Tweedimensionale materialen, zoals grafeen, zijn aantrekkelijk voor zowel conventionele halfgeleidertoepassingen als nieuwe toepassingen in flexibele elektronica. De hoge treksterkte van grafeen resulteert echter in breuken bij lage spanning, waardoor het een uitdaging wordt om te profiteren van de buitengewone elektronische eigenschappen ervan in rekbare elektronica. Om uitstekende spanningsafhankelijke prestaties van transparante grafeengeleiders mogelijk te maken, hebben we grafeen-nanoscrolls gemaakt tussen gestapelde grafeenlagen, ook wel meerlaagse grafeen / grafeen-scrolls (MGG's) genoemd. Onder spanning overbrugden sommige scrolls de gefragmenteerde domeinen van grafeen om een percolerend netwerk in stand te houden dat uitstekende geleidbaarheid bij hoge spanningen mogelijk maakte. Drielaagse MGG's ondersteund op elastomeren behielden 65% van hun oorspronkelijke geleiding bij 100% spanning, wat loodrecht staat op de stroomrichting, terwijl drielaagse films van grafeen zonder nanoscrolls slechts 25% van hun startgeleiding behielden. Een rekbare volledig koolstoftransistor vervaardigd met behulp van MGG's als elektroden vertoonde een transmissie van> 90% en behield 60% van zijn oorspronkelijke stroomafgifte bij een spanning van 120% (parallel aan de richting van het ladingstransport). Deze zeer rekbare en transparante volledig koolstoftransistors zouden geavanceerde rekbare opto-elektronica mogelijk kunnen maken.
Rekbare transparante elektronica is een groeiend veld dat belangrijke toepassingen kent in geavanceerde bio-geïntegreerde systemen (1, 2) en het potentieel heeft om te integreren met rekbare opto-elektronica (3, 4) om geavanceerde zachte robotica en displays te produceren. Grafeen vertoont zeer wenselijke eigenschappen op het gebied van atomaire dikte, hoge transparantie en hoge geleidbaarheid, maar de implementatie ervan in rekbare toepassingen wordt geremd door de neiging ervan om te barsten bij kleine spanningen. Het overwinnen van de mechanische beperkingen van grafeen zou nieuwe functionaliteit in rekbare transparante apparaten mogelijk kunnen maken.
De unieke eigenschappen van grafeen maken het een sterke kandidaat voor de volgende generatie transparante geleidende elektroden (5, 6). Vergeleken met de meest gebruikte transparante geleider, indiumtinoxide [ITO; 100 ohm/vierkant (vierkant) bij 90% transparantie], monolaag grafeen gegroeid door chemische dampafzetting (CVD) heeft een vergelijkbare combinatie van plaatweerstand (125 ohm/vierkant) en transparantie (97,4%) (5). Bovendien hebben grafeenfilms een buitengewone flexibiliteit vergeleken met ITO (7). Op een kunststofsubstraat kan de geleiding bijvoorbeeld behouden blijven, zelfs bij een buigstraal van slechts 0,8 mm (8). Om de elektrische prestaties als transparante flexibele geleider verder te verbeteren, hebben eerdere werken hybride grafeenmaterialen ontwikkeld met eendimensionale (1D) zilveren nanodraden of koolstofnanobuisjes (CNT's) (9–11). Bovendien is grafeen gebruikt als elektroden voor gemengde dimensionale heterostructurele halfgeleiders (zoals 2D bulk Si, 1D nanodraden/nanobuizen en 0D kwantumdots) (12), flexibele transistors, zonnecellen en lichtemitterende diodes (LED's) (13). –23).
Hoewel grafeen veelbelovende resultaten heeft opgeleverd voor flexibele elektronica, wordt de toepassing ervan in rekbare elektronica beperkt door zijn mechanische eigenschappen (17, 24, 25); grafeen heeft een stijfheid in het vlak van 340 N/m en een Young-modulus van 0,5 TPa (26). Het sterke koolstof-koolstofnetwerk biedt geen mechanismen voor energiedissipatie voor uitgeoefende spanning en barst daarom gemakkelijk bij een spanning van minder dan 5%. CVD-grafeen dat is overgebracht op een elastisch polydimethylsiloxaan (PDMS)-substraat kan bijvoorbeeld zijn geleidbaarheid slechts behouden bij een spanning van minder dan 6% (8). Uit theoretische berekeningen blijkt dat kreukels en samenspel tussen verschillende lagen de stijfheid sterk zouden moeten verminderen (26). Door grafeen in meerdere lagen te stapelen, wordt gerapporteerd dat dit twee- of drielaagse grafeen rekbaar is tot 30% rek, en een weerstandsverandering vertoont die 13 keer kleiner is dan die van enkellaags grafeen (27). Deze rekbaarheid is echter nog steeds aanzienlijk inferieur aan die van de huidige rekbare geleiders (28, 29).
