Todimensionelle materialer, såsom grafen, er attraktive til både konventionelle halvlederapplikationer og begyndende applikationer inden for fleksibel elektronik.Men den høje trækstyrke af grafen resulterer i brud ved lav belastning, hvilket gør det udfordrende at udnytte dets ekstraordinære elektroniske egenskaber i strækbar elektronik.For at muliggøre fremragende belastningsafhængig ydeevne af transparente grafenledere, skabte vi grafen nanoscrolls mellem stablede grafenlag, kaldet multilags grafen/grafen ruller (MGG'er).Under belastning slog nogle ruller bro over de fragmenterede domæner af grafen for at opretholde et perkolerende netværk, der muliggjorde fremragende ledningsevne ved høje belastninger.Trelags MGG'er understøttet på elastomerer bibeholdt 65% af deres oprindelige konduktans ved 100% belastning, hvilket er vinkelret på strømretningen, hvorimod trelagsfilm af grafen uden nanoscroll kun beholdt 25% af deres startkonduktans.En strækbar all-carbon transistor fremstillet ved hjælp af MGG'er som elektroder udviste en transmittans på >90% og bibeholdt 60% af sin oprindelige strømudgang ved 120% belastning (parallelt med ladningstransportretningen).Disse meget strækbare og gennemsigtige transistorer udelukkende i kulstof kunne muliggøre sofistikeret strækbar optoelektronik.
Strækbar transparent elektronik er et voksende felt, der har vigtige anvendelser i avancerede biointegrerede systemer (1, 2) samt potentialet til at integrere med strækbar optoelektronik (3, 4) for at producere sofistikeret blød robotteknologi og displays.Grafen udviser yderst ønskværdige egenskaber med atomtykkelse, høj gennemsigtighed og høj ledningsevne, men dets implementering i strækbare applikationer er blevet hæmmet af dets tendens til at revne ved små spændinger.At overvinde de mekaniske begrænsninger af grafen kunne muliggøre ny funktionalitet i strækbare gennemsigtige enheder.
Grafens unikke egenskaber gør det 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 (sq) ved 90 % gennemsigtighed ], monolagsgrafen dyrket ved kemisk dampaflejring (CVD) har en lignende kombination af plademodstand (125 ohm/sq) og gennemsigtighed (97,4%) (5).Derudover har grafenfilm ekstraordinær fleksibilitet sammenlignet med ITO (7).For eksempel på et plastsubstrat kan dets ledningsevne bevares selv for en bøjningsradius så lille som 0,8 mm (8).For yderligere at forbedre dens elektriske ydeevne som en gennemsigtig fleksibel leder har tidligere værker udviklet grafenhybridmaterialer med endimensionelle (1D) sølv nanotråde eller kulstofnanorør (CNT'er) (9-11).Desuden er grafen blevet brugt som elektroder til blandede heterostrukturelle halvledere (såsom 2D bulk Si, 1D nanotråde/nanorør og 0D kvanteprikker) (12), fleksible transistorer, solceller og lysemitterende dioder (LED'er) (13 –23).
Selvom grafen har vist lovende resultater for fleksibel elektronik, er dets anvendelse i strækbar elektronik blevet begrænset af dets mekaniske egenskaber (17, 24, 25);grafen har en stivhed i planet på 340 N/m og et Young's modul på 0,5 TPa ( 26).Det stærke kulstof-kulstof-netværk giver ingen energiafledningsmekanismer for påført belastning og revner derfor let ved mindre end 5 % belastning.For eksempel kan CVD-grafen overført til et elastisk polydimethylsiloxan (PDMS) substrat kun opretholde sin ledningsevne ved mindre end 6% belastning (8).Teoretiske beregninger viser, at krølning og samspil mellem forskellige lag bør reducere stivheden kraftigt (26).Ved at stable grafen i flere lag rapporteres det, at denne to- eller trelagsgrafen er strækbar til 30 % belastning og udviser modstandsændring 13 gange mindre end monolagsgrafen (27).Denne strækbarhed er dog stadig betydeligt ringere end avancerede strækbare ledere (28, 29).
