Dvimatės medžiagos, tokios kaip grafenas, yra patrauklios tiek įprastiems puslaidininkių taikymams, tiek besiformuojantiems lanksčiosios elektronikos taikymams. Tačiau didelis grafeno tempiamasis stipris lemia lūžius esant mažam deformavimui, todėl sunku išnaudoti jo ypatingas elektronines savybes tempiamojoje elektronikoje. Siekdami užtikrinti puikų skaidrių grafeno laidininkų veikimą, priklausantį nuo deformacijos, tarp sukrautų grafeno sluoksnių sukūrėme grafeno nanosriegius, vadinamus daugiasluoksniais grafeno/grafeno sriegiais (MGG). Deformacijos metu kai kurie sriegiai sujungė suskaidytas grafeno sritis, kad išlaikytų prasiskverbimo tinklą, kuris užtikrino puikų laidumą esant dideliems deformacijoms. Trisluoksniai MGG, paremti elastomerais, išlaikė 65 % savo pradinio laidumo esant 100 % deformacijai, kuri yra statmena srovės tekėjimo krypčiai, o trisluoksnės grafeno plėvelės be nanosriegių išlaikė tik 25 % savo pradinio laidumo. Tempiamas vien anglies tranzistorius, pagamintas naudojant MGG kaip elektrodus, pasižymėjo >90 % pralaidumu ir išlaikė 60 % savo pradinės srovės išėjimo esant 120 % deformacijai (lygiagrečiai krūvio pernašos krypčiai). Šie labai ištempti ir skaidrūs anglies tranzistoriai galėtų sudaryti sąlygas sudėtingai ištemptai optoelektronikai.
Tampri skaidri elektronika yra auganti sritis, turinti svarbių pritaikymų pažangiose biointegruotose sistemose (1, 2), taip pat potencialą integruotis su tampria optoelektronika (3, 4), siekiant sukurti sudėtingus minkštuosius robotus ir ekranus. Grafenas pasižymi labai pageidaujamomis atominio storio, didelio skaidrumo ir didelio laidumo savybėmis, tačiau jo pritaikymą tampriose srityse stabdo polinkis trūkinėti esant mažoms deformacijoms. Grafeno mechaninių apribojimų įveikimas galėtų atverti naujas galimybes tampriuose skaidriuose įrenginiuose.
Unikalios grafeno savybės daro jį stipriu kandidatu kuriant naujos kartos skaidrius laidžius elektrodus (5, 6). Palyginti su dažniausiai naudojamu skaidriu laidininku, indžio alavo oksidu [ITO; 100 omų/kv. (kv.) esant 90 % skaidrumui], cheminio garų nusodinimo (CVD) būdu išaugintas monosluoksnis grafenas pasižymi panašiu lakštinės varžos (125 omai/kv.) ir skaidrumo (97,4 %) deriniu (5). Be to, grafeno plėvelės, palyginti su ITO, yra nepaprastai lankstios (7). Pavyzdžiui, ant plastikinio pagrindo jo laidumas gali išlikti net esant mažam 0,8 mm lenkimo spinduliui (8). Siekiant dar labiau pagerinti jo, kaip skaidraus ir lanksčio laidininko, elektrines charakteristikas, ankstesniuose darbuose buvo sukurtos grafeno hibridinės medžiagos su vienmatėmis (1D) sidabro nanogyslomis arba anglies nanovamzdeliais (CNT) (9–11). Be to, grafenas buvo naudojamas kaip elektrodai mišrių matmenų heterostruktūriniams puslaidininkiams (pvz., 2D tūriniam Si, 1D nanolydžiams/nanovamzdeliams ir 0D kvantiniams taškams) (12), lankstiems tranzistoriams, saulės elementams ir šviesos diodams (LED) (13–23).