Transistors zijn belangrijk in rekbare toepassingen omdat ze geavanceerde sensoruitlezing en signaalanalyse mogelijk maken (30, 31). Transistors op PDMS met meerlaags grafeen als source/drain-elektroden en kanaalmateriaal kunnen de elektrische functie behouden tot 5% spanning (32), wat aanzienlijk lager is dan de minimaal vereiste waarde (~50%) voor draagbare gezondheidsmonitoringssensoren en elektronische huid ( 33, 34). Onlangs is een grafeen-kirigami-aanpak onderzocht, waarbij de transistor die wordt gestuurd door een vloeibare elektrolyt kan worden uitgerekt tot maar liefst 240% (35). Deze methode vereist echter gesuspendeerd grafeen, wat het fabricageproces bemoeilijkt.
Hier bereiken we zeer rekbare grafeenapparaten door grafeenrollen (~ 1 tot 20 μm lang, ~ 0,1 tot 1 μm breed en ~ 10 tot 100 nm hoog) tussen grafeenlagen te intercaleren. We veronderstellen dat deze grafeenrollen geleidende paden kunnen bieden om scheuren in de grafeenplaten te overbruggen, waardoor een hoge geleidbaarheid onder spanning behouden blijft. De grafeenrollen vereisen geen extra synthese of proces; ze worden op natuurlijke wijze gevormd tijdens de natte overdrachtsprocedure. Door meerlaagse G/G (grafeen/grafeen) scrolls (MGG's), rekbare grafeenelektroden (source/drain en gate) en halfgeleidende CNT's te gebruiken, konden we zeer transparante en zeer rekbare volledig koolstoftransistors demonstreren, die kunnen worden uitgerekt tot 120 graden. % spanning (parallel aan de richting van het ladingstransport) en behouden 60% van hun oorspronkelijke stroomopbrengst. Dit is de meest rekbare transparante, op koolstof gebaseerde transistor tot nu toe, en levert voldoende stroom om een anorganische LED aan te sturen.
Om transparante rekbare grafeenelektroden met een groot oppervlak mogelijk te maken, hebben we gekozen voor CVD-gegroeid grafeen op Cu-folie. De Cu-folie werd in het midden van een CVD-kwartsbuis opgehangen om de groei van grafeen aan beide zijden mogelijk te maken, waardoor G/Cu/G-structuren werden gevormd. Om grafeen over te brengen, hebben we eerst een dunne laag poly(methylmethacrylaat) (PMMA) gespincoat om één kant van het grafeen te beschermen, die we bovenzijde grafeen noemden (vice versa voor de andere kant van het grafeen), en vervolgens de de hele film (PMMA/bovenste grafeen/Cu/onderste grafeen) werd gedrenkt in (NH4)2S2O8-oplossing om de Cu-folie weg te etsen. Het grafeen aan de onderkant zonder de PMMA-coating zal onvermijdelijk scheuren en defecten vertonen waardoor een etsmiddel er doorheen kan dringen (36, 37). Zoals geïllustreerd in figuur 1A rolden de vrijgekomen grafeendomeinen, onder invloed van oppervlaktespanning, op tot rollen en werden vervolgens bevestigd op de resterende top-G/PMMA-film. De top-G/G-rollen kunnen op elk substraat worden overgebracht, zoals SiO2/Si, glas of zacht polymeer. Door dit overdrachtsproces verschillende keren op hetzelfde substraat te herhalen, ontstaan MGG-structuren.
(A) Schematische weergave van de fabricageprocedure voor MGG's als rekbare elektrode. Tijdens de overdracht van grafeen werd grafeen aan de achterkant op Cu-folie gebroken bij grenzen en defecten, opgerold in willekeurige vormen en stevig vastgemaakt aan de bovenste films, waardoor nanoscrolls ontstonden. De vierde cartoon toont de gestapelde MGG-structuur. (B en C) TEM-karakteriseringen met hoge resolutie van een monolaag MGG, gericht op respectievelijk het monolaaggrafeen (B) en het scroll-gebied (C). De inzet van (B) is een afbeelding met lage vergroting die de algehele morfologie van monolaag MGG's op het TEM-raster toont. Insets van (C) zijn de intensiteitsprofielen genomen langs de rechthoekige vakken aangegeven in de afbeelding, waarbij de afstanden tussen de atomaire vlakken 0,34 en 0,41 nm zijn. (D) Koolstof K-edge EEL-spectrum met de karakteristieke grafietachtige π*- en σ*-pieken gelabeld. (E) Sectioneel AFM-beeld van monolaag G/G scrollt met een hoogteprofiel langs de gele stippellijn. (F tot I) Optische microscopie en AFM-afbeeldingen van drielaags G zonder (F en H) en met krullen (G en I) op respectievelijk 300 nm dikke SiO2 / Si-substraten. Representatieve krullen en rimpels werden gelabeld om hun verschillen te benadrukken.