Transistorer er vigtige i strækbare applikationer, fordi de muliggør sofistikeret sensorudlæsning og signalanalyse (30, 31).Transistorer på PDMS med flerlagsgrafen som kilde-/drænelektroder og kanalmateriale kan opretholde elektrisk funktion op til 5 % belastning (32), hvilket er væsentligt under minimumsværdien (~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 grafenenheder ved at interkalere grafenruller (~1 til 20 μm lange, ~0,1 til 1 μm brede og ~10 til 100 nm høje) mellem grafenlag.Vi antager, at disse grafenruller kunne give ledende veje til at bygge bro over revner i grafenpladerne og dermed opretholde høj ledningsevne under belastning.Grafenrullerne kræver ikke yderligere syntese eller proces;de dannes naturligt under den våde overførselsprocedure.Ved at bruge flerlags G/G (grafen/grafen) ruller (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 transistorer i helt kulstof, som kan strækkes til 120 % belastning (parallel med ladningstransportretningen) og bevarer 60 % af deres oprindelige strømudgang.Dette er den hidtil mest strækbare transparente carbonbaserede transistor, og den giver tilstrækkelig strøm til at drive en uorganisk LED.
For at muliggøre store gennemsigtige 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, hvilket danner G/Cu/G-strukturer.For at overføre grafen spin-coated vi først et tyndt lag poly(methylmethacrylat) (PMMA) for at beskytte den ene side af grafenen, som vi kaldte topside graphene (omvendt for den anden side af grafenen), og efterfølgende hele filmen (PMMA/topgrafen/Cu/bundgrafen) blev gennemblødt i (NH4)2S2O8 opløsning for at ætse Cu-folien væk.Bunden af grafenen uden PMMA-belægningen vil uundgåeligt have revner og defekter, der tillader et ætsemiddel at trænge igennem (36, 37).Som illustreret i fig. 1A, under påvirkning af overfladespænding, rullede de frigivne grafendomæner op i ruller og efterfølgende fastgjort til den resterende top-G/PMMA-film.Top-G/G-rullerne kunne 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 og dannede nanoscrolls.Den fjerde tegneserie viser den stablede MGG-struktur.(B og C) Højopløselige TEM-karakteriseringer af en monolag MGG, med fokus på henholdsvis monolagsgrafen (B) og scroll (C) regionen.Indsættelsen af (B) er et billede med lav forstørrelse, der viser den overordnede morfologi af monolag MGG'er på TEM-gitteret.Indsæt af (C) er intensitetsprofilerne taget langs de rektangulære kasser angivet på billedet, hvor afstandene mellem atomplanerne er 0,34 og 0,41 nm.(D ) Carbon K-kant EEL-spektrum med de karakteristiske grafitiske π*- og σ*-toppe mærket.(E) Sektions AFM-billede af monolag G/G ruller 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 ruller (G og I) på henholdsvis 300 nm tykke SiO2/Si-substrater.Repræsentative ruller og rynker blev mærket for at fremhæve deres forskelle.
For at verificere, at rullerne er rullet af grafen, udførte vi højopløsningstransmissionselektronmikroskopi (TEM) og elektronenergitab (EEL) spektroskopiundersøgelser på monolag top-G/G rullestrukturer.Figur 1B viser den sekskantede struktur af en monolagsgrafen, og indsættelsen er en overordnet morfologi af filmen dækket af et enkelt kulstofhul i TEM-gitteret.Den monolag grafen spænder over det meste af gitteret, og nogle grafen flager i nærværelse af flere stakke af sekskantede ringe vises (fig. 1B).Ved at zoome ind på en individuel rulle (Fig. 1C), observerede vi en stor mængde af grafengitterfrynser, med gitterafstanden i intervallet 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 carbon 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 rullerne er meget grafitiske.