Nors grafenas parodė daug žadančių rezultatų lanksčios elektronikos srityje, jo taikymą tempiamojoje elektronikoje riboja mechaninės savybės (17, 24, 25); grafeno standumas plokštumoje yra 340 N/m, o Jungo modulis – 0,5 TPa (26). Stiprus anglies-anglies tinklas neužtikrina jokių energijos išsklaidymo mechanizmų taikomai deformacijai ir todėl lengvai trūkinėja esant mažesnei nei 5 % deformacijai. Pavyzdžiui, ant polidimetilsiloksano (PDMS) elastingo pagrindo perkeltas CVD grafenas gali išlaikyti savo laidumą tik esant mažesnei nei 6 % deformacijai (8). Teoriniai skaičiavimai rodo, kad skirtingų sluoksnių susiglamžymas ir sąveika turėtų labai sumažinti standumą (26). Sudėjus grafeną į kelis sluoksnius, pranešama, kad šis dviejų arba trijų sluoksnių grafenas yra tempiamas iki 30 % deformacijos, o jo varžos pokytis yra 13 kartų mažesnis nei vieno sluoksnio grafeno (27). Tačiau šis tempiamumas vis dar gerokai prastesnis nei pažangiausių tempiamų laidininkų (28, 29).
Tranzistoriai yra svarbūs tempiamuose taikymuose, nes jie leidžia atlikti sudėtingą jutiklių nuskaitymą ir signalų analizę (30, 31). PDMS tranzistoriai su daugiasluoksniu grafenu kaip šaltinio / santakos elektrodais ir kanalo medžiaga gali išlaikyti elektrinę funkciją iki 5 % deformacijos (32), o tai yra gerokai mažiau nei minimali reikalaujama vertė (~50 %) nešiojamiems sveikatos stebėjimo jutikliams ir elektroninei odai (33, 34). Neseniai buvo ištirtas grafeno kirigami metodas, o skystu elektrolitu užvartuotas tranzistorius gali būti ištemptas net iki 240 % (35). Tačiau šiam metodui reikalingas suspenduotas grafenas, o tai apsunkina gamybos procesą.
Čia mes gauname labai tempiamus grafeno įtaisus, įterpdami grafeno sruogas (~1–20 μm ilgio, ~0,1–1 μm pločio ir ~10–100 nm aukščio) tarp grafeno sluoksnių. Mes keliame hipotezę, kad šios grafeno sruogos galėtų sudaryti laidžius takus, kertančius įtrūkimus grafeno lakštuose, tokiu būdu išlaikant didelį laidumą esant deformacijai. Grafeno sruogoms nereikia papildomos sintezės ar apdorojimo; jos natūraliai susidaro šlapiojo perkėlimo procedūros metu. Naudodami daugiasluoksnius G/G (grafeno/grafeno) sruogelius (MGG), grafeno tempiamus elektrodus (šaltinį/dreną ir užtūrą) ir puslaidininkinius CNT, galėjome pademonstruoti labai skaidrius ir labai tempiamus vien anglies pagrindu pagamintus tranzistorius, kuriuos galima ištempti iki 120 % deformacijos (lygiagrečiai krūvio pernašos krypčiai) ir išlaikyti 60 % pradinės srovės. Tai iki šiol labiausiai tempiamas skaidrus anglies pagrindu pagamintas tranzistorius, kuris tiekia pakankamai srovės neorganiniam šviesos diodui valdyti.
Siekdami pagaminti didelio ploto skaidrius, tempiamus grafeno elektrodus, pasirinkome CVD būdu užaugintą grafeną ant Cu folijos. Cu folija buvo pakabinta CVD kvarco vamzdelio centre, kad grafenas galėtų augti iš abiejų pusių ir suformuoti G/Cu/G struktūras. Norėdami perkelti grafeną, pirmiausia padengėme plonu poli(metilmetakrilato) (PMMA) sluoksniu, kad apsaugotume vieną grafeno pusę, kurią pavadinome viršutine grafeno puse (atvirkščiai kitai grafeno pusei), o vėliau visa plėvelė (PMMA/viršutinis grafenas/Cu/apatinis grafenas) buvo pamirkyta (NH4)2S2O8 tirpale, kad būtų pašalinta Cu folija. Apatinė grafeno pusė be PMMA dangos neišvengiamai turės įtrūkimų ir defektų, pro kuriuos ėsdinimo medžiaga galės prasiskverbti (36, 37). Kaip parodyta 1A paveiksle, veikiant paviršiaus įtempimui, išsiskyrusios grafeno sritys susisuko į sruogas ir vėliau prisitvirtino prie likusios viršutinės G/PMMA plėvelės. Viršutiniai G/G slinktukai gali būti perkelti ant bet kokio pagrindo, pvz., SiO2/Si, stiklo ar minkšto polimero. Kelis kartus pakartojus šį perkėlimo procesą ant to paties pagrindo, gaunamos MGG struktūros.
