Tweedimensionale materialen, zoals grafeen, zijn aantrekkelijk voor zowel conventionele halfgeleidertoepassingen als opkomende toepassingen in flexibele elektronica.De hoge treksterkte van grafeen resulteert echter in breuk bij lage spanning, waardoor het een uitdaging is om te profiteren van zijn buitengewone elektronische eigenschappen in rekbare elektronica.Om uitstekende spanningsafhankelijke prestaties van transparante grafeengeleiders mogelijk te maken, hebben we grafeen-nanorollen gemaakt tussen gestapelde grafeenlagen, ook wel meerlagige grafeen / grafeenrollen (MGG's) genoemd.Onder spanning overbrugden sommige scrolls de gefragmenteerde domeinen van grafeen om een percolerend netwerk te behouden dat uitstekende geleidbaarheid mogelijk maakte bij hoge spanningen.Drielaagse MGG's ondersteund op elastomeren behielden 65% van hun oorspronkelijke geleiding bij 100% spanning, wat loodrecht staat op de richting van de stroom, terwijl drielaagse films van grafeen zonder nanoscrolls slechts 25% van hun startgeleiding behielden.Een rekbare volledig koolstoftransistor vervaardigd met MGG's als elektroden vertoonde een transmissie van> 90% en behield 60% van zijn oorspronkelijke stroomuitgang bij 120% spanning (parallel aan de richting van ladingstransport).Deze zeer rekbare en transparante transistors van volledig koolstof kunnen geavanceerde rekbare opto-elektronica mogelijk maken.
Rekbare transparante elektronica is een groeiend veld dat belangrijke toepassingen heeft in geavanceerde bio-geïntegreerde systemen (1, 2), evenals het potentieel om te integreren met rekbare opto-elektronica (3, 4) om geavanceerde zachte robotica en displays te produceren.Grafeen vertoont zeer wenselijke eigenschappen van atomaire dikte, hoge transparantie en hoge geleidbaarheid, maar de implementatie ervan in rekbare toepassingen is geremd door de neiging om te barsten bij kleine spanningen.Het overwinnen van de mechanische beperkingen van grafeen kan nieuwe functionaliteit mogelijk maken in rekbare transparante apparaten.
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, is indiumtinoxide [ITO;100 ohm/vierkant (sq) bij 90% transparantie], monolaag grafeen gegroeid door chemische dampafzetting (CVD) heeft een vergelijkbare combinatie van bladweerstand (125 ohm/sq) en transparantie (97,4%) (5).Bovendien hebben grafeenfilms een buitengewone flexibiliteit in vergelijking met ITO (7).Op een kunststofsubstraat kan zijn geleiding bijvoorbeeld worden behouden, zelfs bij een buigradius van slechts 0,8 mm (8).Om de elektrische prestaties als transparante flexibele geleider verder te verbeteren, hebben eerdere werken grafeenhybride materialen 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 quantum dots) (12), flexibele transistors, zonnecellen en light-emitting diodes (LED's) (13 –23).
Hoewel grafeen veelbelovende resultaten heeft opgeleverd voor flexibele elektronica, is de toepassing ervan in rekbare elektronica beperkt door zijn mechanische eigenschappen (17, 24, 25);grafeen heeft een in-plane stijfheid van 340 N/m en een Young's modulus van 0,5 TPa (26).Het sterke koolstof-koolstofnetwerk biedt geen energiedissipatiemechanismen voor uitgeoefende spanning en scheurt daarom gemakkelijk bij minder dan 5% spanning.Bijvoorbeeld, CVD-grafeen dat op een elastisch substraat van polydimethylsiloxaan (PDMS) is overgebracht, kan zijn geleidbaarheid slechts bij minder dan 6% spanning behouden (8).Theoretische berekeningen tonen aan dat het verkreukelen en samenspel tussen verschillende lagen de stijfheid sterk zou moeten verminderen (26).Door grafeen in meerdere lagen te stapelen, is gemeld dat dit twee- of drielagige grafeen rekbaar is tot 30% rek, en een weerstandsverandering vertoont die 13 keer kleiner is dan die van monolaag grafeen (27).Deze rekbaarheid is echter nog steeds aanzienlijk inferieur aan de modernste rekbare geleiders (28, 29).
