Двуизмерните материали, като графен, са привлекателни както за конвенционални полупроводникови приложения, така и за зараждащи се приложения в гъвкавата електроника. Въпреки това, високата якост на опън на графена води до счупване при ниско напрежение, което прави предизвикателство да се възползват от неговите изключителни електронни свойства в разтеглива електроника. За да позволим отлична производителност, зависима от напрежението, на прозрачни графенови проводници, ние създадохме графенови наносвитки между подредените графенови слоеве, наричани многослойни графенови/графенови свитъци (MGG). При напрежение някои свитъци свързват фрагментираните области на графена, за да поддържат проникваща мрежа, която позволява отлична проводимост при големи напрежения. Трислойните MGGs, поддържани върху еластомери, запазват 65% от първоначалната си проводимост при 100% напрежение, което е перпендикулярно на посоката на текущия поток, докато трислойните филми от графен без наносвитки запазват само 25% от началната си проводимост. Разтеглив изцяло въглероден транзистор, произведен с помощта на MGG като електроди, показва пропускливост от >90% и запазва 60% от първоначалния си токов изход при 120% напрежение (успоредно на посоката на транспортиране на заряда). Тези силно разтегливи и прозрачни изцяло въглеродни транзистори могат да позволят сложна разтеглива оптоелектроника.
Разтегливата прозрачна електроника е нарастваща област, която има важни приложения в усъвършенствани биоинтегрирани системи (1, 2), както и потенциал за интегриране с разтеглива оптоелектроника (3, 4) за производство на сложна мека роботика и дисплеи. Графенът проявява силно желани свойства на атомна дебелина, висока прозрачност и висока проводимост, но прилагането му в разтегливи приложения е възпрепятствано от тенденцията му да се напуква при малки деформации. Преодоляването на механичните ограничения на графена може да позволи 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, индиев калаен оксид [ITO; 100 ома/квадрат (кв.) при 90% прозрачност], монослойният графен, отгледан чрез химическо отлагане на пари (CVD), има подобна комбинация от листово съпротивление (125 ома/кв.) и прозрачност (97,4%) (5). В допълнение, 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 кривина толкова малък, колкото 0,8 mm (8). За по-нататъшно подобряване на електрическите му характеристики като прозрачен гъвкав проводник, предишни разработки са разработили графенови хибридни материали с едномерни (1D) сребърни нанопроводници или въглеродни нанотръби (CNT) (9–11). Освен това графенът е използван като електроди за хетероструктурни полупроводници със смесено измерение (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 разтеглива електроника е ограничено от неговите механични свойства (17, 24, 25); графенът има твърдост в равнината от 340 N/m и модул на Юнг от 0,5 TPa (26). Силната въглерод-въглеродна мрежа не осигурява никакви механизми за разсейване на енергията за приложеното напрежение и следователно лесно се напуква при по-малко от 5% напрежение. Например CVD графенът, прехвърлен върху еластичен субстрат от полидиметилсилоксан (PDMS), може да поддържа своята проводимост само при по-малко от 6% напрежение (8). Теоретичните изчисления показват, че смачкването и взаимодействието между различните слоеве трябва силно да намалят твърдостта (26). Чрез натрупване на графен в множество слоеве се съобщава, че този дву- или трислоен графен е разтеглив до 30% напрежение, показвайки промяна на устойчивостта 13 пъти по-малка от тази на монослойния графен (27). Въпреки това, тази разтегливост все още е значително по-ниска от най-съвременните разтегливи проводници (28, 29).
Транзисторите са важни в разтегливите приложения, защото позволяват усъвършенствано отчитане на сензора и анализ на сигнала (30, 31). Транзисторите на PDMS с многослоен графен като електроди източник/дренаж и канален материал могат да поддържат електрическа функция до 5% напрежение (32), което е значително под минималната изисквана стойност (~50%) за носими сензори за наблюдение на здравето и електронна кожа ( 33, 34). Наскоро беше проучен подход на графен киригами и транзисторът, затворен от течен електролит, може да бъде разтегнат до 240% (35). Този метод обаче изисква суспендиран графен, което усложнява процеса на производство.
