Todimensionelle materialer, såsom grafen, er attraktive til både konventionelle halvlederapplikationer og spirende anvendelser inden for fleksibel elektronik. Grafens høje trækstyrke resulterer dog i brud ved lav belastning, hvilket gør det udfordrende at udnytte dens ekstraordinære elektroniske egenskaber i strækbar elektronik. For at muliggøre fremragende belastningsafhængig ydeevne af transparente grafenledere, skabte vi grafen-nanoscrolls mellem stablede grafenlag, kaldet flerlags grafen/grafen-scrolls (MGG'er). Under belastning byggede nogle scrolls bro over de fragmenterede domæner af grafen for at opretholde et perkolerende netværk, der muliggjorde fremragende ledningsevne ved høje belastninger. Trelags-MGG'er understøttet af elastomerer bevarede 65% af deres oprindelige ledningsevne ved 100% belastning, hvilket er vinkelret på strømretningen, hvorimod trelagsfilm af grafen uden nanoscrolls kun bevarede 25% af deres startledningsevne. En strækbar kulstoftransistor fremstillet med MGG'er som elektroder udviste en transmittans på >90% og bevarede 60% af sin oprindelige strømstyrke ved 120% belastning (parallelt med ladningstransportretningen). Disse meget strækbare og transparente kulstoftransistorer kunne muliggøre sofistikeret strækbar optoelektronik.
Strækbar transparent elektronik er et voksende felt, der har vigtige anvendelser i avancerede biointegrerede systemer (1, 2) samt potentiale til at integrere med strækbar optoelektronik (3, 4) for at producere sofistikeret blød robotteknologi og displays. Grafen udviser yderst ønskelige egenskaber som atomtykkelse, høj transparens og høj ledningsevne, men implementeringen i strækbare applikationer er blevet hæmmet af dens tendens til at revne ved små tøjninger. Overvindelse af grafens mekaniske begrænsninger kan muliggøre ny funktionalitet i strækbare transparente enheder.
Grafens unikke egenskaber gør den til en stærk kandidat til den næste generation af transparente ledende elektroder (5, 6). Sammenlignet med den mest almindeligt anvendte transparente leder, indiumtinoxid [ITO; 100 ohm/kvadrat (kvadrat) ved 90% transparens], har monolagsgrafen dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD) en lignende kombination af plademodstand (125 ohm/kvadrat) og transparens (97,4%) (5). Derudover har grafenfilm ekstraordinær fleksibilitet sammenlignet med ITO (7). For eksempel kan dens ledningsevne bevares på et plastsubstrat, selv ved en bøjningsradius på så lidt som 0,8 mm (8). For yderligere at forbedre dens elektriske ydeevne som en transparent, fleksibel leder har tidligere arbejdet udviklet grafenhybridmaterialer med endimensionelle (1D) sølvnanotråde eller kulstofnanorør (CNT'er) (9-11). Derudover er grafen blevet brugt som elektroder til blandede dimensionelle heterostrukturelle halvledere (såsom 2D bulk Si, 1D nanotråde/nanorør og 0D kvanteprikker) (12), fleksible transistorer, solceller og lysdioder (LED'er) (13-23).
Selvom grafen har vist lovende resultater for fleksibel elektronik, har dens anvendelse i strækbar elektronik været begrænset af dens mekaniske egenskaber (17, 24, 25); grafen har en stivhed i planet på 340 N/m og et Youngs modul på 0,5 TPa (26). Det stærke kulstof-kulstof-netværk giver ingen energiafledningsmekanismer for påført tøjning og revner derfor let ved mindre end 5% tøjning. For eksempel kan CVD-grafen overført til et elastisk substrat af polydimethylsiloxan (PDMS) kun opretholde sin ledningsevne ved mindre end 6% tøjning (8). Teoretiske beregninger viser, at krølning og samspil mellem forskellige lag burde reducere stivheden kraftigt (26). Ved at stable grafen i flere lag rapporteres det, at denne to- eller trelagsgrafen er strækbar til 30% tøjning og udviser en modstandsændring, der er 13 gange mindre end den for monolagsgrafen (27). Denne strækbarhed er dog stadig betydeligt ringere end de mest avancerede strækbare ledere (28, 29).
