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 възползвате от неговите изключителни електронни свойства в разтеглива електроника.За да осигурим отлична зависеща от напрежението производителност на прозрачни графенови проводници, ние създадохме графенови наносвитъци между подредени графенови слоеве, наричани многослойни графенови / графенови свитъци (MGGs).При напрежение някои свитъци свързват фрагментираните домейни на графен, за да поддържат перколираща мрежа, която позволява отлична проводимост при високи напрежения.Трислойните MGG, поддържани върху еластомери, запазват 65% от първоначалната си проводимост при 100% напрежение, което е перпендикулярно на посоката на потока на тока, докато трислойните филми от графен без наносролки запазват само 25% от началната си проводимост.Разтегливият изцяло въглероден транзистор, произведен с помощта на MGGs 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 биха могли да позволят сложна разтеглива оптоелектроника.
Разтегливата прозрачна електроника е нарастващо поле, което 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 много 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 деформации.Преодоляването на механичните ограничения на графена може 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, индиевият калаен оксид [ITO;100 ома/квадрат (sq) при 90% прозрачност], монослойният графен, отгледан чрез химическо отлагане на пари (CVD), има подобна комбинация от устойчивост на листа (125 ohms/sq) и прозрачност (97,4%) (5).В допълнение, графеновите филми имат изключителна гъвкавост в сравнение с ITO (7).Например, върху пластмасов субстрат, неговата проводимост може да се запази дори при радиус на огъване на кривина от 0,8 mm (8).За да подобрят допълнително електрическото си представяне като прозрачен гъвкав проводник, предишни работи са разработили графенови хибридни материали с едномерни (1D) сребърни нанопроводници или въглеродни нанотръби (CNT) (9–11).Освен това, графенът се използва като електроди за хетероструктурни полупроводници със смесени размери (като 2D обемни Si, 1D нанопроводници/нанотръби и 0D квантови точки) (12), гъвкави транзистори, слънчеви клетки и светодиоди (LED) (13 –23).
Въпреки че графенът показва 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 Йънг от 0,5 TPa (26).Силната въглеродно-въглеродна мрежа не осигурява никакви механизми за разсейване на енергията за приложено напрежение и следователно лесно се напуква при по-малко от 5% напрежение.Например, CVD графен, прехвърлен върху еластичен субстрат от полидиметилсилоксан (PDMS), може да поддържа проводимостта си само при по-малко от 6% напрежение (8).Теоретичните изчисления показват, че смачкването и взаимодействието между различните слоеве трябва да намалят силно 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 монослойния графен (27).Въпреки това, тази разтегливост все още е значително по-ниска от най-съвременните разтегливи c проводници (28, 29).
Транзисторите са важни в разтегливи приложения, защото позволяват сложно отчитане на сензора и анализ на сигнала (30, 31).Транзисторите на PDMS с многослоен графен като изходни/източни електроди и канален материал могат да поддържат електрическа функция до 5% напрежение (32), което е значително под минималната необходима стойност (~50%) за носещи сензори за наблюдение на здравето и електронна кожа ( 33, 34).Наскоро беше проучен подходът 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.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 обработка;те се образуват естествено по време на процедурата по мокрото пренасяне.Чрез използването на многослойни G/G (графен/графен) свитки (MGGs), графенови разтегливи електроди (източник/източник и порта) и полупроводникови CNT, ние 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 токов изход.Това е най-разтегливият прозрачен транзистор на основата на въглерод досега и осигурява достатъчен ток за задвижване на неорганичен светодиод.