Тук постигаме силно разтегливи графенови устройства чрез интеркалиране на графенови свитъци (~1 до 20 μm дълги, ~0,1 до 1 μm широки и ~10 до 100 nm високи) между графеновите слоеве. Ние предполагаме, че тези графенови свитъци могат 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 за мокър трансфер. Чрез използването на многослойни G/G (графен/графен) свитъци (MGGs), графенови разтегливи електроди (източник/източване и порта) и полупроводникови CNT, успяхме да демонстрираме силно прозрачни и силно разтегливи изцяло въглеродни транзистори, които могат да бъдат разтегнати до 120 % деформация (успоредно на посоката на транспортиране на заряда) и запазват 60 % от първоначалния си ток. Това е най-разтегливият прозрачен въглероден транзистор досега и осигурява достатъчен ток за задвижване на неорганичен светодиод.
За да позволим прозрачни разтегливи графенови електроди с голяма площ, ние избрахме CVD-отгледан графен върху Cu фолио. Cu фолиото беше суспендирано в центъра на CVD кварцова тръба, за да позволи растежа на графена от двете страни, образувайки G/Cu/G структури. За да прехвърлим графен, първо покрихме със завъртане тънък слой от поли(метилметакрилат) (PMMA), за да защитим едната страна на графена, която нарекохме горен графен (обратно за другата страна на графена), и впоследствие, целият филм (PMMA/горен графен/Cu/долен графен) се накисва в разтвор (NH4)2S2O8, за да се ецва Cu фолиото. Графенът от долната страна без PMMA покритие неизбежно ще има пукнатини и дефекти, които позволяват на ецващия материал да проникне през него (36, 37). Както е показано на Фиг. 1A, под въздействието на повърхностното напрежение, освободените графенови домейни се навиват на свитъци и впоследствие се прикрепват към останалия горен G/PMMA филм. Горните G/G свитъци могат да бъдат прехвърлени върху всякакъв субстрат, като SiO2/Si, стъкло или мек полимер. Повтарянето на този процес на прехвърляне няколко пъти върху един и същ субстрат дава MGG структури.
(A) Схематична илюстрация на процедурата за производство на MGG като разтеглив електрод. По време на трансфера на графен, задната страна на графена върху Cu фолио беше счупена по граници и дефекти, навита в произволни форми и плътно прикрепена към горните филми, образувайки наносвитъци. Четвъртата карикатура изобразява подредената MGG структура. (B и C) TEM характеристики с висока разделителна способност на монослоен MGG, фокусиран съответно върху монослойния графен (B) и областта на превъртане (C). Вмъкването на (B) е изображение с ниско увеличение, показващо цялостната морфология на еднослойните MGG на TEM мрежата. Вмъкванията на (C) са профилите на интензитета, взети по продължение на правоъгълните кутии, посочени в изображението, където разстоянията между атомните равнини са 0,34 и 0,41 nm. (D ) EEL спектър на въглероден K-ръб с маркирани характерни графитни π* и σ* пикове. (E) Секционно AFM изображение на монослойни G/G свитъци с профил на височина по жълтата пунктирана линия. (F до I) Оптична микроскопия и AFM изображения на трислоен G без (F и H) и със свитъци (G и I) съответно върху SiO2/Si субстрати с дебелина 300 nm. Представителните свитъци и бръчки бяха етикетирани, за да подчертаят различията им.
За да проверим дали свитъците са навит графен в природата, ние проведохме трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност (ТЕМ) и спектроскопски изследвания за загуба на електронна енергия (EEL) върху монослойните горни G/G свитъчни структури. Фигура 1B показва шестоъгълната структура на монослоен графен, а вложката е цялостна морфология на филма, покрита върху единичен въглероден отвор на TEM решетката. Монослойният графен обхваща по-голямата част от мрежата и се появяват някои графенови люспи в присъствието на множество купчини от шестоъгълни пръстени (фиг. 1B). Чрез приближаване на индивидуален свитък (фиг. 1C), наблюдавахме голямо количество ресни от графенова решетка, с разстояние между решетките в диапазона от 0,34 до 0,41 nm. Тези измервания предполагат, че люспите са произволно навити и не са перфектен графит, който има разстояние между решетките от 0,34 nm в наслагване на слоеве „ABAB“. Фигура 1D показва въглеродния K-край EEL спектър, където пикът при 285 eV произхожда от π* орбитала, а другият около 290 eV се дължи на прехода на σ* орбитала. Може да се види, че sp2 свързването доминира в тази структура, потвърждавайки, че свитъците са силно графитни.