Transistorer er vigtige i strækbare applikationer, fordi de muliggør sofistikeret sensoraflæsning og signalanalyse (30, 31). Transistorer på PDMS med flerlagsgrafen som source/drain-elektroder og kanalmateriale kan opretholde elektrisk funktion op til 5% belastning (32), hvilket er betydeligt under den minimale krævede værdi (~50%) for bærbare sundhedsovervågningssensorer og elektronisk hud (33, 34). For nylig er en grafen-kirigami-tilgang blevet undersøgt, og transistoren, der styres af en flydende elektrolyt, kan strækkes til så meget som 240% (35). Denne metode kræver dog suspenderet grafen, hvilket komplicerer fremstillingsprocessen.
Her opnår vi meget strækbare grafen-enheder ved at indskyde grafen-scroller (~1 til 20 μm lange, ~0,1 til 1 μm brede og ~10 til 100 nm høje) mellem grafen-lagene. Vi antager, at disse grafen-scroller kan give ledende baner til at bygge bro over revner i grafen-arkene og dermed opretholde høj ledningsevne under belastning. Grafen-scrollene kræver ikke yderligere syntese eller proces; de dannes naturligt under vådoverføringsproceduren. Ved at bruge flerlags G/G (grafen/grafen)-scroller (MGG'er), grafen-strækbare elektroder (source/drain og gate) og halvledende CNT'er var vi i stand til at demonstrere meget transparente og meget strækbare hel-carbon-transistorer, som kan strækkes til 120% belastning (parallelt med ladningstransportretningen) og bevare 60% af deres oprindelige strømoutput. Dette er den mest strækbare transparente kulstofbaserede transistor hidtil, og den leverer tilstrækkelig strøm til at drive en uorganisk LED.
For at muliggøre store, transparente, strækbare grafenelektroder valgte vi CVD-dyrket grafen på Cu-folie. Cu-folien blev suspenderet i midten af et CVD-kvartsrør for at tillade vækst af grafen på begge sider og danne G/Cu/G-strukturer. For at overføre grafen spin-coatede vi først et tyndt lag poly(methylmethacrylat) (PMMA) for at beskytte den ene side af grafenen, som vi kaldte topside-grafen (omvendt for den anden side af grafenen), og efterfølgende blev hele filmen (PMMA/top-grafen/Cu/bund-grafen) gennemvædet i (NH4)2S2O8-opløsning for at ætse Cu-folien væk. Bund-grafenen uden PMMA-belægningen vil uundgåeligt have revner og defekter, der tillader et ætsemiddel at trænge igennem (36, 37). Som illustreret i figur 1A, rulledes de frigjorte grafendomæner under påvirkning af overfladespænding op i ruller og blev derefter fastgjort til den resterende top-G/PMMA-film. Top-G/G-scrollerne kan overføres til ethvert substrat, såsom SiO2/Si, glas eller blød polymer. Gentagelse af denne overførselsproces flere gange på det samme substrat giver MGG-strukturer.
(A) Skematisk illustration af fremstillingsproceduren for MGG'er som en strækbar elektrode. Under grafenoverførslen blev bagsiden af grafen på Cu-folie brudt ved grænser og defekter, rullet op i vilkårlige former og tæt fastgjort til de øvre film, hvilket dannede nanoscrolls. Den fjerde tegneserie viser den stablede MGG-struktur. (B og C) Højopløsnings TEM-karakteriseringer af et monolags-MGG, med fokus på henholdsvis monolags-grafenet (B) og scroll-regionen (C). Indsætningen af (B) er et billede med lav forstørrelse, der viser den overordnede morfologi af monolags-MGG'er på TEM-gitteret. Indsætninger af (C) er intensitetsprofilerne taget langs de rektangulære bokse angivet på billedet, hvor afstandene mellem atomplanerne er 0,34 og 0,41 nm. (D) Kulstof K-kant EEL-spektrum med de karakteristiske grafitiske π*- og σ*-toppe mærket. (E) Sektions-AFM-billede af monolags-G/G-scrolls med en højdeprofil langs den gule stiplede linje. (F til I) Optisk mikroskopi og AFM-billeder af trelags G uden (F og H) og med spiraler (G og I) på 300 nm tykke SiO2/Si-substrater. Repræsentative spiraler og rynker blev mærket for at fremhæve deres forskelle.
