) при циклично натоварване от ~1000 Hz до 40% и 90% паралелно напрежение, съответно.
фиг. S10. SEM изображение на трислоен MGG върху SEBS еластомер след деформация, показващо дълга спираловидна линия, пресичаща няколко пукнатини.
фиг. S12. AFM изображение на трислоен MGG върху много тънък SEBS еластомер при 20% деформация, показващо, че спирала е пресекла пукнатина.
таблица S1. Подвижности на двуслойни MGG-едностенни въглеродни нанотръбни транзистори при различни дължини на канала преди и след деформация.
Това е статия с отворен достъп, разпространявана съгласно условията на лиценза Creative Commons Attribution-NonCommercial, който позволява използването, разпространението и възпроизвеждането във всякакъв носител, стига произтичащото от това използване да не е за търговска изгода и при условие че оригиналната работа е правилно цитирана.
ЗАБЕЛЕЖКА: Искаме вашия имейл адрес само за да знае човекът, на когото препоръчвате страницата, че сте искали да я види и че това не е нежелана поща. Ние не събираме никакви имейл адреси.
Този въпрос е за проверка дали сте човек и за предотвратяване на автоматизирани спам съобщения.
От 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
От 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 Американска асоциация за напредък на науката. Всички права запазени. AAAS е партньор на HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef и COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Време на публикуване: 28 януари 2021 г.