(A) Scheminė MGG, kaip tempiamo elektrodo, gamybos procedūros iliustracija. Grafeno perkėlimo metu Cu folijos galinė grafeno pusė buvo sulaužyta ties ribomis ir defektais, susukta į savavališkas formas ir tvirtai pritvirtinta prie viršutinių plėvelių, sudarant nanosruogas. Ketvirtoje iliustracijoje pavaizduota sukrauta MGG struktūra. (B ir C) Vieno sluoksnio MGG didelės skiriamosios gebos TEM charakteristikos, daugiausia dėmesio skiriant atitinkamai vieno sluoksnio grafenui (B) ir sruogelių (C) sričiai. (B) įdėklas yra mažo didinimo vaizdas, rodantis bendrą vieno sluoksnio MGG morfologiją TEM tinkle. (C) įdėklai yra intensyvumo profiliai, paimti išilgai paveikslėlyje nurodytų stačiakampių langelių, kur atstumai tarp atominių plokštumų yra 0,34 ir 0,41 nm. (D) Anglies K krašto EEL spektras su pažymėtomis būdingomis grafitinėmis π* ir σ* smailėmis. (E) Vieno sluoksnio G/G sruogelių pjūvio AFM vaizdas su aukščio profiliu išilgai geltonos punktyrinės linijos. (F–I) Trisluoksnio G be sruogelių (F ir H) ir su sruogelėmis (G ir I) ant 300 nm storio SiO2/Si substratų optinės mikroskopijos ir AFM vaizdai. Tipinės sruogelės ir raukšlės buvo pažymėti, siekiant pabrėžti jų skirtumus.
Norėdami patikrinti, ar sruogelės gamtoje yra susisukęs grafenas, atlikome didelės skiriamosios gebos transmisinės elektroninės mikroskopijos (TEM) ir elektronų energijos nuostolių (EEL) spektroskopijos tyrimus su monosluoksnio viršutinio G/G sruogelių struktūromis. 1B paveiksle parodyta monosluoksnio grafeno šešiakampė struktūra, o įdėkle – bendra plėvelės, padengtos viena TEM tinklelio anglies skyle, morfologija. Monosluoksnis grafenas užima didžiąją tinklelio dalį, ir kai kurie grafeno dribsniai, esantys keliose šešiakampių žiedų krūvelėse (1B pav.), atsiranda priartinus vaizdą į atskirą sruogelę (1C pav.), pastebėjome daug grafeno gardelės juostų, kurių gardelės tarpai yra nuo 0,34 iki 0,41 nm. Šie matavimai rodo, kad dribsniai yra atsitiktinai susisukę ir nėra idealus grafitas, kurio gardelės tarpai yra 0,34 nm „ABAB“ sluoksnių klojimo metu. 1D paveiksle parodytas anglies K krašto EEL spektras, kuriame pikas ties 285 eV kyla iš π* orbitalės, o kitas, apie 290 eV, atsiranda dėl σ* orbitalės perėjimo. Matyti, kad šioje struktūroje dominuoja sp2 jungtys, patvirtinančios, kad spiralės yra labai grafitinės.
Optinės mikroskopijos ir atominės jėgos mikroskopijos (AFM) vaizdai suteikia įžvalgų apie grafeno nanoritinių pasiskirstymą daugiasluoksnėse grafeno nanodalelėse (1 pav., E–G ir S1 bei S2 pav.). Ritinėliai yra atsitiktinai pasiskirstę paviršiuje, o jų tankis plokštumoje didėja proporcingai sukrautų sluoksnių skaičiui. Daugelis ritinėlių yra susipynę į mazgus ir pasižymi nevienodu aukščiu nuo 10 iki 100 nm. Jų ilgis yra nuo 1 iki 20 μm, o plotis – nuo 0,1 iki 1 μm, priklausomai nuo pradinių grafeno dribsnių dydžio. Kaip parodyta 1 pav. (H ir I), ritinėliai yra žymiai didesni nei raukšlės, todėl grafeno sluoksnių sąsaja yra daug šiurkštesnė.