For at verificere, at spiralerne er rullet grafen af natur, udførte vi højopløsnings transmissionselektronmikroskopi (TEM) og elektronenergitab (EEL) spektroskopistudier på monolags top-G/G spiralstrukturer. Figur 1B viser den hexagonale struktur af en monolags grafen, og indsætningen er en samlet morfologi af filmen dækket på et enkelt kulstofhul i TEM-gitteret. Monolagsgrafenet spænder over det meste af gitteret, og nogle grafenflager i nærvær af flere stakke af hexagonale ringe vises (fig. 1B). Ved at zoome ind på en individuel spiral (fig. 1C) observerede vi en stor mængde grafen-gitterfrynser med en gitterafstand i området 0,34 til 0,41 nm. Disse målinger tyder på, at flagerne er tilfældigt rullet op og ikke er perfekt grafit, som har en gitterafstand på 0,34 nm i "ABAB"-lagstabling. Figur 1D viser kulstof K-kant EEL-spektret, hvor toppen ved 285 eV stammer fra π*-orbitalen, og den anden omkring 290 eV skyldes overgangen af σ*-orbitalen. Det kan ses, at sp2-binding dominerer i denne struktur, hvilket bekræfter, at spiralerne er stærkt grafitiske.
Optiske mikroskopi- og atomkraftmikroskopi (AFM)-billeder giver indsigt i fordelingen af grafen-nanoscrolls i MGG'erne (fig. 1, E til G, og fig. S1 og S2). Scrolls er tilfældigt fordelt over overfladen, og deres planare tæthed stiger proportionalt med antallet af stablede lag. Mange scrolls er viklet ind i knuder og udviser uensartede højder i området 10 til 100 nm. De er 1 til 20 μm lange og 0,1 til 1 μm brede, afhængigt af størrelsen af deres oprindelige grafenflager. Som vist i fig. 1 (H og I) har scrolls betydeligt større størrelser end rynkerne, hvilket fører til en meget ruere grænseflade mellem grafenlagene.
For at måle de elektriske egenskaber mønstrede vi grafenfilm med eller uden scrollstrukturer og lagstabling i 300 μm brede og 2000 μm lange strimler ved hjælp af fotolitografi. To-probe-modstande som funktion af tøjning blev målt under omgivende forhold. Tilstedeværelsen af scrolls reducerede resistiviteten for monolagsgrafen med 80% med kun et fald i transmittansen på 2,2% (fig. S4). Dette bekræfter, at nanoscrolls, som har en høj strømtæthed på op til 5 × 107 A/cm2 (38, 39), yder et meget positivt elektrisk bidrag til MGG'erne. Blandt alle mono-, bi- og trelags almindelige grafener og MGG'er har trelags-MGG'en den bedste konduktans med en transparens på næsten 90%. For at sammenligne med andre kilder til grafen rapporteret i litteraturen, målte vi også fire-probe plademodstande (fig. S5) og listede dem som en funktion af transmittans ved 550 nm (fig. S6) i fig. 2A. MGG viser sammenlignelig eller højere ledningsevne og transparens end kunstigt stablet flerlags almindelig grafen og reduceret grafenoxid (RGO) (6, 8, 18). Bemærk, at plademodstandene for kunstigt stablet flerlags almindelig grafen fra litteraturen er lidt højere end for vores MGG, sandsynligvis på grund af deres uoptimerede vækstbetingelser og overførselsmetode.
(A) Fire-probe arkmodstande versus transmittans ved 550 nm for flere typer grafen, hvor sorte firkanter angiver mono-, bi- og trelags MGG'er; røde cirkler og blå trekanter svarer til flerlags almindelig grafen dyrket på Cu og Ni fra studierne af Li et al. (6) og Kim et al. (8) henholdsvis og efterfølgende overført til SiO2/Si eller kvarts; og grønne trekanter er værdier for RGO ved forskellige reduktionsgrader fra studiet af Bonaccorso et al. (18). (B og C) Normaliseret modstandsændring af mono-, bi- og trelags MGG'er og G som en funktion af vinkelret (B) og parallel (C) tøjning i forhold til strømretningen. (D) Normaliseret modstandsændring af dobbeltlag G (rød) og MGG (sort) under cyklisk tøjningsbelastning op til 50% vinkelret tøjning. (E) Normaliseret modstandsændring af trelag G (rød) og MGG (sort) under cyklisk tøjningsbelastning op til 90% parallel tøjning. (F) Normaliseret kapacitansændring af mono-, bi- og trelags G og bi- og trelags MGG'er som funktion af tøjning. Indsætningen viser kondensatorstrukturen, hvor polymersubstratet er SEBS, og det dielektriske polymerlag er det 2 μm tykke SEBS.