Om te verifiëren dat de scrolls van nature gerold grafeen zijn, hebben we transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en elektronenenergieverlies (EEL) spectroscopiestudies met hoge resolutie uitgevoerd op de monolaag top-G / G-scrollstructuren. Figuur 1B toont de zeshoekige structuur van een monolaag grafeen, en de inzet is een algemene morfologie van de film bedekt op een enkel koolstofgat van het TEM-rooster. Het monolaagse grafeen omspant het grootste deel van het raster en er verschijnen enkele grafeenvlokken in de aanwezigheid van meerdere stapels zeshoekige ringen (Fig. 1B). Door in te zoomen op een individuele scroll (Fig. 1C), hebben we een grote hoeveelheid grafeenroosterranden waargenomen, met een roosterafstand in het bereik van 0,34 tot 0,41 nm. Deze metingen suggereren dat de vlokken willekeurig zijn opgerold en niet van perfect grafiet zijn, dat een roosterafstand van 0,34 nm heeft bij het stapelen van “ABAB”-lagen. Figuur 1D toont het koolstof K-edge EEL-spectrum, waarbij de piek bij 285 eV afkomstig is van de π*-orbitaal en de andere rond 290 eV het gevolg is van de overgang van de σ*-orbitaal. Het is duidelijk dat sp2-binding in deze structuur domineert, wat verifieert dat de rollen zeer grafietisch zijn.
Optische microscopie en atomaire krachtmicroscopie (AFM) beelden geven inzicht in de verdeling van grafeen nanoscrolls in de MGG's (Fig. 1, E tot G, en figuren S1 en S2). De rollen zijn willekeurig verdeeld over het oppervlak en hun dichtheid in het vlak neemt evenredig toe met het aantal gestapelde lagen. Veel krullen zijn verstrikt in knopen en vertonen een niet-uniforme hoogte in het bereik van 10 tot 100 nm. Ze zijn 1 tot 20 μm lang en 0,1 tot 1 μm breed, afhankelijk van de grootte van hun oorspronkelijke grafeenvlokken. Zoals weergegeven in figuur 1 (H en I) hebben de krullen aanzienlijk grotere afmetingen dan de rimpels, wat leidt tot een veel ruwer grensvlak tussen de grafeenlagen.
Om de elektrische eigenschappen te meten, hebben we grafeenfilms met of zonder scrollstructuren en lagenstapeling in stroken van 300 μm breed en 2000 μm lang gevormd met behulp van fotolithografie. Weerstanden met twee sondes als functie van de spanning werden gemeten onder omgevingsomstandigheden. De aanwezigheid van scrolls verminderde de soortelijke weerstand voor monolaaggrafeen met 80%, terwijl de transmissie slechts 2,2% daalde (fig. S4). Dit bevestigt dat nanoscrolls, die een hoge stroomdichtheid hebben tot 5 x 107 A/cm2 (38, 39), een zeer positieve elektrische bijdrage leveren aan de MGG's. Van alle mono-, bi- en drielaags gewoon grafeen en MGG's heeft de drielaagse MGG de beste geleiding met een transparantie van bijna 90%. Om te vergelijken met andere bronnen van grafeen die in de literatuur worden gerapporteerd, hebben we ook weerstanden met vier sondeplaten gemeten (fig. S5) en deze vermeld als een functie van de transmissie bij 550 nm (fig. S6) in figuur 2A. MGG vertoont een vergelijkbare of hogere geleidbaarheid en transparantie dan kunstmatig gestapeld meerlaags gewoon grafeen en gereduceerd grafeenoxide (RGO) (6, 8, 18). Merk op dat de plaatweerstanden van kunstmatig gestapeld meerlaags gewoon grafeen uit de literatuur iets hoger zijn dan die van onze MGG, waarschijnlijk vanwege hun niet-geoptimaliseerde groeiomstandigheden en overdrachtsmethode.
(A) Plaatweerstanden met vier sondes versus transmissie bij 550 nm voor verschillende soorten grafeen, waarbij zwarte vierkanten mono-, bi- en drielaagse MGG's aanduiden; rode cirkels en blauwe driehoeken komen overeen met meerlaags gewoon grafeen gegroeid op Cu en Ni uit de onderzoeken van Li et al. (6) en Kim et al. (8) en vervolgens overgebracht naar SiO2/Si of kwarts; en groene driehoeken zijn waarden voor RGO in verschillende reducerende graden uit de studie van Bonaccorso et al. (18). (B en C) Genormaliseerde weerstandsverandering van mono-, bi- en drielaagse MGG's en G als functie van loodrechte (B) en parallelle (C) spanning in de richting van de stroom. (D) Genormaliseerde weerstandsverandering van dubbellaag G (rood) en MGG (zwart) onder cyclische spanningsbelasting tot 50% loodrechte spanning. (E) Genormaliseerde weerstandsverandering van drielaags G (rood) en MGG (zwart) onder cyclische spanningsbelasting tot 90% parallelle spanning. ( F ) Genormaliseerde capaciteitsverandering van mono-, bi- en drielaags G en twee- en drielaags MGG's als functie van spanning. De inzet is de condensatorstructuur, waarbij het polymeersubstraat SEBS is en de diëlektrische polymeerlaag de 2 μm dikke SEBS.