Transistors zijn belangrijk in rekbare toepassingen omdat ze geavanceerde sensoruitlezing en signaalanalyse mogelijk maken (30, 31).Transistors op PDMS met meerlagig 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 gezondheidsbewakingssensoren en elektronische huid ( 33, 34).Onlangs is een grafeen-kirigami-benadering onderzocht, en de transistor die wordt gepoort door een vloeibare elektrolyt kan worden uitgerekt tot wel 240% (35).Deze methode vereist echter gesuspendeerd grafeen, wat het fabricageproces bemoeilijkt.
Hier bereiken we zeer rekbare grafeenapparaten door grafeenrollen (~ 1 tot 20 m lang, ~ 0,1 tot 1 m breed en ~ 10 tot 100 nm hoog) tussen grafeenlagen te intercaleren.We veronderstellen dat deze grafeenrollen geleidende paden kunnen bieden om scheuren in de grafeenvellen te overbruggen, waardoor een hoge geleidbaarheid onder spanning behouden blijft.De grafeenrollen vereisen geen extra synthese of proces;ze worden van nature gevormd tijdens de natte overdrachtsprocedure.Door gebruik te maken van meerlagige G/G (grafeen/grafeen) scrolls (MGG's), grafeen rekbare elektroden (source/drain en gate) en halfgeleidende CNT's, waren we in staat om zeer transparante en zeer rekbare volledig koolstoftransistors te demonstreren, die kunnen worden uitgerekt tot 120 % rek (parallel aan de richting van het ladingstransport) en 60 % van hun oorspronkelijke stroomuitgang behouden.Dit is de meest rekbare transparante op koolstof gebaseerde transistor tot nu toe, en hij levert voldoende stroom om een anorganische LED aan te sturen.
Om transparante rekbare grafeenelektroden met een groot oppervlak mogelijk te maken, kozen we voor CVD-gegroeid grafeen op Cu-folie.De Cu-folie werd opgehangen in het midden van een CVD-kwartsbuis 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) spin-coated om één kant van het grafeen te beschermen, dat we topside grafeen noemden (vice versa voor de andere kant van het grafeen), en vervolgens de hele film (PMMA/top grafeen/Cu/bottom 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 hebben waardoor een etsmiddel kan doordringen (36, 37).Zoals geïllustreerd in figuur 1A, rolden de vrijgekomen grafeendomeinen onder invloed van oppervlaktespanning op in rollen en werden vervolgens vastgemaakt aan de resterende top-G / PMMA-film.De top-G/G-rollen kunnen op elk substraat worden overgebracht, zoals SiO2/Si, glas of zacht polymeer.Het meerdere keren herhalen van dit overdrachtsproces op hetzelfde substraat geeft MGG-structuren.
(A) Schematische weergave van de fabricageprocedure voor MGG's als een rekbare elektrode.Tijdens de grafeenoverdracht 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 nanorollen werden gevormd.De vierde cartoon toont de gestapelde MGG-structuur.(B en C) TEM-karakteriseringen met hoge resolutie van een monolaag MGG, gericht op respectievelijk het monolaag grafeen (B) en het scroll (C)-gebied.De inzet van (B) is een afbeelding met een lage vergroting die de algemene morfologie van monolaag MGG's op het TEM-raster toont.Inzet van (C) zijn de intensiteitsprofielen die zijn genomen langs de rechthoekige vakken die in de afbeelding zijn aangegeven, waar de afstanden tussen de atomaire vlakken 0,34 en 0,41 nm zijn.(D) Carbon K-edge EEL-spectrum met de karakteristieke grafitische π* en σ* pieken gelabeld.(E) Sectionele AFM-afbeelding van monolaag G/G-rollen met een hoogteprofiel langs de gele stippellijn.(F tot I) optische microscopie en AFM-afbeeldingen van drielaagse G zonder (F en H) en met scrolls (G en I) op respectievelijk 300 nm dikke SiO2 / Si-substraten.Representatieve rollen en rimpels werden gelabeld om hun verschillen te benadrukken.