За да позволим прозрачни разтегливи графенови електроди с голяма площ, ние избрахме графен, отгледан с CVD, върху Cu фолио.Cu фолиото беше окачено в центъра на CVD кварцова тръба, за да позволи растежа на графен от двете страни, образувайки G/Cu/G структури.За да пренесем графен, първо покрихме тънък слой от 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) се накисва в разтвор (NH4)2S2O8 за ецване на Cu фолиото.Графенът от долната страна без PMMA покритието неизбежно ще има пукнатини и дефекти, които позволяват на ецанта да проникне през (36, 37).Както е илюстрирано на фиг. 1А, под въздействието на повърхностното напрежение, освободените графенови домейни се навиват на свитъци и впоследствие се прикрепват към останалия горен G/PMMA филм.Свитъците top-G/G могат да бъдат прехвърлени върху всеки субстрат, като SiO2/Si, стъкло или мек полимер.Повтарянето на този процес на трансфер 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 прехвърлянето на графен, задният графен върху Cu фолио беше счупен по граници и дефекти, навит в произволни форми и плътно прикрепен към горните филми, образувайки наносролки.Четвъртата карикатура изобразява подредената MGG структура.(B и C) TEM характеристики с висока разделителна способност на монослоен MGG, фокусиран върху монослойния графен (B) и областта на превъртане (C), съответно.Вмъкването на (B) е изображение с ниско увеличение, показващо цялостната морфология на еднослойните MGGs върху TEM мрежата.Вмъкванията на (C) са профилите на интензитета, взети по протежение на правоъгълните кутии, посочени на изображението, където разстоянията между атомните равнини са 0,34 и 0,41 nm.(D) Въглероден спектър на EEL с K-ръб с маркирани характерните графитни π* и σ* пикове.(E) Разрезно AFM изображение на монослойни G/G свитъци с профил на височина по жълтата пунктирана линия.(F до I) Оптична микроскопия и AFM изображения на трислой G без (F и H) и със свитъци (G и I) върху SiO2/Si субстрати с дебелина 300 nm, съответно.Представителни свитъци и бръчки бяха етикетирани, за да се подчертаят техните разлики.
За да се уверим, че свитъците са валцувани графен по природа, ние проведохме трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност (TEM) и спектроскопски изследвания на загуба на енергия на електрон (EEL) върху монослойните топ-G/G спирални структури.Фигура 1В показва шестоъгълната структура на монослоен графен, а вложката е цялостна морфология на филма, покрит върху единичен въглероден отвор на ТЕМ решетката.Еднослойният графен обхваща по-голямата част от решетката и се появяват някои графенови люспи в присъствието на множество купчини от шестоъгълни пръстени (фиг. 1В).Чрез приближаване на отделен свитък (фиг. 1C), ние наблюдавахме голямо количество графенови решетъчни ресни, 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 при подреждане на слоя „ABAB“.Фигура 1D показва EEL спектъра на въглеродния K-ръб, където пикът при 285 eV произлиза 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, което потвърждава, че свитъците са силно графитни.
Оптичната микроскопия и изображенията с атомно-силова микроскопия (AFM) дават представа за разпределението на графеновите наносвилки в MGGs (фиг. 1, E до G и фиг. 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 във възли и показват неравномерни височини в диапазона от 10 до 100 nm.Те са дълги от 1 до 20 μm и широки 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 слоевете графен.
За да измерим електрическите свойства, ние моделирахме графенови филми със или без спирални структури и подреждане на слоеве в ленти с ширина 300 μm и 2000 μm с дължина, използвайки фотолитография.Съпротивленията на две сонди като функция на напрежението бяха измерени при условия на околната среда.Наличието на свитъци намалява съпротивлението на монослойния графен с 80% само с 2,2% намаление на пропускливостта (фиг. S4).Това потвърждава, че наносролките, които имат висока плътност на тока до 5 × 107 A/cm2 (38, 39), имат много положителен електрически принос към MGGs.Сред всички моно-, дву- и трислойни обикновени графенове и MGG, трислойният MGG има най-добра 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 пропускливост при 550 nm (фиг. S6) на фиг. 2А.MGG показва сравнима или по-висока проводимост и прозрачност от изкуствено натрупания многослоен обикновен графен и редуциран графенов оксид (RGO) (6, 8, 18).Имайте предвид, че устойчивостта на листове на изкуствено подреден многослоен обикновен графен от литературата е малко по-висок от този на нашия MGG, вероятно поради техните неоптимизирани условия на растеж и метод на трансфер.