Om de spanningsafhankelijke prestaties van de MGG te evalueren, hebben we grafeen overgebracht op substraten van thermoplastisch elastomeer styreen-ethyleen-butadieen-styreen (SEBS) (~ 2 cm breed en ~ 5 cm lang), en de geleidbaarheid werd gemeten terwijl het substraat werd uitgerekt (zie Materialen en methoden) zowel loodrecht als parallel aan de richting van de stroom (Fig. 2, B en C). Het spanningsafhankelijke elektrische gedrag verbeterde met de integratie van nanoscrolls en een toenemend aantal grafeenlagen. Wanneer de spanning bijvoorbeeld loodrecht op de stroom staat, verhoogde de toevoeging van scrolls voor monolaaggrafeen de spanning bij elektrische breuk van 5 naar 70%. De rektolerantie van het drielaagse grafeen is ook aanzienlijk verbeterd in vergelijking met het enkellaagse grafeen. Met nanoscrolls nam bij 100% loodrechte spanning de weerstand van de drielaagse MGG-structuur slechts met 50% toe, vergeleken met 300% voor drielaags grafeen zonder scrolls. Weerstandsverandering onder cyclische rekbelasting werd onderzocht. Ter vergelijking (Fig. 2D): de weerstanden van een gewone dubbellaagse grafeenfilm namen ongeveer 7,5 keer toe na ~700 cycli bij 50% loodrechte spanning en bleven toenemen met spanning in elke cyclus. Aan de andere kant nam de weerstand van een dubbellaags MGG slechts ongeveer 2,5 keer toe na ~700 cycli. Door tot 90% spanning in de parallelle richting uit te oefenen, nam de weerstand van drielaags grafeen ~100 keer toe na 1000 cycli, terwijl dit slechts ~8 keer is in een drielaags MGG (figuur 2E). De fietsresultaten worden getoond in Fig. S7. De relatief snellere toename van de weerstand langs de parallelle spanningsrichting komt doordat de oriëntatie van scheuren loodrecht staat op de richting van de stroom. De afwijking van de weerstand tijdens het laden en lossen is te wijten aan het visco-elastische herstel van het SEBS-elastomeersubstraat. De stabielere weerstand van de MGG-strips tijdens het fietsen is te danken aan de aanwezigheid van grote krullen die de gebarsten delen van het grafeen kunnen overbruggen (zoals waargenomen door AFM), waardoor een percolatiepad in stand wordt gehouden. Dit fenomeen van het handhaven van de geleidbaarheid door een percolatieroute is eerder gerapporteerd voor gebarsten metaal- of halfgeleiderfilms op elastomeersubstraten (40, 41).
Om deze op grafeen gebaseerde films te evalueren als poortelektroden in rekbare apparaten, bedekten we de grafeenlaag met een SEBS-diëlektrische laag (2 μm dik) en volgden we de diëlektrische capaciteitsverandering als functie van de spanning (zie figuur 2F en de aanvullende materialen voor details). We hebben waargenomen dat de capaciteiten met gewone monolaag- en dubbellaagse grafeenelektroden snel afnamen vanwege het verlies van de geleidbaarheid van grafeen in het vlak. Daarentegen vertoonden capaciteiten die door MGG's werden gepoort, evenals gewoon drielaags grafeen een toename van de capaciteit met spanning, wat wordt verwacht vanwege de vermindering van de diëlektrische dikte met spanning. De verwachte capaciteitstoename kwam zeer goed overeen met de MGG-structuur (fig. S8). Dit geeft aan dat MGG geschikt is als poortelektrode voor rekbare transistors.
Om de rol van de 1D-grafeenscroll op de rektolerantie van elektrische geleidbaarheid verder te onderzoeken en de scheiding tussen grafeenlagen beter te controleren, hebben we met spray beklede CNT's gebruikt om de grafeenscrolls te vervangen (zie aanvullende materialen). Om MGG-structuren na te bootsen, hebben we drie dichtheden van CNT's afgezet (dat wil zeggen CNT1
(A tot C) AFM-beelden van drie verschillende dichtheden van CNT's (CNT1
Om hun vermogen als elektroden voor rekbare elektronica verder te begrijpen, hebben we systematisch de morfologieën van MGG en G-CNT-G onder spanning onderzocht. Optische microscopie en scanning-elektronenmicroscopie (SEM) zijn geen effectieve karakteriseringsmethoden omdat beide geen kleurcontrast hebben en SEM onderhevig is aan beeldartefacten tijdens elektronenscannen wanneer grafeen zich op polymeersubstraten bevindt (figuren S9 en S10). Om het grafeenoppervlak onder spanning in situ te observeren, hebben we AFM-metingen verzameld op drielaagse MGG's en gewoon grafeen na overdracht op zeer dunne (~ 0,1 mm dikke) en elastische SEBS-substraten. Vanwege de intrinsieke defecten in CVD-grafeen en extrinsieke schade tijdens het overdrachtsproces, ontstaan er onvermijdelijk scheuren in het onder spanning staande grafeen, en met toenemende spanning worden de scheuren dichter (Fig. 4, A tot D). Afhankelijk van de stapelstructuur van de op koolstof gebaseerde elektroden vertonen de scheuren verschillende morfologieën (fig. S11) (27). De dichtheid van het scheuroppervlak (gedefinieerd als scheuroppervlak/geanalyseerd gebied) van meerlaags grafeen is na spanning kleiner dan die van enkellaags grafeen, wat consistent is met de toename van de elektrische geleidbaarheid voor MGG's. Aan de andere kant wordt vaak waargenomen dat rollen de scheuren overbruggen, waardoor extra geleidende paden in de gespannen film ontstaan. Zoals aangegeven in de afbeelding van figuur 4B kruiste bijvoorbeeld een brede scroll een scheur in het drielaagse MGG, maar er werd geen scroll waargenomen in het gewone grafeen (figuur 4, E tot H). Op dezelfde manier overbrugden CNT's ook de scheuren in grafeen (fig. S11). De dichtheid van het scheurgebied, de dichtheid van het scrollgebied en de ruwheid van de films zijn samengevat in figuur 4K.