Om te verifiëren dat de scrolls gerold grafeen van aard zijn, hebben we hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en elektronenenergieverlies (EEL) spectroscopie-onderzoeken 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-raster.Het monolaag grafeen beslaat het grootste deel van het raster en er verschijnen enkele grafeenvlokken in de aanwezigheid van meerdere stapels zeshoekige ringen (figuur 1B).Door in te zoomen op een individuele scroll (Fig. 1C), observeerden we een grote hoeveelheid grafeenroosterranden, met de roosterafstand in het bereik van 0,34 tot 0,41 nm.Deze metingen suggereren dat de vlokken willekeurig zijn opgerold en geen perfect grafiet zijn, dat een roosterafstand heeft van 0,34 nm in "ABAB" -laagstapeling.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 te zien dat sp2-binding domineert in deze structuur, wat bevestigt dat de scrolls zeer grafiet zijn.
Optische microscopie en atomic force microscopie (AFM) afbeeldingen geven inzicht in de verdeling van grafeen nanoscrolls in de MGG's (Fig. 1, E tot G, en Fig. S1 en S2).De rollen zijn willekeurig over het oppervlak verdeeld en hun dichtheid in het vlak neemt evenredig toe met het aantal gestapelde lagen.Veel rollen zijn verstrikt in knopen en vertonen ongelijkmatige hoogten in het bereik van 10 tot 100 nm.Ze zijn 1 tot 20 m lang en 0,1 tot 1 m breed, afhankelijk van de grootte van hun oorspronkelijke grafeenvlokken.Zoals getoond in Fig. 1 (H en I), hebben de rollen aanzienlijk grotere afmetingen dan de rimpels, wat leidt tot een veel ruwer raakvlak tussen grafeenlagen.
Om de elektrische eigenschappen te meten, hebben we grafeenfilms met of zonder scrollstructuren van een patroon voorzien en lagen gestapeld in 300 m brede en 2000 μm lange stroken met behulp van fotolithografie.Weerstanden met twee sondes als functie van de rek werden gemeten onder omgevingsomstandigheden.De aanwezigheid van scrolls verminderde de soortelijke weerstand voor monolaag grafeen met 80% met slechts een afname van 2,2% in de transmissie (fig. S4).Dit bevestigt dat nanoscrolls, die een hoge stroomdichtheid hebben tot 5 × 107 A/cm2 (38, 39), een zeer positieve elektrische bijdrage leveren aan de MGG's.Van alle mono-, bi- en drielaagse gewone 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 vermeld, hebben we ook weerstanden met vier sondes gemeten (fig. S5) en deze weergegeven als een functie van transmissie bij 550 nm (fig. S6) in fig. 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 bladweerstanden van kunstmatig gestapeld meerlagig gewoon grafeen uit de literatuur iets hoger zijn dan die van onze MGG, waarschijnlijk vanwege hun niet-geoptimaliseerde groeiomstandigheden en overdrachtsmethode.
(A) weerstanden met vier sondes versus transmissie bij 550 nm voor verschillende soorten grafeen, waarbij zwarte vierkanten mono-, bi- en trilayer MGG's aanduiden;rode cirkels en blauwe driehoeken komen overeen met meerlagig gewoon grafeen gegroeid op Cu en Ni uit de studies van Li et al.(6) en Kim et al.(8) respectievelijk en vervolgens overgebracht op Si02/Si of kwarts;en groene driehoekjes zijn waarden voor RGO in verschillende gradaties uit de studie van Bonaccorso et al.(18).(B en C) Genormaliseerde weerstandsverandering van mono-, bi- en trilayer MGG's en G als een functie van loodrechte (B) en parallelle (C) spanning op de richting van de stroom.(D) Genormaliseerde weerstandsverandering van dubbellaag G (rood) en MGG (zwart) onder cyclische belasting tot 50% loodrechte belasting.(E) Genormaliseerde weerstandsverandering van drielaagse G (rood) en MGG (zwart) onder cyclische belasting tot 90% parallelle belasting.( F ) Genormaliseerde capaciteitsverandering van mono-, bi- en drielaagse G en twee- en drielaagse MGG's als een functie van stam.