For at evaluere MGG'ens tøjningsafhængige ydeevne overførte vi grafen til termoplastiske elastomer styren-ethylen-butadien-styren (SEBS) substrater (~2 cm brede og ~5 cm lange), og ledningsevnen blev målt, mens substratet blev strakt (se Materialer og Metoder) både vinkelret på og parallelt med strømretningen (fig. 2, B og C). Den tøjningsafhængige elektriske adfærd forbedredes med inkorporeringen af nanoscrolls og et stigende antal grafenlag. For eksempel, når tøjningen er vinkelret på strømretningen, øgede tilsætningen af scrolls for monolagsgrafen tøjningen ved elektrisk brud fra 5 til 70%. Tøjningstolerancen for trelagsgrafenen forbedres også signifikant sammenlignet med monolagsgrafenen. Med nanoscrolls steg modstanden i trelags-MGG-strukturen kun med 50% ved 100% vinkelret tøjning sammenlignet med 300% for trelagsgrafen uden scrolls. Modstandsændring under cyklisk tøjningsbelastning blev undersøgt. Til sammenligning (fig. 2D) steg modstanden i en almindelig dobbeltlags-grafenfilm omkring 7,5 gange efter ~700 cyklusser ved 50 % vinkelret tøjning og fortsatte med at stige med tøjningen i hver cyklus. På den anden side steg modstanden i en dobbeltlags-MGG kun omkring 2,5 gange efter ~700 cyklusser. Ved at anvende op til 90 % tøjning langs den parallelle retning steg modstanden i trelags-grafen ~100 gange efter 1000 cyklusser, hvorimod den kun er ~8 gange i en trelags-MGG (fig. 2E). Cyklusresultater er vist i fig. S7. Den relativt hurtigere stigning i modstand langs den parallelle tøjningsretning skyldes, at revnernes orientering er vinkelret på strømretningen. Afvigelsen i modstanden under belastnings- og aflastningstøjning skyldes den viskoelastiske genopretning af SEBS-elastomersubstratet. Den mere stabile modstand i MGG-strimlerne under cyklussen skyldes tilstedeværelsen af store ruller, der kan bygge bro over de revnede dele af grafenet (som observeret af AFM), hvilket hjælper med at opretholde en perkolerende bane. Dette fænomen med at opretholde ledningsevne via en perkoleringsvej er tidligere blevet rapporteret for revnede metal- eller halvlederfilm på elastomersubstrater (40, 41).
For at evaluere disse grafenbaserede film som gateelektroder i strækbare enheder, dækkede vi grafenlaget med et SEBS dielektrisk lag (2 μm tykt) og overvågede ændringen i den dielektriske kapacitans som en funktion af tøjning (se fig. 2F og det supplerende materiale for detaljer). Vi observerede, at kapacitanserne med almindelige monolags- og tolagsgrafenelektroder hurtigt faldt på grund af tabet af grafens planledningsevne. I modsætning hertil viste kapacitanser styret af MGG'er såvel som almindelig trelagsgrafen en stigning i kapacitans med tøjning, hvilket forventes på grund af reduktion i dielektrisk tykkelse med tøjning. Den forventede stigning i kapacitans stemte meget godt overens med MGG-strukturen (fig. S8). Dette indikerer, at MGG er egnet som gateelektrode til strækbare transistorer.
For yderligere at undersøge rollen af 1D-grafenrullen på tøjningstolerancen for elektrisk ledningsevne og bedre kontrollere separationen mellem grafenlagene, brugte vi spraycoatede CNT'er til at erstatte grafenrullerne (se supplerende materialer). For at efterligne MGG-strukturer aflejrede vi tre tætheder af CNT'er (dvs. CNT1
(A til C) AFM-billeder af tre forskellige tætheder af CNT'er (CNT1
For yderligere at forstå deres evne som elektroder til strækbar elektronik, undersøgte vi systematisk morfologierne af MGG og G-CNT-G under belastning. Optisk mikroskopi og scanningselektronmikroskopi (SEM) er ikke effektive karakteriseringsmetoder, fordi begge mangler farvekontrast, og SEM er udsat for billedartefakter under elektronscanning, når grafen er på polymersubstrater (fig. S9 og S10). For at observere grafenoverfladen in situ under belastning, indsamlede vi AFM-målinger på trelags MGG'er og almindelig grafen efter overførsel til meget tynde (~0,1 mm tykke) og elastiske SEBS-substrater. På grund af de iboende defekter i CVD-grafen og ydre skader under overførselsprocessen genereres der uundgåeligt revner på den spændte grafen, og med stigende belastning blev revnerne tættere (fig. 4, A til D). Afhængigt af stablingsstrukturen af de kulstofbaserede elektroder udviser revnerne forskellige morfologier (fig. S11) (27). Revnearealtætheden (defineret som revneareal/analyseret areal) for flerlagsgrafen er mindre end for monolagsgrafen efter belastning, hvilket stemmer overens med stigningen i elektrisk ledningsevne for MGG'er. På den anden side observeres det ofte, at scrolls bygger bro over revnerne og giver yderligere ledende baner i den spændte film. For eksempel, som vist på billedet i figur 4B, krydsede en bred scroll over en revne i det trelags MGG, men der blev ikke observeret nogen scroll i den almindelige grafen (figur 4, E til H). Tilsvarende bygger CNT'er også bro over revnerne i grafen (figur S11). Revnearealtætheden, scrollarealtætheden og ruheden af filmene er opsummeret i figur 4K.