(A tot H) In situ AFM-afbeeldingen van drielaagse G/G-rollen (A tot D) en drielaagse G-structuren (E tot H) op een zeer dun SEBS (~ 0,1 mm dik) elastomeer op 0, 20, 60 en 100 % deformatie. Representatieve scheuren en krullen zijn voorzien van pijlen. Alle AFM-afbeeldingen bevinden zich in een gebied van 15 μm x 15 μm, met dezelfde kleurenschaalbalk als gelabeld. (I) Simulatiegeometrie van monolaag-grafeenelektroden met patroon op het SEBS-substraat. (J) Simulatiecontourkaart van de maximale hoofdlogaritmische spanning in het monolaaggrafeen en het SEBS-substraat bij 20% externe spanning. (K) Vergelijking van de dichtheid van het scheurgebied (rode kolom), de dichtheid van het scrollgebied (gele kolom) en de oppervlakteruwheid (blauwe kolom) voor verschillende grafeenstructuren.
Wanneer de MGG-films worden uitgerekt, is er een belangrijk aanvullend mechanisme waarmee de rollen gebarsten gebieden van grafeen kunnen overbruggen, waardoor een percolerend netwerk in stand wordt gehouden. De grafeenrollen zijn veelbelovend omdat ze tientallen micrometers lang kunnen zijn en daardoor scheuren kunnen overbruggen die doorgaans een omvang hebben van micrometers. Omdat de scrolls uit meerdere lagen grafeen bestaan, wordt bovendien verwacht dat ze een lage weerstand hebben. Ter vergelijking: relatief dichte (lagere transmissie) CNT-netwerken zijn vereist om vergelijkbare geleidende overbruggingsmogelijkheden te bieden, aangezien CNT's kleiner zijn (meestal een paar micrometer lang) en minder geleidend dan scrolls. Aan de andere kant, zoals getoond in Fig. S12: Terwijl het grafeen scheurt tijdens het uitrekken om spanning op te vangen, barsten de krullen niet, wat aangeeft dat deze laatste mogelijk over het onderliggende grafeen glijden. De reden dat ze niet barsten is waarschijnlijk te wijten aan de opgerolde structuur, bestaande uit vele lagen grafeen (~1 tot 2,0 μm lang, ~0,1 tot 1 μm breed en ~10 tot 100 nm hoog), die een hogere effectieve modulus dan het enkellaags grafeen. Zoals gerapporteerd door Green en Hersam (42), kunnen metalen CNT-netwerken (buisdiameter van 1,0 nm) lage plaatweerstanden <100 ohm/sq bereiken ondanks de grote junctieweerstand tussen CNT's. Gezien het feit dat onze grafeenrollen een breedte hebben van 0,1 tot 1 μm en dat de G/G-rollen veel grotere contactoppervlakken hebben dan CNT's, mogen de contactweerstand en het contactoppervlak tussen grafeen en grafeenrollen geen beperkende factoren zijn om een hoge geleidbaarheid te behouden.
Het grafeen heeft een veel hogere modulus dan het SEBS-substraat. Hoewel de effectieve dikte van de grafeenelektrode veel lager is dan die van het substraat, is de stijfheid van het grafeen maal de dikte vergelijkbaar met die van het substraat (43, 44), wat resulteert in een matig rigide eilandeffect. We simuleerden de vervorming van een 1 nm dik grafeen op een SEBS-substraat (zie aanvullende materialen voor details). Volgens de simulatieresultaten is, wanneer 20% spanning extern op het SEBS-substraat wordt uitgeoefend, de gemiddelde spanning in het grafeen ~6,6% (Fig. 4J en Fig. S13D), wat consistent is met experimentele waarnemingen (zie Fig. S13) . We vergeleken de spanning in de grafeen- en substraatgebieden met patronen met behulp van optische microscopie en ontdekten dat de spanning in het substraatgebied minstens tweemaal zo groot was als de spanning in het grafeengebied. Dit geeft aan dat de spanning die wordt uitgeoefend op grafeenelektrodepatronen aanzienlijk kan worden beperkt, waardoor stijve grafeeneilanden bovenop SEBS worden gevormd (26, 43, 44).