(A) Съпротивления на листа с четири сонди спрямо пропускливост при 550 nm за няколко вида графен, където черните квадратчета означават едно-, дву- и трислойни MGG;червени кръгове и сини 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 прехвърлени върху SiO2/Si или кварц;и зелените триъгълници са стойности за RGO при различни степени на намаляване от изследването на Bonaccorso et al.(18).(B и C) Нормализирана промяна на съпротивлението на едно-, дву- и трислойни MGG и G като функция на перпендикулярно (B) и успоредно (C) напрежение към посоката на тока.(D) Нормализирана промяна на съпротивлението на двуслойния G (червен) и MGG (черен) при циклично натоварване на деформация до 50% перпендикулярно напрежение.(E) Нормализирана промяна на съпротивлението на трислой G (червен) и MGG (черен) при циклично натоварване на деформация до 90% паралелно напрежение.( F) Нормализирана промяна на капацитета на едно-, дву- и трислойни G и дву- и трислойни MGG като функция на деформация.Вмъкването е структурата на кондензатора, където полимерният субстрат е SEBS, а полимерният диелектричен слой е SEBS с дебелина 2 μm.
За да оценим щам-зависимата производителност на MGG, ние прехвърлихме графен върху термопластични еластомерни стирен-етилен-бутадиен-стирен (SEBS) субстрати (~ 2 cm широки и ~ 5 cm дълги) и проводимостта беше измерена при разтягане на субстрата (вижте Материали и методи) както перпендикулярно, така и успоредно на посоката на тока (фиг. 2, B и C).Електрическото поведение, зависимо от напрежението, се подобри с включването на наносвитъци и увеличаване на броя на графеновите слоеве.Например, когато напрежението е перпендикулярно на текущия поток, за монослоен графен, добавянето на свитъци увеличава напрежението при електрическо счупване от 5 до 70%.Толерансът на деформация на трислойния графен също е значително подобрен в сравнение с монослойния графен.При наноскроловете, при 100% перпендикулярно напрежение, 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 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 напрежение във всеки цикъл.От друга страна, съпротивлението на двуслоен MGG се увеличава само около 2,5 пъти след ~ 700 цикъла.Прилагайки до 90% напрежение в паралелна посока, съпротивлението на трислойния графен се увеличава ~100 пъти след 1000 цикъла, докато е само ~8 пъти в трислоен MGG (фиг. 2E).Резултатите от цикленето са показани на фиг.S7.Относително по-бързото нарастване на съпротивлението по протежение на паралелната посока на деформация се дължи на факта, че ориентацията на пукнатините е перпендикулярна на посоката на тока.Отклонението на съпротивлението по време на натоварване и разтоварване се дължи на вискоеластичното възстановяване на SEBS еластомерния субстрат.По-стабилното съпротивление на MGG лентите по време на циклиране се дължи на наличието на големи свитъци, които могат да преодолеят напуканите части на графена (както се наблюдава от AFM), помагайки да се поддържа перколиращ път.Този феномен на поддържане на проводимост чрез перколиращ път е докладван преди за напукани метални или полупроводникови филми върху еластомерни субстрати (40, 41).
За да оценим тези базирани на графен филми като електроди на портата в разтегливи устройства, ние покрихме графеновия слой с SEBS диелектричен слой (дебелина 2 μm) и наблюдавахме промяната на диелектричния капацитет като функция на напрежението (виж Фигура 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.Обратно, капацитетите, затворени от MGG, както и обикновен трислоен графен, показват 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 електрод на затвора за разтегливи транзистори.