Optisk mikroskopi og atomic force microscopy (AFM) billeder giver indsigt i fordelingen af grafen nanoscrolls i MGG'erne (fig. 1, E til G og fig. S1 og S2).Rullene er tilfældigt fordelt over overfladen, og deres tæthed i planet stiger proportionalt med antallet af stablede lag.Mange ruller er viklet ind i knuder og udviser uensartede højder i området fra 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 rullerne væsentligt større størrelser end rynkerne, hvilket fører til en meget mere ru grænseflade mellem grafenlagene.
For at måle de elektriske egenskaber mønstrede vi grafenfilm med eller uden rullestrukturer og lagstabling i 300 μm brede og 2000 μm lange strimler ved hjælp af fotolitografi.To-probe-modstande som funktion af belastning blev målt under omgivende betingelser.Tilstedeværelsen af ruller reducerede resistiviteten for monolagsgrafen med 80 % med kun et fald på 2,2 % i transmittansen (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 trilags almindelig grafen og MGG'er har trelags MGG den bedste ledningsevne med en gennemsigtighed på næsten 90%.For at sammenligne med andre kilder til grafen rapporteret i litteraturen, målte vi også fire-probe ark modstand (fig. S5) og opført dem som en funktion af transmittans ved 550 nm (fig. S6) i fig. 2A.MGG viser sammenlignelig eller højere ledningsevne og gennemsigtighed end kunstigt stablet flerlags almindelig grafen og reduceret grafenoxid (RGO) (6, 8, 18).Bemærk, at arkmodstandene 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 plademodstand 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 undersøgelser 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 i forskellige reducerende grader fra studiet af Bonaccorso et al.(18).(B og C) Normaliseret modstandsændring af mono-, to- og trelags MGG'er og G som funktion af vinkelret (B) og parallel (C) belastning på strømretningen.(D) Normaliseret modstandsændring af dobbeltlag G (rød) og MGG (sort) under cyklisk belastningsbelastning op til 50 % vinkelret belastning.(E) Normaliseret modstandsændring af trelags G (rød) og MGG (sort) under cyklisk belastningsbelastning op til 90 % parallel belastning.(F) Normaliseret kapacitansændring af mono-, to- og trilags G og to- og trelags MGG'er som en belastningsfunktion.Indsatsen er kondensatorstrukturen, hvor polymersubstratet er SEBS og det dielektriske polymerlag er det 2 μm tykke SEBS.
For at evaluere MGG'ens belastningsafhængige ydeevne overførte vi grafen til termoplastisk elastomer styren-ethylen-butadien-styren (SEBS) substrater (~ 2 cm bred og ~ 5 cm lang), og ledningsevnen blev målt, da substratet blev strakt. (se materialer og metoder) både vinkelret og parallelt med strømretningen (fig. 2, B og C).Den belastningsafhængige elektriske adfærd forbedredes med inkorporeringen af nanoscrolls og et stigende antal grafenlag.For eksempel, når belastningen er vinkelret på strømmen, for monolagsgrafen, øgede tilføjelsen af ruller belastningen ved elektrisk brud fra 5 til 70 %.Deformationstolerancen af trelagsgrafen er også væsentligt forbedret sammenlignet med monolagsgrafen.Med nanoscrolls, ved 100 % vinkelret belastning, steg modstanden af trelags MGG-strukturen kun med 50 % sammenlignet med 300 % for trelagsgrafen uden ruller.Modstandsændring under cyklisk belastningsbelastning blev undersøgt.Til sammenligning (fig. 2D) steg modstanden af en almindelig tolags grafenfilm omkring 7,5 gange efter ~700 cyklusser ved 50% vinkelret belastning og blev ved med at stige med belastning i hver cyklus.På den anden side steg modstanden af en dobbeltlags MGG kun omkring 2,5 gange efter ~700 cyklusser.Ved at påføre op til 90 % belastning langs den parallelle retning øgedes modstanden af trelagsgrafen ~100 gange efter 1000 cyklusser, hvorimod den kun er ~8 gange i en trelags MGG (fig. 2E).Cykelresultater er vist i fig.S7.Den relativt hurtigere stigning i modstand langs den parallelle tøjningsretning skyldes, at orienteringen af revner er vinkelret på strømretningen.Modstandsafvigelsen under belastning og aflæsning skyldes den viskoelastiske genvinding af SEBS-elastomersubstrat.Den mere stabile modstand af MGG-strimlerne under cykling skyldes tilstedeværelsen af store ruller, der kan bygge bro over de revnede dele af grafen (som observeret af AFM), og hjælper med at opretholde en perkolerende vej.Dette fænomen med at opretholde ledningsevne ved en perkoleringsvej er blevet rapporteret før for revnede metal- eller halvlederfilm på elastomersubstrater (40, 41).