Изображенията от оптична микроскопия и атомно-силова микроскопия (AFM) дават представа за разпределението на графеновите наносвитъци в MGG (фиг. 1, E до G и фигури S1 и S2). Свитъците са произволно разпределени по повърхността и тяхната плътност в равнината се увеличава пропорционално на броя на подредените слоеве. Много свитъци са заплетени на 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 размера 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 измерване на електрическите свойства, ние моделирахме графенови филми със или без скрол структури и подреждане на слоеве в ленти с ширина 300 μm и дължина 2000 μm, използвайки фотолитография. Съпротивленията на две сонди като функция на напрежението бяха измерени при околни условия. Наличието на свитъци намалява съпротивлението за монослоен графен с 80% само с 2,2% намаление на пропускливостта (фиг. S4). Това потвърждава, че наносвитките, 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-добрата проводимост с прозрачност от почти 90%. За да сравним с други източници на графен, докладвани в литературата, ние също така измерихме съпротивленията на листа с четири сонди (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). Имайте предвид, че листовите съпротивления на изкуствено подреден многослоен обикновен графен от литературата са малко по-високи от тези на нашия MGG, вероятно поради техните неоптимизирани условия на растеж и метод на прехвърляне.
(A) Съпротивления на листа с четири сонда спрямо пропускливост при 550 nm за няколко вида графен, където черните квадрати означават моно-, дву- и трислойни MGGs; червени кръгове и сини триъгълници съответстват на многослоен обикновен графен, отгледан върху Cu и Ni от проучванията на Li et al. (6) и Kim et al. (8), съответно, и впоследствие прехвърлени върху SiO2/Si или кварц; и зелените триъгълници са стойности за RGO при различни редуциращи степени 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 успоредно (C) напрежение спрямо посоката на текущия поток. (D) Нормализирана промяна на съпротивлението на двуслой G (червено) и MGG (черно) при циклично натоварване на деформация до 50% перпендикулярна деформация. (E) Нормализирана промяна на съпротивлението на трислойна G (червено) и MGG (черно) при циклично натоварване на деформация до 90% паралелна деформация. (F) Нормализирана промяна на капацитета на моно-, дву- и трислойни G и дву- и трислойни MGG като функция на напрежението. Вложката е структурата на кондензатора, където полимерният субстрат е SEBS, а полимерният диелектричен слой е SEBS с дебелина 2 μm.
За да оценим зависимата от напрежението производителност на MGG, прехвърлихме графен върху субстрати от термопластичен еластомер стирен-етилен-бутадиен-стирен (SEBS) (~2 cm широки и ~5 cm дълги) и проводимостта беше измерена, докато субстратът беше разтегнат (вижте Материали и методи) както перпендикулярно, така и успоредно на посоката на текущия поток (фиг. 2, B и C). Зависимото от напрежението електрическо поведение се подобри с включването на наносвитки и увеличаване на броя графенови слоеве. Например, когато напрежението е перпендикулярно на текущия поток, за монослоен графен, добавянето на свитъци увеличава напрежението при електрически срив от 5 до 70%. Устойчивостта на деформация на трислойния графен също е значително подобрена в сравнение с монослойния графен. С наноскроли, при 100% перпендикулярна деформация, устойчивостта на трислойната MGG структура се увеличава само с 50%, в сравнение с 300% за трислоен графен без свитъци. Изследвана е промяната на съпротивлението при циклично натоварване на деформация. 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 нарастват с напрежението във всеки цикъл. От друга страна, устойчивостта на двуслоен MGG се увеличава само около 2, 5 пъти след ~ 700 цикъла. Прилагайки до 90% напрежение по успоредната посока, съпротивлението на трислойния графен се увеличава ~100 пъти след 1000 цикъла, докато е само ~8 пъти в трислоен MGG (фиг. 2E). Резултатите от циклирането са показани на фиг. S7. Относително по-бързото нарастване на съпротивлението по посока на успоредна деформация се дължи на това, че ориентацията на пукнатините е перпендикулярна на посоката на протичане на тока. Отклонението на съпротивлението по време на деформация при натоварване и разтоварване се дължи на вискоеластичното възстановяване на SEBS еластомерния субстрат. По-стабилната устойчивост на лентите MGG по време на циклиране се дължи на наличието на големи свитъци, които могат да преодолят напуканите части на графена (както се наблюдава от AFM), като помагат да се поддържа перколиращ път. Това явление на поддържане на проводимостта чрез перколационен път е докладвано преди за напукани метални или полупроводникови филми върху еластомерни субстрати (40, 41).