За по-нататъшно изследване на ролята на 1D графеновия свитък върху толеранса 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 допълнителните материали).За да имитираме MGG структури, ние депозирахме три плътности CNT (тоест CNT1
(A до C) AFM изображения на три различни плътности на CNTs (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 двата нямат цветови контраст и SEM е обект на артефакти на изображението по време на електронно сканиране, когато графенът е върху полимерни субстрати (фиг. S9 и S10).За да наблюдаваме in situ повърхността на графен под напрежение, ние събрахме AFM измервания върху трислойни MGGs и обикновен графен след прехвърляне върху много тънки (~ 0,1 mm дебелина) и еластични SEBS субстрати.Поради вътрешните дефекти в CVD графена и външните повреди по време на процеса на трансфер, неизбежно се генерират пукнатини върху напрегнатия графен и с увеличаване на напрежението пукнатините стават по-плътни (фиг. 4, A до D).В зависимост от структурата на подреждането на въглеродните електроди, пукнатините имат различна морфология (фиг. S11) (27).Плътността на площта на пукнатината (дефинирана като площ на пукнатината/анализирана площ) на многослойния графен е по-малка от тази на монослойния графен след напрежение, което е в съответствие с увеличаването на електрическата проводимост за MGGs.От друга страна, често се наблюдават свитъци, които запълват пукнатините, осигурявайки допълнителни проводими пътища в напрегнатия филм.Например, както е отбелязано на изображението на фиг. 4В, широк свитък пресече пукнатина в трислойния MGG, но не се наблюдава свитък в обикновения графен (фиг. 4, от E до H).По същия начин, CNTs също преодоляват пукнатините в графена (фиг. S11).Плътността на зоната на пукнатини, плътността на зоната на скрол и грапавостта на филмите са обобщени на фиг. 4К.
(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 % напрежение.Представителни пукнатини и свитъци са насочени със стрелки.Всички AFM изображения са в зона от 15 μm × 15 μm, като се използва същата цветна скала, както е обозначена.(I) Симулационна геометрия на шарени монослойни графенови електроди върху SEBS субстрата.(J) Симулационна контурна карта на максималното главно логаритмично напрежение в монослойния графен и субстрата SEBS при 20% външно напрежение.(K) Сравнение на плътността на зоната на пукнатини (червена колона), плътността на зоната на скрол (жълта колона) и грапавостта на повърхността (синя колона) за различни графенови структури.
Когато MGG филмите се разтягат, има важен допълнителен механизъм, чрез който свитъците могат да свързват напукани области на графен, поддържайки перколираща мрежа.Графеновите свитъци са обещаващи, защото могат да бъдат с дължина десетки микрометри и следователно могат да преодоляват пукнатини, които обикновено са до микрометров мащаб.Освен това, тъй като свитъците се състоят от многослойни графен, се очаква те да имат ниско съпротивление.За сравнение се изискват относително плътни (по-ниска пропускливост) CNT мрежи, 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 последният може да се плъзга по основния графен.Причината, поради която те не се напукват, вероятно се дължи на навитата структура, съставена от много слоеве графен (~1 до 20 μm дълги, ~0,1 до 1 μm широки и ~10 до 100 nm високи), която има по-висок ефективен модул от еднослойния графен.Както се съобщава от Green and Hersam (42), металните CNT мрежи (диаметър на тръбата от 1,0 nm) могат да постигнат ниски съпротивления на листове <100 ома/sq въпреки голямото съпротивление на кръстовището между CNT.Като се има предвид, че нашите графенови свитъци имат ширини 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 графен и графенови 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 на 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 допълнителни материали за подробности).Според резултатите от симулацията, когато 20% напрежение е приложено към SEBS субстрата външно, средното напрежение в графена е ~6,6% (фиг. 4J и фиг. S13D), което е в съответствие с експерименталните наблюдения (виж фиг. S13) .Сравнихме щама в областите на графен и субстрата с помощта на оптична микроскопия и открихме, че щамът в областта на субстрата е поне два пъти по-голям от щама в графеновата област.Това показва, че напрежението, приложено върху моделите на графеновите електроди, може да бъде значително ограничено, образувайки графенови твърди острови върху SEBS (26, 43, 44).