(A til H) In situ AFM-billeder af trelags G/G-scrolls (A til D) og trelags G-strukturer (E til H) på en meget tynd SEBS (~0,1 mm tyk) elastomer ved 0, 20, 60 og 100 % tøjning. Repræsentative revner og scrolls er markeret med pile. Alle AFM-billederne er i et område på 15 μm × 15 μm, ved brug af den samme farveskala som angivet. (I) Simuleringsgeometri af mønstrede monolags-grafenelektroder på SEBS-substratet. (J) Simuleringskonturkort af den maksimale primære logaritmiske tøjning i monolags-grafenen og SEBS-substratet ved 20 % ekstern tøjning. (K) Sammenligning af revnearealtæthed (rød kolonne), scrollarealtæthed (gul kolonne) og overfladeruhed (blå kolonne) for forskellige grafenstrukturer.
Når MGG-filmene strækkes, er der en vigtig yderligere mekanisme, hvor spiralerne kan bygge bro over revnede områder af grafen og dermed opretholde et perkolerende netværk. Grafen-spiralerne er lovende, fordi de kan være flere titusindvis af mikrometer lange og derfor i stand til at bygge bro over revner, der typisk er op til mikrometerskala. Da spiralerne desuden består af flerlag af grafen, forventes de at have lav modstand. Til sammenligning kræves relativt tætte (lavere transmittans) CNT-netværk for at give sammenlignelig ledende brodannelseskapacitet, da CNT'er er mindre (typisk et par mikrometer lange) og mindre ledende end spiraler. På den anden side, som vist i fig. S12, revner grafenen under strækning for at imødekomme belastning, men spiralerne revner ikke, hvilket indikerer, at sidstnævnte muligvis glider på den underliggende grafen. Grunden til, at de ikke revner, skyldes sandsynligvis den sammenrullede struktur, der består af mange lag grafen (~1 til 20 μm lange, ~0,1 til 1 μm brede og ~10 til 100 nm høje), som har et højere effektivt modul end enkeltlagsgrafen. Som rapporteret af Green og Hersam (42) kan metalliske CNT-netværk (rørdiameter på 1,0 nm) opnå lave plademodstande <100 ohm/kvadrat på trods af den store overgangsmodstand mellem CNT'er. I betragtning af at vores grafen-scroller har bredder på 0,1 til 1 μm, og at G/G-scroller har meget større kontaktområder end CNT'er, bør kontaktmodstanden og kontaktområdet mellem grafen og grafen-scroller ikke være begrænsende faktorer for at opretholde høj ledningsevne.
Grafen har et meget højere modul end SEBS-substratet. Selvom grafenelektrodens effektive tykkelse er meget lavere end substratets, er grafenens stivhed ganget med dens tykkelse sammenlignelig med substratets (43, 44), hvilket resulterer i en moderat stiv-ø-effekt. Vi simulerede deformationen af en 1 nm tyk grafen på et SEBS-substrat (se Supplerende Materialer for detaljer). Ifølge simuleringsresultaterne er den gennemsnitlige tøjning i grafenen ~6,6% (fig. 4J og fig. S13D), når 20% tøjning påføres SEBS-substratet eksternt, hvilket er i overensstemmelse med eksperimentelle observationer (se fig. S13). Vi sammenlignede tøjningen i de mønstrede grafen- og substratområder ved hjælp af optisk mikroskopi og fandt, at tøjningen i substratområdet var mindst dobbelt så stor som tøjningen i grafenområdet. Dette indikerer, at den tøjning, der påføres grafenelektrodemønstre, kunne være betydeligt begrænset og danne stive grafenøer oven på SEBS (26, 43, 44).