За да оценим тези базирани на графен филми като електроди на затвора в разтегливи устройства, ние покрихме графеновия слой с диелектричен слой SEBS (с дебелина 2 μm) и наблюдавахме промяната на диелектричния капацитет като функция на напрежението (вижте Фиг. 2F и Допълнителните материали за подробности). Ние наблюдавахме, че капацитетът с обикновени монослойни и двуслойни графенови електроди бързо намалява поради загубата на равнинна проводимост на графен. За разлика от това, капацитетът, управляван от MGG, както и обикновеният трислоен графен, показаха увеличение на капацитета с напрежение, което се очаква поради намаляване на дебелината на диелектрика с напрежение. Очакваното увеличение на капацитета съвпада много добре със структурата на MGG (фиг. S8). Това показва, че MGG е подходящ като затворен електрод за разтегливи транзистори.
За по-нататъшно изследване на ролята на 1D графеновия свитък върху толерантността на напрежението на електрическата проводимост и по-добър контрол на разделянето между графеновите слоеве, ние използвахме покрити със спрей CNT, за да заменим графеновите свитъци (вижте Допълнителни материали). За да имитираме MGG структури, депозирахме три плътности на CNTs (тоест CNT1
(A до C) AFM изображения на три различни плътности на CNT (CNT1
За да разберем допълнително тяхната способност като електроди за разтеглива електроника, ние 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 при двата липсва цветен контраст и SEM е обект на артефакти на изображението по време на електронно сканиране, когато графенът е върху полимерни субстрати (фигури S9 и S10). За да наблюдаваме in situ повърхността на графена под напрежение, събрахме AFM измервания на трислойни MGG и обикновен графен след прехвърляне върху много тънки (~ 0,1 mm 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 наслагване на въглеродните електроди, пукнатините показват различни морфологии (фиг. S11) (27). Плътността на площта на пукнатина (дефинирана като площ на пукнатина/анализирана област) на многослоен графен е по-малка от тази на монослоен графен след деформация, което е в съответствие с увеличаването на електрическата проводимост за MGG. От друга страна, често се наблюдават спирали, които преодоляват пукнатините, осигурявайки допълнителни проводими пътища в опънатия филм. Например, както е отбелязано в изображението на фиг. 4B, широк свитък пресича пукнатина в трислойния MGG, но не се наблюдава свитък в обикновения графен (фиг. 4, E до H). По подобен начин, CNT също преодоляха пукнатините в графена (фиг. S11). Плътността на площта на пукнатините, плътността на площта на превъртане и грапавостта на филмите са обобщени на Фиг. 4K.
(A до H) In situ AFM изображения на трислойни G/G свитъци (A до D) и трислойни G структури (E до H) върху много тънък SEBS (~0,1 mm дебелина) еластомер при 0, 20, 60 и 100 % щам. Представителните пукнатини и свитъци са насочени със стрелки. Всички AFM изображения са в зона от 15 μm × 15 μm, като се използва същата лента с цветна скала, както е отбелязано. (I) Симулационна геометрия на шарени монослойни графенови електроди върху SEBS субстрата. (J) Симулационна контурна карта на максималното главно логаритмично напрежение в монослойния графен и SEBS субстрата при 20% външно напрежение. (K) Сравнение на плътността на площта на пукнатина (червена колона), плътността на площта на превъртане (жълта колона) и грапавостта на повърхността (синя колона) за различни графенови структури.