Norėdami išmatuoti elektrines savybes, fotolitografijos būdu sukūrėme grafeno plėveles su spiralinėmis struktūromis arba be jų ir sudėjome sluoksnius į 300 μm pločio ir 2000 μm ilgio juostas. Dviejų zondų varžos, priklausomai nuo deformacijos, buvo išmatuotos aplinkos sąlygomis. Spintelėmis monosluoksnio grafeno varža sumažėjo 80 %, o pralaidumas sumažėjo tik 2,2 % (S4 pav.). Tai patvirtina, kad nanospiralėmis, kurių srovės tankis didelis – iki 5 × 107 A/cm2 (38, 39), labai teigiamai prisidedama prie MGG elektrinių savybių. Iš visų mono-, dvi- ir trisluoksnių paprastųjų grafeno bei MGG, trisluoksnis MGG pasižymi geriausiu laidumu, o jo skaidrumas siekia beveik 90 %. Norėdami palyginti su kitais literatūroje aprašytais grafeno šaltiniais, taip pat išmatavome keturių zondų lakštines varžas (S5 pav.) ir 2A paveiksle pateikėme jas kaip pralaidumo funkciją esant 550 nm bangos ilgiui (S6 pav.). MGG pasižymi panašiu arba didesniu laidumu ir skaidrumu nei dirbtinai sukrautas daugiasluoksnis paprastasis grafenas ir redukuotas grafeno oksidas (RGO) (6, 8, 18). Atkreipkite dėmesį, kad dirbtinai sukrauto daugiasluoksnio paprastojo grafeno iš literatūros lakštinės varžos yra šiek tiek didesnės nei mūsų MGG, tikriausiai dėl neoptimizuotų augimo sąlygų ir perkėlimo metodo.
(A) Keturių zondų lakštinės varžos, priklausomai nuo pralaidumo esant 550 nm bangos ilgiui, kelių tipų grafenui, kur juodi kvadratai žymi mono-, dvi- ir trisluoksnius MGG; raudoni apskritimai ir mėlyni trikampiai atitinka daugiasluoksnį paprastą grafeną, užaugintą ant Cu ir Ni, atitinkamai iš Li ir kt. (6) ir Kim ir kt. (8) tyrimų, o vėliau perkeltą ant SiO2/Si arba kvarco; o žali trikampiai yra RGO vertės esant skirtingam redukcijos laipsniui, iš Bonaccorso ir kt. (18) tyrimo. (B ir C) Normalizuotas mono-, dvi- ir trisluoksnių MGG ir G varžos pokytis kaip statmenos (B) ir lygiagrečios (C) deformacijos srovės tekėjimo krypčiai funkcija. (D) Normalizuotas dvisluoksnio G (raudonas) ir MGG (juodas) varžos pokytis esant cikliniam deformacijos apkrovimui iki 50 % statmenos deformacijos. (E) Normalizuotas trisluoksnio G (raudonas) ir MGG (juodas) varžos pokytis esant cikliniam deformacijos apkrovimui iki 90 % lygiagrečios deformacijos. (F) Normalizuotas mono-, dvi- ir trisluoksnių G bei dvi- ir trisluoksnių MGG talpos pokytis kaip deformacijos funkcija. Įdėkle pavaizduota kondensatoriaus struktūra, kurioje polimero substratas yra SEBS, o polimero dielektrinis sluoksnis yra 2 μm storio SEBS.