Daarom wordt het vermogen van MGG-elektroden om onder hoge spanning een hoge geleidbaarheid te behouden waarschijnlijk mogelijk gemaakt door twee belangrijke mechanismen: (i) De scrolls kunnen losgekoppelde gebieden overbruggen om een geleidend percolatiepad te behouden, en (ii) de meerlaagse grafeenvellen / elastomeer kunnen glijden over elkaar heen, wat resulteert in verminderde belasting van grafeenelektroden. Bij meerdere lagen overgebracht grafeen op elastomeer zijn de lagen niet sterk met elkaar verbonden, wat kan verschuiven als reactie op spanning (27). De rollen vergrootten ook de ruwheid van de grafeenlagen, wat kan helpen de scheiding tussen grafeenlagen te vergroten en daardoor het glijden van de grafeenlagen mogelijk te maken.
All-carbon apparaten worden enthousiast nagestreefd vanwege de lage kosten en de hoge doorvoer. In ons geval werden volledig koolstoftransistors vervaardigd met behulp van een onderste grafeenpoort, een bovenste grafeen source/drain-contact, een gesorteerde CNT-halfgeleider en SEBS als een diëlektricum (Fig. 5A). Zoals weergegeven in figuur 5B is een volledig koolstofapparaat met CNT's als bron/afvoer en poort (onderste apparaat) ondoorzichtiger dan het apparaat met grafeenelektroden (bovenste apparaat). Dit komt omdat CNT-netwerken grotere diktes vereisen en bijgevolg lagere optische transmissiewaarden om plaatweerstanden te bereiken die vergelijkbaar zijn met die van grafeen (fig. S4). Figuur 5 (C en D) toont representatieve overdrachts- en uitgangscurven vóór spanning voor een transistor gemaakt met dubbellaagse MGG-elektroden. De kanaalbreedte en lengte van de ongespannen transistor waren respectievelijk 800 en 100 μm. De gemeten aan/uit-verhouding is groter dan 103 met aan- en uitstromen op het niveau van respectievelijk 10−5 en 10−8 A. De uitgangscurve vertoont ideale lineaire en verzadigingsregimes met een duidelijke afhankelijkheid van de poortspanning, wat wijst op een ideaal contact tussen CNT's en grafeenelektroden (45). Er werd waargenomen dat de contactweerstand met grafeenelektroden lager was dan die met verdampte Au-film (zie figuur S14). De verzadigingsmobiliteit van de rekbare transistor is ongeveer 5,6 cm2/Vs, vergelijkbaar met die van dezelfde polymeergesorteerde CNT-transistors op stijve Si-substraten met 300 nm SiO2 als diëlektrische laag. Verdere verbetering van de mobiliteit is mogelijk met geoptimaliseerde buisdichtheid en andere soorten buizen (46).
(A) Schema van op grafeen gebaseerde rekbare transistor. SWNT's, enkelwandige koolstofnanobuisjes. (B) Foto van de rekbare transistors gemaakt van grafeenelektroden (boven) en CNT-elektroden (onder). Het verschil in transparantie is duidelijk merkbaar. (C en D) Overdrachts- en uitgangscurven van de op grafeen gebaseerde transistor op SEBS vóór spanning. (E en F) Overdrachtscurven, aan- en uitstroom, aan/uit-verhouding en mobiliteit van de op grafeen gebaseerde transistor bij verschillende spanningen.
Toen het transparante, volledig uit koolstof bestaande apparaat werd uitgerekt in de richting parallel aan de ladingstransportrichting, werd minimale degradatie waargenomen tot 120% spanning. Tijdens het strekken nam de mobiliteit voortdurend af van 5,6 cm2/Vs bij 0% rek tot 2,5 cm2/Vs bij 120% rek (Fig. 5F). We hebben ook de transistorprestaties vergeleken voor verschillende kanaallengtes (zie tabel S1). Opvallend is dat al deze transistors bij een spanning van wel 105% nog steeds een hoge aan/uit-verhouding (>103) en mobiliteit (>3 cm2/Vs) vertoonden. Daarnaast hebben we al het recente werk op het gebied van volledig koolstoftransistors samengevat (zie tabel S2) (47-52). Door de fabricage van apparaten op elastomeren te optimaliseren en MGG's als contacten te gebruiken, vertonen onze volledig koolstoftransistors goede prestaties op het gebied van mobiliteit en hysteresis, maar zijn ze ook zeer rekbaar.