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 thermoplastische elastomeer styreen-ethyleen-butadieen-styreen (SEBS) substraten (~ 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 stroomrichting (Fig. 2, B en C).Het spanningsafhankelijke elektrische gedrag verbeterde met de opname van nanoscrolls en een toenemend aantal grafeenlagen.Wanneer de spanning bijvoorbeeld loodrecht op de stroom staat, verhoogde de toevoeging van scrolls voor monolaag grafeen de spanning bij elektrische breuk van 5 tot 70%.De spanningstolerantie van het drielaagse grafeen is ook aanzienlijk verbeterd in vergelijking met het monolaagse grafeen.Met nanoscrolls, bij 100% loodrechte spanning, nam de weerstand van de drielagige MGG-structuur slechts met 50% toe, in vergelijking met 300% voor drielagig grafeen zonder scrolls.Weerstandsverandering onder cyclische belasting werd onderzocht.Ter vergelijking (Fig. 2D) nam de weerstand van een gewone dubbellaagse grafeenfilm ongeveer 7,5 keer toe na ~ 700 cycli bij 50% loodrechte spanning en bleef toenemen met de spanning in elke cyclus.Aan de andere kant nam de weerstand van een dubbellaagse MGG slechts ongeveer 2,5 keer toe na ongeveer 700 cycli.Door tot 90% rek in de parallelle richting toe te passen, nam de weerstand van drielaags grafeen ~ 100 keer toe na 1000 cycli, terwijl dit slechts ~ 8 keer is in een drielaagse MGG (figuur 2E).Fietsresultaten worden getoond in Fig.S7.De relatief snellere toename van de weerstand langs de parallelle rekrichting is omdat 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 wijten aan de aanwezigheid van grote scrolls die de gebarsten delen van het grafeen kunnen overbruggen (zoals waargenomen door AFM), waardoor een percolatiepad behouden blijft.Dit fenomeen van het handhaven van de geleidbaarheid door een percolatiepad is eerder gemeld voor gebarsten metaal- of halfgeleiderfilms op elastomeersubstraten (40, 41).
Om deze op grafeen gebaseerde films als poortelektroden in rekbare apparaten te evalueren, hebben we de grafeenlaag bedekt met een SEBS-diëlektrische laag (2 m dik) en de diëlektrische capaciteitsverandering gevolgd als een functie van spanning (zie Fig. 2F en de aanvullende materialen voor details).We hebben waargenomen dat capaciteiten met gewone monolaag en dubbellaagse grafeenelektroden snel afnamen vanwege het verlies van geleidbaarheid in het vlak van grafeen.Daarentegen vertoonden capaciteiten die worden gepoort door MGG's en 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 goed overeen met de MGG-structuur (fig. S8).Dit geeft aan dat MGG geschikt is als poortelektrode voor rekbare transistoren.
Om de rol van de 1D-grafeen-scroll op de spanningstolerantie van elektrische geleidbaarheid verder te onderzoeken en de scheiding tussen grafeenlagen beter te beheersen, hebben we gesproeicoate CNT's gebruikt om de grafeenrollen te vervangen (zie aanvullende materialen).Om MGG-structuren na te bootsen, hebben we drie dichtheden van CNT's gedeponeerd (dat wil zeggen CNT1
(A tot C) AFM-afbeeldingen van drie verschillende dichtheden van CNT's (CNT1
Om hun vermogen als elektroden voor rekbare elektronica beter 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 elektronenscanning wanneer grafeen zich op polymeersubstraten bevindt (fig. S9 en S10).Om in situ het grafeenoppervlak onder spanning te observeren, verzamelden we AFM-metingen op drielaagse MGG's en gewoon grafeen na overdracht op zeer dunne (~ 0,1 mm dik) en elastische SEBS-substraten.Vanwege de intrinsieke defecten in CVD-grafeen en extrinsieke schade tijdens het overdrachtsproces, worden onvermijdelijk scheuren gegenereerd op het gespannen grafeen, en met toenemende spanning werden 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 scheurgebied (gedefinieerd als het scheurgebied / geanalyseerd gebied) van meerlagig grafeen is minder dan die van monolaag grafeen na spanning, wat consistent is met de toename van de elektrische geleidbaarheid voor MGG's.Aan de andere kant worden vaak scrolls waargenomen om de scheuren te overbruggen, waardoor extra geleidende paden in de gespannen film ontstaan.Zoals aangegeven in de afbeelding van Fig. 4B, kruiste een brede scroll een scheur in de drielaagse MGG, maar werd geen scroll waargenomen in het gewone grafeen (Fig. 4, E tot H).Evenzo 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 Fig. 4K.