Когато MGG филмите са разтегнати, има важен допълнителен механизъм, чрез който свитъците могат да преодоляват напукани участъци от графен, поддържайки просмукваща мрежа. Графеновите свитъци са обещаващи, защото могат да бъдат с дължина десетки микрометри и следователно могат да преодоляват пукнатини, които обикновено са с размер до микрометър. Освен това, тъй като свитъците се състоят от множество слоеве графен, се очаква те да имат ниска устойчивост. За сравнение, относително плътни (с по-ниска пропускливост) CNT мрежи са необходими, за да осигурят сравнима проводяща мостова способност, тъй като CNT са по-малки (обикновено няколко микрометра на дължина) 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 поеме напрежението, свитъците не се напукват, което показва, че последните може да се плъзгат върху основния 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), която има по-висок ефективен модул от еднослойния графен. Както се съобщава от Green и Hersam (42), металните CNT мрежи (диаметър на тръбата 1,0 nm) могат да постигнат ниски листови съпротивления <100 ohms/sq въпреки голямото съпротивление на кръстовището 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 трябва да бъдат 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. Ние симулирахме деформацията на графен с дебелина 1 nm върху SEBS субстрат (вижте Допълнителни материали за подробности). Според резултатите от симулацията, когато 20% напрежение се приложи към SEBS субстрата външно, средното напрежение в графена е ~6,6% (фиг. 4J и фиг. S13D), което е в съответствие с експерименталните наблюдения (вижте фиг. S13) . Ние сравнихме напрежението в шарения графен и регионите на субстрата с помощта на оптична микроскопия и открихме, че напрежението в региона на субстрата е поне два пъти по-голямо от напрежението в областта на графена. Това показва, че напрежението, приложено върху моделите на графеновите електроди, може да бъде значително ограничено, образувайки твърди графенови острови върху SEBS (26, 43, 44).
Следователно, способността на MGG електродите да поддържат висока проводимост при голямо напрежение вероятно се активира от два основни механизма: (i) свитъците могат да преодоляват несвързани региони, за да поддържат проводим път на просмукване, и (ii) многослойните графенови листове/еластомер могат да се плъзгат един върху друг, което води до намалено напрежение върху графеновите електроди. За множество слоеве от прехвърлен графен върху еластомер, слоевете не са силно свързани един с друг, което може да се плъзне в отговор на напрежение (27). Свитъците също увеличиха грапавостта на графеновите слоеве, което може да помогне за увеличаване на разделянето между графеновите слоеве и следователно да позволи плъзгането на графеновите слоеве.
Изцяло въглеродните устройства се преследват с ентусиазъм поради ниската цена и високата производителност. В нашия случай изцяло въглеродните транзистори бяха произведени с помощта на долен графенов гейт, горен графенов контакт/източен контакт, сортиран CNT полупроводник и SEBS като диелектрик (фиг. 5A). Както е показано на фиг. 5B, изцяло въглеродно устройство с CNTs като източник/източване и порта (долното 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 коефициенти на пропускливост, за да се постигне съпротивление на листа, подобно на това на графена (фиг. S4). Фигура 5 (C и D) показва представителни криви на пренос и изход преди деформация за транзистор, направен с двуслойни MGG електроди. Широчината и дължината на канала на ненапрегнатия транзистор бяха съответно 800 и 100 μm. Измереното съотношение вкл./изкл. е по-голямо от 103 с токове при включване и изключване на нива съответно 10-5 и 10-8 A. Изходната крива показва идеални линейни режими и режими на насищане с ясна зависимост на напрежението на вратата, което показва идеален контакт между CNTs и графеновите електроди (45). Наблюдава се, че контактното съпротивление с графенови електроди е по-ниско от това с изпарен Au филм (вижте фиг. S14). Подвижността на насищане на разтегливия транзистор е около 5,6 cm2/Vs, подобно на това на същите полимерно сортирани CNT транзистори върху твърди Si субстрати с 300-nm SiO2 като диелектричен слой. По-нататъшно подобряване на мобилността е възможно с оптимизирана плътност на тръбите и други видове тръби (46).
(A) Схема на разтеглив транзистор на базата на графен. SWNT, едностенни въглеродни нанотръби. (B) Снимка на разтегливите транзистори, направени от графенови електроди (отгоре) и CNT електроди (отдолу). Разликата в прозрачността е ясно забележима. ( C и D ) Криви на трансфер и изход на базирания на графен транзистор на SEBS преди напрежение. (E и F) Трансферни криви, ток на включване и изключване, съотношение включване/изключване и мобилност на базирания на графен транзистор при различни напрежения.