Als toepassing van de volledig transparante en rekbare transistor hebben we deze gebruikt om het schakelen van een LED te regelen (Fig. 6A). Zoals weergegeven in figuur 6B is de groene LED duidelijk zichtbaar door het rekbare, volledig uit koolstof vervaardigde apparaat dat er direct boven is geplaatst. Terwijl het wordt uitgerekt tot ~100% (Fig. 6, C en D), verandert de LED-lichtintensiteit niet, wat consistent is met de hierboven beschreven transistorprestaties (zie film S1). Dit is het eerste rapport van rekbare regeleenheden gemaakt met behulp van grafeenelektroden, waarmee een nieuwe mogelijkheid voor rekbare elektronica van grafeen wordt gedemonstreerd.
(A) Circuit van een transistor om LED aan te sturen. GND, aarde. (B) Foto van de rekbare en transparante volledig koolstoftransistor met een spanning van 0%, gemonteerd boven een groene LED. (C) De volledig uit koolstof bestaande, transparante en rekbare transistor die wordt gebruikt om de LED te schakelen, wordt boven de LED gemonteerd met een spanning van 0% (links) en een spanning van ~100% (rechts). Witte pijlen wijzen als de gele markeringen op het apparaat om aan te geven dat de afstandsverandering wordt uitgerekt. (D) Zijaanzicht van de uitgerekte transistor, met de LED in het elastomeer geduwd.
Concluderend hebben we een transparante geleidende grafeenstructuur ontwikkeld die onder grote spanningen een hoge geleidbaarheid behoudt als rekbare elektroden, mogelijk gemaakt door grafeen nanoscrolls tussen gestapelde grafeenlagen. Deze twee- en drielaagse MGG-elektrodestructuren op een elastomeer kunnen respectievelijk 21 en 65% van hun 0% rekgeleiding behouden bij een spanning tot wel 100%, vergeleken met volledig verlies van geleidbaarheid bij 5% spanning voor typische enkellaagse grafeenelektroden . De extra geleidende paden van grafeenrollen en de zwakke interactie tussen de overgedragen lagen dragen bij aan de superieure geleidbaarheidsstabiliteit onder spanning. We hebben deze grafeenstructuur verder toegepast om volledig uit koolstof bestaande rekbare transistors te vervaardigen. Tot nu toe is dit de meest rekbare op grafeen gebaseerde transistor met de beste transparantie zonder knikken. Hoewel de huidige studie is uitgevoerd om grafeen mogelijk te maken voor rekbare elektronica, zijn wij van mening dat deze aanpak kan worden uitgebreid naar andere 2D-materialen om rekbare 2D-elektronica mogelijk te maken.
CVD-grafeen met een groot oppervlak werd gegroeid op gesuspendeerde Cu-folies (99,999%; Alfa Aesar) onder een constante druk van 0,5 mtorr met 50-SCCM (standaard kubieke centimeter per minuut) CH4 en 20-SCCM H2 als voorlopers bij 1000 ° C. Beide zijden van de Cu-folie waren bedekt met monolaag grafeen. Een dunne laag PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) werd aan één zijde van de Cu-folie door spincoating aangebracht, waardoor een PMMA/G/Cu-folie/G-structuur werd gevormd. vervolgens werd de hele film gedurende ongeveer 2 uur gedrenkt in een 0,1 M ammoniumpersulfaat-[(NH4)2S2O8]-oplossing om de Cu-folie weg te etsen. Tijdens dit proces scheurde het onbeschermde grafeen aan de achterkant eerst langs de korrelgrenzen en rolde het vervolgens op tot krullen vanwege de oppervlaktespanning. De rollen werden op de door PMMA ondersteunde bovenste grafeenfilm bevestigd, waardoor PMMA/G/G-rollen werden gevormd. De films werden vervolgens verschillende keren gewassen in gedeïoniseerd water en op een doelsubstraat gelegd, zoals een stijf SiO2/Si- of plastic substraat. Zodra de bevestigde film op het substraat was opgedroogd, werd het monster achtereenvolgens gedurende 30 seconden gedrenkt in aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalcohol) en IPA om PMMA te verwijderen. De films werden gedurende 15 minuten bij 100°C verwarmd of een nacht in een vacuüm gehouden om het opgevangen water volledig te verwijderen voordat er een nieuwe laag G/G-rol op werd overgebracht. Deze stap was bedoeld om het loskomen van grafeenfilm van het substraat te voorkomen en een volledige dekking van MGG's te garanderen tijdens het vrijkomen van de PMMA-draaglaag.