(A tot H) In situ AFM-beelden van drielagige G/G-rollen (A tot D) en drielagige 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 rollen zijn met pijlen aangegeven.Alle AFM-afbeeldingen bevinden zich in een gebied van 15 m × 15 m, met dezelfde kleurenschaalbalk als aangegeven.(I) Simulatiegeometrie van monolayer grafeenelektroden met patronen op het SEBS-substraat.(J) Simulatie contourkaart van de maximale hoofdlogaritmische stam in het monolaag grafeen en het SEBS-substraat bij 20% externe belasting.(K) Vergelijking van de dichtheid van het scheurgebied (rode kolom), de dichtheid van het scrollgebied (gele kolom) en oppervlakteruwheid (blauwe kolom) voor verschillende grafeenstructuren.
Wanneer de MGG-films worden uitgerekt, is er een belangrijk extra mechanisme dat de rollen gebarsten grafeengebieden kunnen overbruggen, waardoor een percolerend netwerk behouden blijft.De grafeenrollen zijn veelbelovend omdat ze tientallen micrometers lang kunnen zijn en daarom scheuren kunnen overbruggen die typisch tot micrometerschaal zijn.Bovendien, omdat de scrolls uit meerdere lagen grafeen bestaan, wordt verwacht dat ze een lage weerstand hebben.Ter vergelijking: relatief dichte (lagere transmissie) CNT-netwerken zijn vereist om vergelijkbare geleidende overbruggingscapaciteit 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 barst tijdens het uitrekken om de spanning op te vangen, barsten de scrolls niet, wat aangeeft dat het laatste op het onderliggende grafeen zou kunnen schuiven.De reden dat ze niet barsten, is waarschijnlijk te wijten aan de opgerolde structuur, bestaande uit vele lagen grafeen (~ 1 tot 2 0 m lang, ~ 0,1 tot 1 μm breed en ~ 10 tot 100 nm hoog), die heeft een hogere effectieve modulus dan het enkellaags grafeen.Zoals gerapporteerd door Green en Hersam (42), kunnen metalen CNT-netwerken (buisdiameter van 1,0 nm) ondanks de grote junctieweerstand tussen CNT's lage plaatweerstanden van <100 ohm/sq bereiken.Aangezien onze grafeenrollen een breedte hebben van 0,1 tot 1 μm en dat de G/G-rollen veel grotere contactoppervlakken hebben dan CNT's, zouden de contactweerstand en het contactoppervlak tussen grafeen en grafeenrollen geen beperkende factoren moeten 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 meer informatie).Volgens de simulatieresultaten, wanneer 20% rek extern op het SEBS-substraat wordt uitgeoefend, is de gemiddelde rek in het grafeen ~6,6% (Fig. 4J en Fig. S13D), wat consistent is met experimentele waarnemingen (zie Fig. S13) .We vergeleken de rek in de van een patroon voorziene grafeen- en substraatgebieden met behulp van optische microscopie en vonden dat de rek in het substraatgebied ten minste tweemaal de rek in het grafeengebied was.Dit geeft aan dat de spanning die op grafeenelektrodepatronen wordt uitgeoefend aanzienlijk kan worden beperkt, waardoor grafeenstijve eilanden 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 niet-verbonden gebieden overbruggen om een geleidende percolatieroute te behouden, en (ii) de meerlaagse grafeenvellen / elastomeer kunnen verschuiven over elkaar, wat resulteert in verminderde spanning op grafeenelektroden.Voor meerdere lagen van overgebracht grafeen op elastomeer zijn de lagen niet sterk met elkaar verbonden, wat kan schuiven als reactie op spanning (27).De scrolls verhoogden ook de ruwheid van de grafeenlagen, wat kan helpen om 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 hoge doorvoer.In ons geval werden volledig koolstoftransistors gefabriceerd met behulp van een onderste grafeenpoort, een bovenste grafeenbron / afvoercontact, een gesorteerde CNT-halfgeleider en SEBS als een diëlektricum (Fig. 5A).Zoals getoond in Fig. 5B, is een volledig koolstofapparaat met CNT's als de source / drain en gate (onderste apparaat) ondoorzichtiger dan het apparaat met grafeenelektroden (bovenste apparaat).Dit komt omdat CNT-netwerken grotere diktes vereisen en bijgevolg lagere optische transmissies om plaatweerstanden te bereiken die vergelijkbaar zijn met die van grafeen (fig. S4).Figuur 5 (C en D) toont representatieve overdrachts- en uitgangscurven vóór belasting voor een transistor gemaakt met dubbellaagse MGG-elektroden.De kanaalbreedte en -lengte van de ongespannen transistor waren respectievelijk 800 en 100 m.De gemeten aan/uit-verhouding is groter dan 103 met aan- en uitstromen van respectievelijk 10−5 en 10−8 A.De uitgangscurve vertoont ideale lineaire en verzadigingsregimes met duidelijke poortspanningsafhankelijkheid, wat wijst op een ideaal contact tussen CNT's en grafeenelektroden (45).De contactweerstand met grafeenelektroden bleek lager te zijn dan die met verdampte Au-film (zie fig. S14).De verzadigingsmobiliteit van de rekbare transistor is ongeveer 5,6 cm2/Vs, vergelijkbaar met die van dezelfde met polymeer gesorteerde CNT-transistoren 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 belasting.(E en F) Overdrachtscurven, aan- en uitstroom, aan/uit-verhouding en mobiliteit van de op grafeen gebaseerde transistor bij verschillende spanningen.