For at evaluere disse grafen-baserede film som gate-elektroder i strækbare enheder, dækkede vi grafenlaget med et SEBS dielektrisk lag (2 μm tykt) og overvågede den dielektriske kapacitansændring som funktion af belastning (se fig. 2F og de supplerende materialer for detaljer).Vi observerede, at kapacitanser med almindelige monolag og tolags grafenelektroder hurtigt faldt på grund af tabet af ledningsevne i planet af grafen.I modsætning hertil viste kapacitanser gatet af MGG'er såvel som almindelig trelagsgrafen en stigning i kapacitansen med belastning, hvilket forventes på grund af reduktion i dielektrisk tykkelse med belastning.Den forventede stigning i kapacitans stemte meget godt overens med MGG-strukturen (fig. S8).Dette indikerer, at MGG er velegnet som gateelektrode til strækbare transistorer.
For yderligere at undersøge 1D-grafensrullens rolle på belastningstolerancen af elektrisk ledningsevne og bedre kontrollere adskillelsen mellem grafenlagene, brugte vi spray-coatede CNT'er til at erstatte grafenrullerne (se Supplerende materialer).For at efterligne MGG-strukturer deponerede vi tre tætheder af CNT'er (det vil sige 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 scanning elektronmikroskopi (SEM) er ikke effektive karakteriseringsmetoder, fordi begge mangler farvekontrast, og SEM er genstand 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 belastede grafen, og med stigende belastning blev revnerne tættere (fig. 4, A til D).Afhængigt af stablestrukturen af de kulstofbaserede elektroder udviser revnerne forskellige morfologier (fig. S11) (27).Revnetæthed (defineret som revneareal/analyseret areal) af flerlagsgrafen er mindre end for monolagsgrafen efter belastning, hvilket er i overensstemmelse med stigningen i elektrisk ledningsevne for MGG'er.På den anden side observeres ruller ofte for at bygge bro over revnerne, hvilket giver yderligere ledende veje i den belastede film.For eksempel, som markeret på billedet i fig. 4B, krydsede en bred rulle over en revne i trelags MGG, men der blev ikke observeret nogen rulle i den almindelige grafen (fig. 4, E til H).På samme måde slog CNT'er også bro over revnerne i grafen (fig. S11).Revnearealtætheden, rullearealdensiteten og ruheden af filmene er opsummeret i fig. 4K.
(A til H) In situ AFM-billeder af trelags G/G-ruller (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 % belastning.Repræsentative revner og ruller er spidset med pile.Alle AFM-billederne er i et område på 15 μm × 15 μm, ved hjælp af den samme farveskalalinje som mærket.(I) Simuleringsgeometri af mønstrede monolagsgrafenelektroder på SEBS-substratet.(J) Simuleringskonturkort af den maksimale hovedlogaritmiske stamme i monolagsgrafen og SEBS-substratet ved 20% ekstern belastning.(K) Sammenligning af revnearealtæthed (rød søjle), rulleområdetæthed (gul søjle) og overfladeruhed (blå søjle) for forskellige grafenstrukturer.