De morfologie van de MGG-structuur werd waargenomen met behulp van een optische microscoop (Leica) en een scanning-elektronenmicroscoop (1 kV; FEI). Een atoomkrachtmicroscoop (Nanoscope III, Digital Instrument) werd in de tikmodus gebruikt om de details van de G-rollen waar te nemen. De filmtransparantie werd getest met een ultraviolet-zichtbare spectrometer (Agilent Cary 6000i). Voor de tests waarbij de spanning zich in de loodrechte richting van de stroom bevond, werden fotolithografie en O2-plasma gebruikt om grafeenstructuren in stroken te patrooneren (~300 μm breed en ~2000 μm lang), en werden Au (50 nm) elektroden thermisch afgezet met behulp van schaduwmaskers aan beide uiteinden van de lange zijde. De grafeenstrips werden vervolgens in contact gebracht met een SEBS-elastomeer (~2 cm breed en ~5 cm lang), waarbij de lange as van de strips parallel liep aan de korte zijde van SEBS, gevolgd door BOE (gebufferde oxide-ets) (HF:H2O 1:6) etsen en eutectisch gallium-indium (EGaIn) als elektrische contacten. Voor parallelle rektests werden grafeenstructuren zonder patroon (~ 5 x 10 mm) overgebracht op SEBS-substraten, met lange assen evenwijdig aan de lange zijde van het SEBS-substraat. Voor beide gevallen werd de gehele G (zonder G-rollen)/SEBS langs de lange zijde van het elastomeer uitgerekt in een handmatig apparaat, en in situ maten we hun weerstandsveranderingen onder spanning op een sondestation met een halfgeleideranalysator (Keithley 4200). -SCS).
De zeer rekbare en transparante volledig uit koolstof bestaande transistors op een elastisch substraat werden vervaardigd met behulp van de volgende procedures om schade door organische oplosmiddelen aan het diëlektricum en het substraat van het polymeer te voorkomen. MGG-structuren werden als poortelektroden op SEBS overgebracht. Om een uniforme dunne-film diëlektrische polymeerlaag (2 μm dik) te verkrijgen, werd een SEBS-tolueen (80 mg / ml) oplossing gedurende 1 minuut bij 1000 rpm door spinnen gecoat op een octadecyltrichloorsilaan (OTS)-gemodificeerd SiO2 / Si-substraat. De dunne diëlektrische film kan gemakkelijk worden overgebracht van het hydrofobe OTS-oppervlak naar het SEBS-substraat bedekt met het bereide grafeen. Een condensator zou kunnen worden gemaakt door een bovenelektrode van vloeibaar metaal (EGaIn; Sigma-Aldrich) af te zetten om de capaciteit als functie van de spanning te bepalen met behulp van een LCR-meter (inductantie, capaciteit, weerstand) (Agilent). Het andere deel van de transistor bestond uit op polymeer gesorteerde halfgeleidende CNT's, volgens de eerder gerapporteerde procedures (53). De van een patroon voorziene source/drain-elektroden zijn vervaardigd op stijve SiO2/Si-substraten. Vervolgens werden de twee delen, diëlektricum/G/SEBS en CNTs/G/SiO2/Si met patroon, op elkaar gelamineerd en gedrenkt in BOE om het stijve SiO2/Si-substraat te verwijderen. Zo werden de volledig transparante en rekbare transistors vervaardigd. Het elektrisch testen onder spanning werd uitgevoerd op een handmatige rekopstelling, zoals de bovengenoemde methode.
Aanvullend materiaal voor dit artikel is beschikbaar op http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
afb. S1. Optische microscopiebeelden van monolaag MGG op SiO2/Si-substraten bij verschillende vergrotingen.
afb. S4. Vergelijking van weerstanden en transmissies met twee sondes bij 550 nm van mono-, bi- en drielaags gewoon grafeen (zwarte vierkanten), MGG (rode cirkels) en CNT's (blauwe driehoek).
afb. S7. Genormaliseerde weerstandsverandering van mono- en dubbellaagse MGG's (zwart) en G (rood) onder ~1000 cyclische spanningsbelasting tot respectievelijk 40 en 90% parallelle spanning.
afb. S10. SEM-afbeelding van drielaags MGG op SEBS-elastomeer na rek, met een lang scroll-kruis over verschillende scheuren.
afb. S12. AFM-afbeelding van drielaags MGG op zeer dun SEBS-elastomeer bij een spanning van 20%, waaruit blijkt dat een krul over een scheur ging.
tabel S1. Mobiliteit van dubbellaagse MGG-enkelwandige koolstofnanobuistransistoren op verschillende kanaallengtes voor en na spanning.
Dit is een open access-artikel dat wordt verspreid onder de voorwaarden van de Creative Commons Attribution-NonCommercial-licentie, die gebruik, distributie en reproductie op elk medium toestaat, zolang het resulterende gebruik niet voor commercieel voordeel is en op voorwaarde dat het originele werk correct is aangehaald.
OPMERKING: we vragen alleen om uw e-mailadres, zodat de persoon aan wie u de pagina aanbeveelt, weet dat u wilt dat deze de pagina ziet en dat het geen ongewenste e-mail is. Wij registreren geen e-mailadres.
Deze vraag is bedoeld om te testen of u al dan niet een menselijke bezoeker bent en om geautomatiseerde spam-inzendingen te voorkomen.
Door 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
Door 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 Amerikaanse Vereniging voor de Bevordering van de Wetenschap. Alle rechten voorbehouden. AAAS is een partner van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Posttijd: 28 januari 2021