Derfor er MGG-elektroders evne til at opretholde høj ledningsevne under høj belastning sandsynligvis muliggjort af to hovedmekanismer: (i) Rullerne kan bygge bro mellem frakoblede områder for at opretholde en ledende perkoleringsvej, og (ii) flerlagsgrafenarkene/elastomeren kan glide over hinanden, hvilket resulterer i reduceret belastning på grafenelektroderne. For flere lag af overført grafen på elastomer er lagene ikke stærkt bundet til hinanden, hvilket kan glide som reaktion på belastning (27). Rullerne øgede også ruheden af grafenlagene, hvilket kan bidrage til at øge adskillelsen mellem grafenlagene og dermed muliggøre glidning af grafenlagene.
Kulstofbaserede enheder forfølges entusiastisk på grund af lave omkostninger og høj kapacitet. I vores tilfælde blev kulstofbaserede transistorer fremstillet ved hjælp af en grafen-gate i bunden, en grafen-source/drain-kontakt i toppen, en sorteret CNT-halvleder og SEBS som dielektrikum (fig. 5A). Som vist i fig. 5B er en kulstofbaseret enhed med CNT'er som source/drain og gate (bundenhed) mere uigennemsigtig end enheden med grafenelektroder (øverste enhed). Dette skyldes, at CNT-netværk kræver større tykkelser og følgelig lavere optiske transmittancer for at opnå arkmodstande svarende til grafen (fig. S4). Figur 5 (C og D) viser repræsentative overførsels- og outputkurver før belastning for en transistor lavet med dobbeltlags-MGG-elektroder. Kanalbredden og -længden af den ubelastede transistor var henholdsvis 800 og 100 μm. Det målte tænd/sluk-forhold er større end 103 med tænd- og sluk-strømme på niveauerne 10−5 og 10−8 A. Udgangskurven udviser ideelle lineære og mætningsregimer med tydelig gate-spændingsafhængighed, hvilket indikerer ideel kontakt mellem CNT'er og grafenelektroder (45). Kontaktmodstanden med grafenelektroder blev observeret at være lavere end med fordampet Au-film (se fig. S14). Mætningsmobiliteten af den strækbare transistor er omkring 5,6 cm2/Vs, svarende til den for de samme polymersorterede CNT-transistorer på stive Si-substrater med 300 nm SiO2 som et dielektrisk lag. Yderligere forbedring af mobiliteten er mulig med optimeret rørtæthed og andre typer rør (46).
(A) Skitse af grafenbaseret strækbar transistor. SWNT'er, enkeltvæggede kulstofnanorør. (B) Foto af de strækbare transistorer lavet af grafenelektroder (øverst) og CNT-elektroder (nederst). Forskellen i gennemsigtighed er tydeligt mærkbar. (C og D) Overførsels- og outputkurver for den grafenbaserede transistor på SEBS før belastning. (E og F) Overførselskurver, tænd/sluk-strøm, tænd/sluk-forhold og mobilitet af den grafenbaserede transistor ved forskellige belastninger.
Da den transparente, helkulstof-komponent blev strakt i en retning parallelt med ladningstransportretningen, observeredes minimal nedbrydning op til 120% tøjning. Under strækningen faldt mobiliteten kontinuerligt fra 5,6 cm2/Vs ved 0% tøjning til 2,5 cm2/Vs ved 120% tøjning (fig. 5F). Vi sammenlignede også transistorernes ydeevne for forskellige kanallængder (se tabel S1). Bemærkelsesværdigt nok udviste alle disse transistorer ved en tøjning så stor som 105% stadig et højt tænd/sluk-forhold (>103) og mobilitet (>3 cm2/Vs). Derudover opsummerede vi alt det seneste arbejde med helkulstof-transistorer (se tabel S2) (47-52). Ved at optimere komponentfremstilling på elastomerer og bruge MGG'er som kontakter, viser vores helkulstof-transistorer god ydeevne med hensyn til mobilitet og hysterese samt at være meget strækbare.