Когато прозрачното, изцяло въглеродно устройство беше разтегнато в посока, успоредна на посоката на транспортиране на заряда, се наблюдава минимално разграждане до 120% напрежение. По време на разтягане подвижността непрекъснато намалява от 5,6 cm2/Vs при 0% напрежение до 2,5 cm2/Vs при 120% напрежение (фиг. 5F). Също така сравнихме производителността на транзистора за различни дължини на канала (вижте таблица S1). Трябва да се отбележи, че при напрежение до 105%, всички тези транзистори все още показват високо съотношение на включване/изключване (>103) и подвижност (>3 cm2/Vs). В допълнение, ние обобщихме цялата скорошна работа 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 добра производителност по отношение на мобилност и хистерезис, както и са силно разтегливи.
Като приложение на напълно прозрачния и разтеглив транзистор, ние го използвахме за управление на превключването на светодиода (фиг. 6A). Както е показано на фиг. 6B, зеленият светодиод може да се види ясно през разтегливото изцяло въглеродно устройство, поставено директно отгоре. Докато се разтяга до ~100% (фиг. 6, C и D), интензитетът на LED светлината не се променя, което е в съответствие с производителността на транзистора, описана по-горе (вижте филм S1). Това е първият доклад за разтегливи контролни блокове, направени с помощта на графенови електроди, демонстриращи нова възможност за разтеглива електроника с графен.
(A) Верига на транзистор за задвижване на светодиод. 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, се монтира над светодиода при 0% (вляво) и ~100% напрежение (вдясно). Белите стрелки сочат като жълтите маркери на устройството, за да покажат разтягането на промяната на разстоянието. (D) Страничен изглед на разтегнатия транзистор, със светодиода, натиснат в еластомера.
В заключение, ние разработихме прозрачна проводяща графенова структура, която поддържа висока проводимост при големи напрежения като разтегливи електроди, активирани от графеновите наносвита между подредените графенови слоеве. Тези двуслойни и трислойни MGG електродни структури върху еластомер могат да поддържат съответно 21 и 65% от техните 0% проводимост на деформация при деформация до 100%, в сравнение с пълна загуба на проводимост при деформация от 5% за типичните монослойни графенови електроди . Допълнителните проводими пътища на графеновите свитъци, както и слабото взаимодействие между прехвърлените слоеве допринасят за превъзходната стабилност на проводимостта при напрежение. Допълнително приложихме тази графенова структура, за да произведем изцяло въглеродни разтегливи транзистори. Досега това е най-разтегливият транзистор на базата на графен с най-добра прозрачност без използване на изкривяване. Въпреки че настоящото проучване беше проведено, за да се даде възможност 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 се отглежда върху суспендирани Cu фолиа (99,999%; Alfa Aesar) при постоянно налягане от 0,5 mtorr с 50–SCCM (стандартен кубичен сантиметър в 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 покрит със центрофугиране от едната страна на Cu фолиото, образувайки структура PMMA/G/Cu фолио/G. впоследствие целият филм се накисва в 0,1 М разтвор на амониев персулфат [(NH4)2S2O8] за около 2 часа, за да се ецва Cu фолиото. По време на този процес незащитеният заден графен първо се разкъсва по границите на зърната и след това се навива на свитъци поради повърхностно напрежение. Свитъците бяха прикрепени към поддържания от PMMA горен графенов филм, образувайки PMMA/G/G свитъци. След това филмите бяха промити в дейонизирана вода няколко пъти и положени върху целеви субстрат, като твърд SiO2/Si или пластмасов субстрат. Веднага след като прикрепеният филм изсъхне върху субстрата, пробата се накисва последователно в ацетон, 1:1 ацетон/IPA (изопропилов алкохол) и IPA за 30 s всеки за отстраняване на PMMA. Филмите се нагряват при 100°C в продължение на 15 минути или се държат във вакуум за една нощ, за да се отстрани напълно уловената вода, преди друг слой G/G свитък да бъде прехвърлен върху него. Тази стъпка беше да се избегне отделянето на графеновия филм от субстрата и да се осигури пълно покритие на MGG по време на освобождаването на носещия слой от PMMA.