Следователно, способността на MGG електродите да поддържат висока проводимост при голямо напрежение вероятно е активирана от два основни механизма: (i) Свитъците могат да свързват разединените области, за да поддържат проводящ път на перколация, 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 пренесен графен върху еластомер, слоевете не са силно прикрепени един към друг, което може да се плъзне в отговор на напрежение (27).Свитъците също така увеличават 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 долна графенова врата, горен графен източник/източник, сортиран полупроводник CNT и SEBS като диелектрик (фиг. 5А).Както е показано на фиг. 5В, изцяло въглеродно устройство с CNT като източник/източник и порта (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 пропуски за постигане на съпротивление на листа, подобно на това на графена (фиг. S4).Фигура 5 (C и D) показва представителни криви на пренос и изход преди напрежение 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 съответно 10−5 и 10−8 A.Изходната крива показва идеални линейни режими и режими на насищане с ясна зависимост от напрежението на затвора, което показва идеален контакт между CNT и графеновите електроди (45).Наблюдава се, че контактното съпротивление с графеновите електроди е по-ниско от това с изпарения Au филм (виж фиг. S14).Подвижността на насищане на разтегливия транзистор е около 5,6 cm2/Vs, подобно на тази 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 разтегливи транзистор на базата на графен.SWNT, едностенни въглеродни нанотръби.(B) Снимка на разтегливите транзистори, изработени от графенови електроди (отгоре) и CNT електроди (отдолу).Разликата в прозрачността е ясно забележима.( C и D) Криви на пренос и изход на транзистора на базата на графен върху SEBS преди напрежение.(E и F) Преносни криви, ток на включване и изключване, съотношение на включване/изключване и мобилност на транзистора на базата на графен при различни деформации.
Когато прозрачното, изцяло въглеродно устройство се опъне 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 мобилност (>3 cm2/Vs).В допълнение, ние обобщихме цялата скорошна работа върху изцяло въглеродните 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 прозрачен и разтеглив транзистор, ние го използвахме за управление на превключването на светодиода (фиг. 6А).Както е показано на фиг. 6В, зеленият светодиод може да се види ясно през разтегателното изцяло въглеродно устройство, поставено точно отгоре.Докато се разтяга до ~100% (фиг. 6, C и D), интензитетът на LED светлината не се променя, което е в съответствие с характеристиките на транзистора, описани по-горе (вижте филм S1).Това е първият доклад за разтегливи блокове за управление, направени с помощта на графенови електроди, демонстриращ нова възможност за графенова разтеглива електроника.
(A) Верига на транзистор за задвижване на светодиода.GND, заземяване.(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 промяната на разстоянието, която се разтяга.(D) Страничен изглед на опънатия транзистор, със светодиода, избутан в еластомера.
В заключение, ние разработихме прозрачна проводяща графенова структура, която поддържа висока проводимост при големи щамове като разтегливи електроди, активирани от графенови наносвилки между подредени графенови слоеве.Тези дву- и трислойни MGG електродни структури върху еластомер могат да поддържат съответно 21 и 65% от тяхната 0% проводимост на деформация при напрежение до 100%, в сравнение с пълна загуба на проводимост при 5% напрежение за типичните монослойни графенови електроди .Допълнителните проводими пътища на графеновите свитъци, както и слабото взаимодействие между пренесените слоеве допринасят за превъзходната стабилност на проводимост при напрежение.Освен това приложихме тази графенова структура за производство на 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 е проведено, за да даде възможност на графен за разтеглива електроника, ние вярваме, че този подход може да бъде разширен и до други 2D материали, за да позволи разтеглива 2D електроника.
CVD графенът 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 от PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) беше покрит с въртене от едната страна на Cu фолиото, образувайки PMMA/G/Cu фолио/G структура.след това целият филм се накисва в 0,1 М разтвор на амониев персулфат [(NH4)2S2O8] за около 2 часа, за да се ецне Cu фолиото.По време на този процес незащитеният заден графен първо се разкъса по границите на зърното и след това се нави на свитъци поради повърхностно напрежение.Свитъците бяха прикрепени към поддържания от PMMA горен графенов филм, образувайки PMMA/G/G свитъци.След това филмите се промиват в дейонизирана вода няколко пъти и се поставят 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 ° С в продължение на 15 минути или се държат във вакуум една нощ, за да се отстрани напълно уловената вода, преди друг слой от G/G свитък да бъде прехвърлен върху него.Тази стъпка беше да се избегне отделянето на графенов филм от субстрата и да се осигури пълно покритие на MGGs по време на освобождаването на PMMA носещия слой.