Som en anvendelse af den fuldt transparente og strækbare transistor brugte vi den til at styre en LED's tænd/sluk-funktion (fig. 6A). Som vist i fig. 6B kan den grønne LED tydeligt ses gennem den strækbare helkulstofenhed, der er placeret direkte ovenover. Mens den strækkes til ~100% (fig. 6, C og D), ændres LED'ens lysintensitet ikke, hvilket er i overensstemmelse med transistorens ydeevne beskrevet ovenfor (se film S1). Dette er den første rapport om strækbare styreenheder lavet ved hjælp af grafenelektroder, hvilket demonstrerer en ny mulighed for strækbar grafenelektronik.
(A) Kredsløb for en transistor til at drive LED. GND, jord. (B) Foto af den strækbare og transparente kulstoftransistor ved 0% belastning monteret over en grøn LED. (C) Den transparente og strækbare kulstoftransistor, der bruges til at tænde og slukke LED'en, monteres over LED'en ved 0% (venstre) og ~100% belastning (højre). Hvide pile peger som gule markører på enheden for at vise den afstandsændring, der strækkes. (D) Sidevisning af den strakte transistor, med LED'en skubbet ind i elastomeren.
Afslutningsvis har vi udviklet en transparent ledende grafenstruktur, der opretholder høj ledningsevne under store belastninger som strækbare elektroder, muliggjort af grafen-nanoscrolls mellem stablede grafenlag. Disse to- og trelags MGG-elektrodestrukturer på en elastomer kan opretholde henholdsvis 21 og 65% af deres 0% tøjningsledningsevne ved en belastning så høj som 100%, sammenlignet med et fuldstændigt tab af ledningsevne ved 5% tøjning for typiske monolags-grafenelektroder. De ekstra ledende baner i grafen-scrolls samt den svage interaktion mellem de overførte lag bidrager til den overlegne ledningsevnestabilitet under belastning. Vi anvendte yderligere denne grafenstruktur til at fremstille strækbare transistorer af ren kulstof. Indtil videre er dette den mest strækbare grafenbaserede transistor med den bedste transparens uden brug af buckling. Selvom den foreliggende undersøgelse blev udført for at muliggøre grafen til strækbar elektronik, mener vi, at denne tilgang kan udvides til andre 2D-materialer for at muliggøre strækbar 2D-elektronik.
Stort CVD-grafen blev dyrket på suspenderede Cu-folier (99,999%; Alfa Aesar) under et konstant tryk på 0,5 mtorr med 50–SCCM (standard kubikcentimeter pr. minut) CH4 og 20–SCCM H2 som forstadier ved 1000°C. Begge sider af Cu-folien blev dækket af et enkeltlagsgrafen. Et tyndt lag PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) blev spin-coatet på den ene side af Cu-folien, hvilket dannede en PMMA/G/Cu-folie/G-struktur. Derefter blev hele filmen gennemvædet i 0,1 M ammoniumpersulfat [(NH4)2S2O8]-opløsning i ca. 2 timer for at ætse Cu-folien væk. Under denne proces rev den ubeskyttede bagside af grafen først langs korngrænserne og rullede derefter op til ruller på grund af overfladespænding. Rullerne blev fastgjort til den PMMA-understøttede øvre grafenfilm, hvilket dannede PMMA/G/G-ruller. Filmene blev efterfølgende vasket i deioniseret vand flere gange og lagt på et målsubstrat, såsom et stift SiO2/Si- eller plastsubstrat. Så snart den vedhæftede film tørrede på substratet, blev prøven sekventielt gennemblødt i acetone, 1:1 acetone/IPA (isopropylalkohol) og IPA i 30 sekunder hver for at fjerne PMMA. Filmene blev opvarmet ved 100 °C i 15 minutter eller holdt i vakuum natten over for fuldstændigt at fjerne det fangede vand, før et andet lag G/G-scroll blev overført til den. Dette trin var for at undgå, at grafenfilmen løsnede sig fra substratet, og for at sikre fuld dækning af MGG'er under frigivelsen af PMMA-bærerlaget.