Når MGG-filmene strækkes, er der en vigtig yderligere mekanisme, som gør, at rullerne kan bygge bro over revnede områder af grafen og opretholde et perkolerende netværk.Grafenrullerne er lovende, fordi de kan være titusinder af mikrometer lange og derfor i stand til at bygge bro over revner, der typisk er op til mikrometerskalaen.Desuden, fordi rullerne består af flere lag af grafen, forventes de at have lav modstand.Til sammenligning kræves relativt tætte (lavere transmittans) CNT-netværk for at give sammenlignelig ledende brodannelsesevne, da CNT'er er mindre (typisk nogle få mikrometer i længden) og mindre ledende end ruller.På den anden side, som vist i fig.S12, hvorimod grafen revner under strækning for at imødekomme belastning, revner rullerne ikke, hvilket indikerer, at sidstnævnte muligvis glider på den underliggende grafen.Årsagen til, at de ikke revner, skyldes sandsynligvis den sammenrullede struktur, der består af mange lag af grafen (~1 til 2 0 μm lang, ~0,1 til 1 μm bred og ~10 til 100 nm høj), 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/sq trods den store krydsmodstand mellem CNT'er.I betragtning af, at vores grafenruller har bredder på 0,1 til 1 μm, og at G/G-rullerne har meget større kontaktområder end CNT'er, bør kontaktmodstanden og kontaktområdet mellem grafen- og grafenrullerne ikke være begrænsende faktorer for at opretholde høj ledningsevne.
Grafenen har et meget højere modul end SEBS-substratet.Selvom den effektive tykkelse af grafenelektroden er meget lavere end substratets, er stivheden af grafen gange 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, når 20% belastning påføres SEBS-substratet eksternt, er den gennemsnitlige belastning i grafen ~6,6% (fig. 4J og fig. S13D), hvilket er i overensstemmelse med eksperimentelle observationer (se fig. S13). .Vi sammenlignede stammen i de mønstrede grafen- og substratregioner ved hjælp af optisk mikroskopi og fandt, at stammen i substratregionen var mindst to gange stammen i grafenregionen.Dette indikerer, at den belastning, der påføres grafenelektrodemønstre, kan være betydeligt begrænset og danne stive grafenøer oven på SEBS (26, 43, 44).
Derfor er MGG-elektrodernes evne til at opretholde høj ledningsevne under høj belastning sandsynligvis muliggjort af to hovedmekanismer: (i) rullerne kan bygge bro over afbrudte områder for at opretholde en ledende perkolationsvej, og (ii) flerlags grafenpladerne/elastomeren kan glide over hinanden, hvilket resulterer i reduceret belastning af grafenelektroder.For flere lag af overført grafen på elastomer er lagene ikke tæt knyttet til hinanden, som kan glide som reaktion på belastning (27).Rullene øgede også ruheden af grafenlagene, hvilket kan være med til at øge adskillelsen mellem grafenlagene og derfor muliggøre glidning af grafenlagene.
Enheder i kulstof er begejstret forfulgt på grund af lave omkostninger og høj gennemstrømning.I vores tilfælde blev transistorer udelukkende fremstillet af kulstof ved hjælp af en bundgrafenport, en topgrafenkilde/drænkontakt, en sorteret CNT-halvleder og SEBS som et dielektrisk (fig. 5A).Som vist i fig. 5B er en carbon-enhed med CNT'er som source/dræn og gate (nederste enhed) mere uigennemsigtig end enheden med grafenelektroder (øverste enhed).Dette skyldes, at CNT-netværk kræver større tykkelser og følgelig lavere optiske transmittanser 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 tolags MGG-elektroder.Kanalbredden og -længden af den ikke-spændte transistor var henholdsvis 800 og 100 μm.Det målte tænd/sluk-forhold er større end 103 med tænd- og sluk-strømme på niveauerne henholdsvis 10−5 og 10−8 A.Outputkurven udviser ideelle lineære og mætningsregimer med klar gate-spændingsafhængighed, hvilket indikerer ideel kontakt mellem CNT'er og grafenelektroder (45).Kontaktmodstanden med grafenelektroder blev observeret at være lavere end den 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) Skema af grafen-baseret strækbar transistor.SWNT'er, enkeltvæggede kulstof nanorør.(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.