Морфологията на структурата на MGG се наблюдава с помощта на оптичен микроскоп (Leica) и сканиращ електронен микроскоп (1 kV; FEI).Микроскоп с атомна сила (Nanoscope III, Digital Instrument) беше използван в режим на подслушване, за да се наблюдават детайлите на G свитъците.Прозрачността на филма беше тествана с ултравиолетово-видим спектрометър (Agilent Cary 6000i).За тестовете, когато напрежението е по протежение на перпендикулярната посока на тока, фотолитография и O2 плазма бяха използвани за моделиране на графенови структури в ленти (~300 μm широки и ~2000 μm), а Au (50 nm) електроди бяха термично отложени с помощта на сенчести маски 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 е успоредна на късата страна на SEBS, последвана от BOE (буферирано оксидно ецване) (HF: H2O 1:6) ецване и евтектичен галий индий (EGaIn) като електрически контакти.За тестове за паралелно напрежение, графенови структури без шаблон (~ 5 × 10 mm) бяха прехвърлени върху субстрати на SEBS, с дълги оси, успоредни на дългата страна на субстрата на SEBS.И в двата случая целият G (без G свитъци)/SEBS беше опънат по дългата страна на еластомера в ръчен апарат и in situ, ние измервахме промените в съпротивлението им при напрежение на сонда станция с полупроводников анализатор (Keithley 4200 -SCS).
Силно разтегливите и прозрачни изцяло въглеродни транзистори върху еластичен субстрат бяха произведени чрез следните процедури, за да се избегне увреждането на полимерния диелектрик и субстрата от органични разтворители.MGG структурите бяха прехвърлени върху SEBS като електроди на портата.За да се получи равномерен тънкослоен полимерен диелектричен слой (дебелина 2 μm), разтвор на SEBS толуен (80 mg/ml) се нанася върху октадецилтрихлорсилан (OTS)-модифициран 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 бъде направен чрез поставяне 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 състои от полимерно сортирани полупроводникови CNT, следвайки процедурите, докладвани по-рано (53).Моделираните изходни/източни електроди са произведени върху твърди SiO2/Si субстрати.Впоследствие двете части, диелектрик/G/SEBS и CNTs/шарен G/SiO2/Si, бяха ламинирани една към друга и накиснати в BOE за отстраняване на твърдия SiO2/Si субстрат.Така бяха произведени напълно прозрачните и разтегливи транзистори.Електрическото тестване под напрежение беше извършено на ръчна настройка за разтягане като гореспоменатия метод.
Допълнителен материал за тази статия е достъпен на адрес 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 пропускливостта на листа с две сонди @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 MGGs (черен) и G (червен) при ~1000 циклично натоварване до 40 и 90% паралелно напрежение, съответно.
фиг.S10.SEM изображение на трислоен MGG върху SEBS еластомер след напрежение, показващ дълъг скрол върху няколко пукнатини.
фиг.S12.AFM изображение на трислоен MGG върху много тънък SEBS еластомер при 20% напрежение, показващо, че свитък преминава през пукнатина.
таблица S1.Мобилности на двуслойни MGG-едностенни транзистори от въглеродни нанотръби при различни дължини на канала преди и след напрежение.
Това е статия с отворен достъп, разпространявана при условията на лиценза Creative Commons Attribution-NonCommercial, който позволява използване, разпространение и възпроизвеждане във всяка среда, стига получената употреба да не е за търговска изгода и при условие, че оригиналното произведение е правилно цитиран.
ЗАБЕЛЕЖКА: Ние изискваме вашия имейл адрес само така, че човекът, на когото препоръчвате страницата, да знае, че сте искали да я види, и че това не е нежелана поща.Ние не улавяме никакъв имейл адрес.
Този въпрос е за тестване дали сте човек или не посетител и за предотвратяване на автоматично изпращане на спам.
От Нан Лиу, Алекс Чортос, Тинг Лей, Лихуа Джин, Таехо Рой Ким, Вон-Гю Бае, Ченсин Джу, Сихонг Уанг, Рафаел Пфатнер, Ксиюан Чен, Робърт Синклер, Женан Бао
От Нан Лиу, Алекс Чортос, Тинг Лей, Лихуа Джин, Таехо Рой Ким, Вон-Гю Бае, Ченсин Джу, Сихонг Уанг, Рафаел Пфатнер, Ксиюан Чен, Робърт Синклер, Женан Бао
© 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.
Час на публикация: 28 януари 2021 г