MGG-strukturens morfologi blev observeret ved hjælp af et optisk mikroskop (Leica) og et scanningselektronmikroskop (1 kV; FEI). Et atomkraftmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) blev betjent i tapping-tilstand for at observere detaljerne i G-scrollerne. Filmens gennemsigtighed blev testet med et ultraviolet-synligt spektrometer (Agilent Cary 6000i). Til testene, hvor tøjningen var langs den vinkelrette retning af strømmen, blev fotolitografi og O2-plasma brugt til at mønstre grafenstrukturer til strimler (~300 μm brede og ~2000 μm lange), og Au (50 nm) elektroder blev termisk aflejret ved hjælp af skyggemasker i begge ender af den lange side. Grafenstrimlerne blev derefter sat i kontakt med en SEBS-elastomer (~2 cm bred og ~5 cm lang), med strimlernes lange akse parallel med SEBS' korte side efterfulgt af BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) ætsning og eutektisk galliumindium (EGaIn) som elektriske kontakter. Til parallelle tøjningstests blev umønstrede grafenstrukturer (~5 × 10 mm) overført til SEBS-substrater med lange akser parallelle med SEBS-substratets lange side. I begge tilfælde blev hele G (uden G-scroller)/SEBS strakt langs elastomerens lange side i et manuelt apparat, og in situ målte vi deres modstandsændringer under tøjning på en probestation med en halvlederanalysator (Keithley 4200-SCS).
De meget strækbare og transparente kulstoftransistorer på et elastisk substrat blev fremstillet ved hjælp af følgende procedurer for at undgå skader på polymerdielektrikumet og substratet forårsaget af organiske opløsningsmidler. MGG-strukturer blev overført til SEBS som gateelektroder. For at opnå et ensartet tyndfilmspolymerdielektrisk lag (2 μm tykt) blev en SEBS-toluenopløsning (80 mg/ml) spin-coated på et octadecyltrichlorosilan (OTS)-modificeret SiO2/Si-substrat ved 1000 rpm i 1 minut. Den tynde dielektriske film kan let overføres fra den hydrofobe OTS-overflade til SEBS-substratet dækket med den fremstillede grafen. En kondensator kunne fremstilles ved at aflejre en flydende metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) topelektrode for at bestemme kapacitansen som en funktion af tøjning ved hjælp af en LCR (induktans, kapacitans, modstand) meter (Agilent). Den anden del af transistoren bestod af polymersorterede halvledende CNT'er, i henhold til de tidligere rapporterede procedurer (53). De mønstrede source/drain-elektroder blev fremstillet på stive SiO2/Si-substrater. Efterfølgende blev de to dele, dielektrikum/G/SEBS og CNT'er/mønstret G/SiO2/Si, lamineret til hinanden og gennemvædet i BOE for at fjerne det stive SiO2/Si-substrat. Således blev de fuldt transparente og strækbare transistorer fremstillet. Den elektriske testning under belastning blev udført på en manuel strækningsopsætning som den førnævnte metode.
Supplerende materiale til denne artikel er tilgængeligt på http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Fig. S1. Optiske mikroskopibilleder af monolags-MGG på SiO2/Si-substrater ved forskellige forstørrelser.
Fig. S4. Sammenligning af modstande og transmittancer i to-probers ark @550 nm for mono-, bi- og trilags almindelig grafen (sorte firkanter), MGG (røde cirkler) og CNT'er (blå trekant).
fig. S7. Normaliseret modstandsændring af mono- og dobbeltlags-MGG'er (sort) og G (rød) under ~1000 cyklisk tøjningsbelastning op til henholdsvis 40 og 90% parallel tøjning.
fig. S10. SEM-billede af trelags MGG på SEBS-elastomer efter tøjning, der viser et langt spiralkryds over adskillige revner.
fig. S12. AFM-billede af trelags MGG på meget tynd SEBS-elastomer ved 20% tøjning, der viser, at en spiral krydsede en revne.
Tabel S1. Mobiliteter af dobbeltlags-MGG – enkeltvæggede kulstof-nanorørstransistorer ved forskellige kanallængder før og efter belastning.
Dette er en artikel med åben adgang, der distribueres under vilkårene i Creative Commons Attribution-NonCommercial-licensen, som tillader brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, så længe den resulterende brug ikke er til kommerciel fordel, og forudsat at det originale værk er korrekt citeret.
BEMÆRK: Vi beder kun om din e-mailadresse, så den person, du anbefaler siden til, ved, at du ønsker, at de skal se den, og at det ikke er uønsket post. Vi indsamler ikke nogen e-mailadresse.
Dette spørgsmål er for at teste, om du er en menneskelig besøgende, og for at forhindre automatiserede spam-indsendelser.
Af 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
Af 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 American Association for the Advancement of Science. Alle rettigheder forbeholdes. AAAS er partner af HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef og COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Opslagstidspunkt: 28. januar 2021