Når den gennemsigtige anordning udelukkende af kulstof blev strakt i retningen parallel med ladningstransportretningen, blev der observeret minimal nedbrydning op til 120 % belastning.Under udstrækning faldt mobiliteten kontinuerligt fra 5,6 cm2/Vs ved 0 % belastning til 2,5 cm2/Vs ved 120 % belastning (fig. 5F).Vi sammenlignede også transistorydelsen for forskellige kanallængder (se tabel S1).Navnlig, ved en belastning så stor som 105 %, udviste alle disse transistorer stadig et højt on/off-forhold (>103) og mobilitet (>3 cm2/Vs).Derudover opsummerede vi alt det seneste arbejde med transistorer i udelukkende kulstof (se tabel S2) (47-52).Ved at optimere enhedsfremstilling på elastomerer og bruge MGG'er som kontakter, viser vores transistorer i helt kulstof god ydeevne med hensyn til mobilitet og hysterese samt er meget strækbare.
Som en anvendelse af den fuldt gennemsigtige og strækbare transistor, brugte vi den til at styre en LED's skift (fig. 6A).Som vist i fig. 6B kan den grønne LED tydeligt ses gennem den strækbare carbon-enhed placeret direkte ovenover.Mens der strækkes til ~100% (fig. 6, C og D), ændres LED-lysintensiteten ikke, hvilket er i overensstemmelse med transistorydelsen beskrevet ovenfor (se film S1).Dette er den første rapport om strækbare styreenheder lavet ved hjælp af grafenelektroder, der demonstrerer en ny mulighed for strækbar grafenelektronik.
(A) Kredsløb af en transistor til at drive LED.GND, jord.(B) Foto af den strækbare og gennemsigtige kulstoftransistor ved 0% belastning monteret over en grøn LED.(C) Den helt carbon transparente og strækbare transistor, der bruges til at skifte lysdioden, monteres over lysdioden ved 0% (venstre) og ~100% belastning (højre).Hvide pile peger som de gule markører på enheden for at vise afstandsændringen, der strækkes.(D) Set fra siden af den strakte transistor, med LED'en skubbet ind i elastomeren.
Som konklusion har vi udviklet en gennemsigtig ledende grafenstruktur, der opretholder høj ledningsevne under store belastninger som strækbare elektroder, aktiveret af grafen nanoscrolls mellem stablede grafenlag.Disse to- og trelags MGG elektrodestrukturer på en elastomer kan bibeholde henholdsvis 21 og 65 % af deres 0 % belastningsledningsevne ved en belastning så høj som 100 % sammenlignet med fuldstændigt tab af ledningsevne ved 5 % belastning for typiske monolags grafenelektroder .De yderligere ledende baner af grafenruller 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 i carbon.Indtil videre er dette den mest strækbare grafenbaserede transistor med den bedste gennemsigtighed uden brug af bukning.Selvom denne undersøgelse blev udført for at aktivere grafen til strækbar elektronik, mener vi, at denne tilgang kan udvides til andre 2D-materialer for at muliggøre strækbar 2D-elektronik.
CVD-grafen med stort areal 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 var dækket af monolagsgrafen.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.efterfølgende blev hele filmen gennemblødt i 0,1 M ammoniumpersulfat [(NH4)2S2O8] opløsning i ca. 2 timer for at ætse Cu-folien væk.Under denne proces rev den ubeskyttede bagsidegrafen først langs korngrænserne og rullede derefter op i ruller på grund af overfladespænding.Rullene blev fastgjort til den PMMA-understøttede øvre grafenfilm og 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 s hver for at fjerne PMMA.Filmene blev opvarmet til 100°C i 15 minutter eller holdt i et vakuum natten over for fuldstændigt at fjerne det indespærrede vand, før endnu et lag af G/G-snirkel blev overført derpå.Dette trin var at undgå løsrivelse af grafenfilm fra substratet og sikre fuld dækning af MGG'er under frigivelsen af PMMA-bærerlag.