Морфологията на структурата на MGG се наблюдава с помощта на оптичен микроскоп (Leica) и сканиращ електронен микроскоп (1 kV; FEI). Атомно-силов микроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) се управлява в режим на потупване, за да се наблюдават детайлите на G свитъците. Прозрачността на филма беше тествана с ултравиолетово видим спектрометър (Agilent Cary 6000i). За тестовете, когато напрежението беше по протежение на перпендикулярната посока на текущия поток, фотолитографията и O2 плазмата бяха използвани за моделиране на графенови структури в ленти (~ 300 μm широки и ~ 2000 μm дълги), а Au (50 nm) електроди бяха термично отложени с помощта на маски за сенки в двата края на дългата страна. След това графеновите ленти бяха поставени в контакт с SEBS еластомер (~ 2 cm широк и ~ 5 cm дълъг), като дългата ос на лентите беше успоредна на късата страна на SEBS, последвана от BOE (буфериран оксид, ецване) (HF: H2O 1:6) ецване и евтектичен галиев индий (EGaIn) като електрически контакти. За паралелни тестове на деформация, графенови структури без модел (~ 5 × 10 mm) бяха прехвърлени върху SEBS субстрати, с дълги оси, успоредни на дългата страна на SEBS субстрата. И в двата случая целият G (без G свитъци)/SEBS беше опънат по дългата страна на еластомера в ръчен апарат и in situ измерихме техните промени в съпротивлението при напрежение на сондова станция с полупроводников анализатор (Keithley 4200 -SCS).
Силно разтегливите и прозрачни изцяло въглеродни транзистори върху еластичен субстрат са произведени чрез следните процедури, за да се избегне увреждането на органичния разтворител на полимерния диелектрик и субстрата. MGG структурите бяха прехвърлени върху SEBS като електроди на вратата. За да се получи равномерен тънкослоен полимерен диелектричен слой (дебелина 2 μm), разтвор на SEBS толуен (80 mg/ml) беше покрит със въртене върху октадецилтрихлоросилан (OTS)-модифициран SiO2/Si субстрат при 1000 rpm за 1 min. Тънкият диелектричен филм може лесно да бъде прехвърлен от хидрофобната повърхност на OTS върху SEBS субстрата, покрит с приготвения графен. Кондензатор може да бъде направен чрез отлагане на горен електрод от течен метал (EGaIn; Sigma-Aldrich) за определяне на капацитета като функция на напрежението с помощта на LCR (индуктивност, капацитет, съпротивление) метър (Agilent). Другата част от транзистора се състоеше от сортирани по полимери полупроводникови CNTs, следвайки описаните по-рано процедури (53). Моделираните електроди източник/дрейн са произведени върху твърди SiO2/Si субстрати. Впоследствие двете части, диелектрик/G/SEBS и CNTs/моделирани G/SiO2/Si, бяха ламинирани една към друга и напоени с BOE за отстраняване на твърдия SiO2/Si субстрат. Така бяха произведени напълно прозрачните и разтегливи транзистори. Електрическото изпитване под напрежение беше извършено на ръчна настройка за разтягане като гореспоменатия метод.
Допълнителен материал за тази статия е достъпен на http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
фиг. S1. Оптични микроскопски изображения на монослоен MGG върху SiO2/Si субстрати при различни увеличения.
фиг. S4. Сравнение на съпротивленията и коефициентите на пропускливост на листа с две сонди при 550 nm на моно-, дву- и трислоен обикновен графен (черни квадратчета), MGG (червени кръгове) и CNTs (син триъгълник).
фиг. S7. Нормализирана промяна на съпротивлението на моно- и двуслойни MGG (черни) и G (червени) при ~1000 циклично натоварване на деформация до съответно 40 и 90% паралелна деформация.
фиг. S10. SEM изображение на трислоен MGG върху SEBS еластомер след опъване, показващ дълъг плъзгащ се кръст през няколко пукнатини.
фиг. S12. AFM изображение на трислоен MGG върху много тънък SEBS еластомер при 20% деформация, което показва, че свитък преминава през 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 използване, разпространение и възпроизвеждане във всякакъв носител, стига произтичащото използване да не е за търговска изгода и при условие че оригиналното произведение е правилно цитиран.
ЗАБЕЛЕЖКА: Искаме само вашия имейл адрес, за да знае лицето, на което препоръчвате страницата, че сте искали да я види и че това не е нежелана поща. Ние не улавяме никакви имейл адреси.
Този въпрос е за тестване дали сте човек или не и за предотвратяване на автоматично изпращане на спам.
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