Wanneer het transparante, volledig koolstofapparaat werd uitgerekt in de richting evenwijdig aan de ladingstransportrichting, werd minimale degradatie waargenomen tot 120% rek.Tijdens het strekken nam de mobiliteit continu af van 5,6 cm2/Vs bij 0% rek tot 2,5 cm2/Vs bij 120% rek (Fig. 5F).We vergeleken ook de prestaties van de transistor voor verschillende kanaallengtes (zie tabel S1).Met name bij een rek van maar liefst 105% vertoonden al deze transistoren nog steeds een hoge aan/uit-verhouding (>103) en mobiliteit (>3 cm2/Vs).Daarnaast hebben we al het recente werk aan 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 hysterese en 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 getoond in Fig. 6B, is de groene LED duidelijk te zien door het rekbare, volledig koolstofhoudende apparaat dat er direct boven is geplaatst.Tijdens het uitrekken 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, wat een nieuwe mogelijkheid aantoont voor rekbare elektronica van grafeen.
(A) Circuit van een transistor om LED aan te sturen.GND, grond.(B) Foto van de rekbare en transparante volledig koolstoftransistor bij 0% spanning gemonteerd boven een groene LED.(C) De volledig koolstoftransparante en rekbare transistor die wordt gebruikt om de LED te schakelen, wordt boven de LED gemonteerd bij 0% (links) en ~ 100% spanning (rechts).Witte pijlen wijzen als gele markeringen op het apparaat om de afstandsverandering aan te geven die wordt uitgerekt.(D) Zijaanzicht van de uitgerekte transistor, met de LED in het elastomeer geduwd.
Concluderend hebben we een transparante geleidende grafeenstructuur ontwikkeld die een hoge geleidbaarheid behoudt onder grote spanningen als rekbare elektroden, mogelijk gemaakt door grafeen-nanorollen tussen gestapelde grafeenlagen.Deze twee- en drielaagse MGG-elektrodestructuren op een elastomeer kunnen respectievelijk 21 en 65% van hun 0% rekgeleidbaarheid behouden bij een rek van wel 100%, vergeleken met volledig verlies van geleidbaarheid bij 5% rek voor typische monolaag 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 rekbare transistors van volledig koolstof te fabriceren.Tot nu toe is dit de meest rekbare transistor op grafeenbasis met de beste transparantie zonder knikken.Hoewel de huidige studie werd uitgevoerd om grafeen voor rekbare elektronica mogelijk te maken, zijn we van mening dat deze benadering kan worden uitgebreid naar andere 2D-materialen om rekbare 2D-elektronica mogelijk te maken.