Morfologien af MGG-strukturen blev observeret under anvendelse af et optisk mikroskop (Leica) og et scanningselektronmikroskop (1 kV; FEI).Et atomkraftmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) blev betjent i tappetilstand for at observere detaljerne i G-rullerne.Filmgennemsigtighed blev testet med et ultraviolet-synligt spektrometer (Agilent Cary 6000i).Til testene, hvor belastningen var langs den vinkelrette retning af strømstrømmen, 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 vha. skyggemasker i begge ender af langsiden.Grafenstrimlerne blev derefter sat i kontakt med en SEBS-elastomer (~2 cm bred og ~5 cm lang), med strimlernes lange akse parallel med den korte side af SEBS efterfulgt af BOE (bufferet oxidætsning) (HF:H2O) 1:6) ætsning og eutektisk gallium indium (EGaIn) som elektriske kontakter.Til parallelle belastningstests blev umønstrede grafenstrukturer (~5 × 10 mm) overført til SEBS-substrater med lange akser parallelt med den lange side af SEBS-substratet.I begge tilfælde blev hele G (uden G-ruller)/SEBS strakt langs den lange side af elastomeren i et manuelt apparat, og in situ målte vi deres modstandsændringer under belastning på en sondestation med en halvlederanalysator (Keithley 4200) -SCS).
De meget strækbare og gennemsigtige transistorer udelukkende af kulstof på et elastisk substrat blev fremstillet ved følgende procedurer for at undgå beskadigelse af organisk opløsningsmiddel af polymerdielektrikummet og substratet.MGG-strukturer blev overført til SEBS som portelektroder.For at opnå et ensartet tyndfilmspolymer dielektrisk lag (2 μm tykt) blev en SEBS-toluen (80 mg/ml) opløsning spin-coatet på et octadecyltrichlorsilan (OTS)-modificeret SiO2/Si-substrat ved 1000 rpm i 1 min.Den tynde dielektriske film kan nemt overføres fra den hydrofobe OTS-overflade til SEBS-substratet, der er dækket med den fremstillede grafen.En kondensator kunne fremstilles ved at afsætte en flydende metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) topelektrode for at bestemme kapacitansen som funktion af belastning ved hjælp af en LCR (induktans, kapacitans, modstand) meter (Agilent).Den anden del af transistoren bestod af polymersorterede halvledende CNT'er, efter de tidligere rapporterede procedurer (53).De mønstrede source/dræn-elektroder blev fremstillet på stive SiO2/Si-substrater.Efterfølgende blev de to dele, dielektrisk/G/SEBS og CNTs/mønstret G/SiO2/Si, lamineret til hinanden og gennemblødt i BOE for at fjerne det stive SiO2/Si-substrat.Således blev de fuldt gennemsigtige og strækbare transistorer fremstillet.Den elektriske test 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 monolag MGG på SiO2/Si-substrater ved forskellige forstørrelser.
fig.S4.Sammenligning af to-probe ark modstande og transmittanser @550 nm af mono-, bi- og trelags 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 belastningsbelastning op til henholdsvis 40 og 90% parallel belastning.
fig.S10.SEM-billede af trelags MGG på SEBS-elastomer efter belastning, der viser et langt rullekryds over flere revner.
fig.S12.AFM-billede af trelags MGG på meget tynd SEBS-elastomer ved 20 % belastning, der viser, at en rulle krydsede en revne.
tabel S1.Mobiliteter af tolags MGG-enkeltvæggede carbonnanorørtransistorer ved forskellige kanallængder før og efter belastning.
Dette er en artikel med åben adgang distribueret 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 anmoder kun om din e-mailadresse, så den person, du anbefaler siden til, ved, at du ville have vedkommende skulle se den, og at det ikke er uønsket post.Vi registrerer ingen e-mailadresser.
Dette spørgsmål er for at teste, om du er en menneskelig besøgende eller ej, og for at forhindre automatiske 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.
Indlægstid: 28. januar 2021