CVD-grafeen met groot oppervlak werd gekweekt 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 kant van de Cu-folie spin-coated, waardoor een PMMA/G/Cu-folie/G-structuur werd gevormd.vervolgens werd de hele film gedurende ongeveer 2 uur geweekt in 0,1 M ammoniumpersulfaat [(NH4)2S2O8]-oplossing om de Cu-folie weg te etsen.Tijdens dit proces scheurde het onbeschermde achterste grafeen eerst langs de korrelgrenzen en rolde het vervolgens op tot rollen vanwege oppervlaktespanning.De rollen werden bevestigd op de door PMMA ondersteunde bovenste grafeenfilm en vormden PMMA/G/G-rollen.De films werden vervolgens meerdere keren gewassen in gedeïoniseerd water en op een doelsubstraat gelegd, zoals een stijf Si02/Si of plastic substraat.Zodra de bijgevoegde film op het substraat was gedroogd, werd het monster achtereenvolgens gedrenkt in aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalcohol) en IPA gedurende 30 s elk om PMMA te verwijderen.De films werden gedurende 15 minuten op 100°C verwarmd of een nacht in vacuüm bewaard om het ingesloten water volledig te verwijderen voordat een andere laag G/G-rol erop werd overgebracht.Deze stap was om het losraken van grafeenfilm van het substraat te voorkomen en te zorgen voor volledige dekking van MGG's tijdens het vrijkomen van de PMMA-dragerlaag.
De morfologie van de MGG-structuur werd waargenomen met behulp van een optische microscoop (Leica) en een scanning elektronenmicroscoop (1 kV; FEI).Een atomaire krachtmicroscoop (Nanoscope III, Digital Instrument) werd gebruikt in de tikmodus om de details van de G-rollen te observeren.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 stroomstroom bevond, werden fotolithografie en O2-plasma gebruikt om grafeenstructuren in stroken te vormen (~ 300 m breed en ~ 2000 m lang), en Au (50 nm) elektroden werden 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), met de lange as van de strips evenwijdig aan de korte zijde van SEBS gevolgd door BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etsen en eutectisch gallium indium (EGaIn) als elektrische contacten.Voor parallelle rektests werden niet-patroon grafeenstructuren (~ 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 uitgerekt langs de lange zijde van het elastomeer 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 transistors van volledig koolstof op een elastisch substraat werden vervaardigd volgens de volgende procedures om beschadiging door organisch oplosmiddel van het polymeerdiëlektricum en het substraat te voorkomen.MGG-structuren werden overgebracht op SEBS als poortelektroden.Om een uniforme dunne-film polymeer diëlektrische laag (2 m dik) te verkrijgen, werd een SEBS-tolueen (80 mg/ml) oplossing spin-coated op een octadecyltrichloorsilaan (OTS)-gemodificeerd SiO2 / Si-substraat bij 1000 rpm gedurende 1 minuut.De dunne diëlektrische film kan gemakkelijk worden overgebracht van het hydrofobe OTS-oppervlak op het SEBS-substraat bedekt met het voorbereide grafeen.Een condensator zou kunnen worden gemaakt door een vloeibaar-metaal (EGaIn; Sigma-Aldrich) topelektrode te deponeren 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 werden gefabriceerd op stijve Si02/Si-substraten.Vervolgens werden de twee delen, diëlektricum/G/SEBS en CNTs/patroon G/SiO2/Si, op elkaar gelamineerd en in BOE gedrenkt om het stijve SiO2/Si-substraat te verwijderen.Zo werden de volledig transparante en rekbare transistors gefabriceerd.Het elektrisch testen onder spanning werd uitgevoerd op een handmatige rekopstelling als 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 trilayer gewoon grafeen (zwarte vierkanten), MGG (rode cirkels) en CNT's (blauwe driehoek).
afb.S7.Genormaliseerde weerstandsverandering van mono- en bilayer MGG's (zwart) en G (rood) onder ~ 1000 cyclische belasting tot respectievelijk 40 en 90% parallelle belasting.
afb.S10.SEM-beeld van drielaagse MGG op SEBS-elastomeer na spanning, met een lange scroll-kruising over verschillende scheuren.
afb.S12.AFM-beeld van drielaagse MGG op zeer dun SEBS-elastomeer bij 20% rek, wat aantoont dat een scroll over een scheur ging.
tafel S1.Mobiliteiten van dubbellaagse MGG-enkelwandige koolstofnanobuistransistors op verschillende kanaallengtes voor en na belasting.
Dit is een open-access artikel dat wordt gedistribueerd onder de voorwaarden van de Creative Commons Naamsvermelding-NietCommercieel-licentie, die gebruik, distributie en reproductie in 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 deze wilt zien en dat het geen ongewenste e-mail is.We leggen geen e-mailadres vast.
Deze vraag is bedoeld om te testen of u 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 American Association for the Advancement of Science.Alle rechten voorbehouden.AAAS is een partner van HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Posttijd: 28 jan-2021