Norėdami įvertinti nuo deformacijos priklausomą MGG veikimą, perkėlėme grafeną ant termoplastinio elastomero stireno-etileno-butadieno-stireno (SEBS) substratų (~2 cm pločio ir ~5 cm ilgio), o laidumas buvo matuojamas, kai substratas buvo tempiamas (žr. Medžiagos ir metodai) tiek statmenai, tiek lygiagrečiai srovės tekėjimo krypčiai (2 pav., B ir C). Nuo deformacijos priklausomas elektrinis elgesys pagerėjo įtraukiant nanoscroll'us ir didinant grafeno sluoksnių skaičių. Pavyzdžiui, kai deformacija yra statmena srovės tekėjimui, vieno sluoksnio grafeno atveju, pridėjus scroll'ų, deformacija elektrinio lūžio metu padidėjo nuo 5 iki 70 %. Trisluoksnio grafeno deformacijos tolerancija taip pat žymiai pagerėjo, palyginti su vieno sluoksnio grafenu. Esant 100 % statmenai deformacijai, trisluoksnės MGG struktūros varža padidėjo tik 50 %, palyginti su 300 % trisluoksnio grafeno be scroll'ų atveju. Buvo tirtas varžos pokytis esant ciklinei deformacijai. Palyginimui (2D pav.), paprastos dvisluoksnės grafeno plėvelės varža padidėjo apie 7,5 karto po ~700 ciklų esant 50 % statmenai deformacijai ir toliau didėjo didėjant deformacijai kiekviename cikle. Kita vertus, dvisluoksnės MGG varža padidėjo tik apie 2,5 karto po ~700 ciklų. Taikant iki 90 % deformaciją lygiagrečia kryptimi, trisluoksnės grafeno plėvelės varža padidėjo ~100 kartų po 1000 ciklų, o trisluoksnės MGG – tik ~8 kartus (2E pav.). Ciklų rezultatai parodyti S7 pav. Santykinai greitesnis varžos padidėjimas lygiagrečios deformacijos kryptimi atsiranda dėl to, kad įtrūkimų orientacija yra statmena srovės tekėjimo krypčiai. Varžos nuokrypis pakrovimo ir iškrovimo metu atsiranda dėl SEBS elastomero substrato klampaus elastingumo atsigavimo. Stabilesnis MGG juostelių varža ciklų metu atsiranda dėl didelių spiralių, kurios gali sujungti įtrūkusias grafeno dalis (kaip pastebėta AFM), ir padėti išlaikyti prasiskverbimo kelią. Šis laidumo palaikymo perkoliacijos būdu reiškinys jau buvo aprašytas anksčiau, tiriant įtrūkusias metalines arba puslaidininkines plėveles ant elastomerų pagrindų (40, 41).
Norėdami įvertinti šių grafeno pagrindo plėvelių, kaip vartų elektrodų, naudojimą tempiamuose įrenginiuose, padengėme grafeno sluoksnį SEBS dielektriniu sluoksniu (2 μm storio) ir stebėjome dielektrinės talpos pokytį kaip deformacijos funkciją (išsamesnė informacija pateikta 2F pav. ir papildomose medžiagose). Pastebėjome, kad paprastų vieno sluoksnio ir dvisluoksnių grafeno elektrodų talpos greitai sumažėjo dėl grafeno plokštuminio laidumo sumažėjimo. Priešingai, MGG ir paprasto trisluoksnio grafeno vartų talpos parodė talpos didėjimą didėjant deformacijai, ko ir tikimasi dėl dielektriko storio sumažėjimo didėjant deformacijai. Tikėtasi talpos padidėjimas labai gerai atitiko MGG struktūrą (S8 pav.). Tai rodo, kad MGG tinka kaip vartų elektrodas tempiamiems tranzistoriams.
Norėdami toliau ištirti 1D grafeno ritinėlio vaidmenį elektrinio laidumo deformacijos tolerancijai ir geriau kontroliuoti atstumą tarp grafeno sluoksnių, grafeno ritinėlius pakeitėme purškiamais CNT (žr. papildomą medžiagą). Norėdami imituoti MGG struktūras, nusodinome trijų tankių CNT (tai yra CNT1
(A–C) Trijų skirtingų CNT tankių AFM vaizdai (CNT1
Siekdami geriau suprasti jų, kaip elektrodų, galimybes tampriai elektronikai, sistemingai ištyrėme MGG ir G-CNT-G morfologiją deformacijos metu. Optinė mikroskopija ir skenuojanti elektroninė mikroskopija (SEM) nėra veiksmingi charakterizavimo metodai, nes abiem trūksta spalvų kontrasto, o SEM elektronų skenavimo metu, kai grafenas yra ant polimerinių substratų, atsiranda vaizdo artefaktų (S9 ir S10 pav.). Norėdami in situ stebėti grafeno paviršių deformacijos metu, atlikome AFM matavimus ant trijų sluoksnių MGG ir paprasto grafeno, perkėlę juos ant labai plonų (~0,1 mm storio) ir elastingų SEBS substratų. Dėl vidinių CVD grafeno defektų ir išorinių pažeidimų perkėlimo proceso metu, deformuotame grafene neišvengiamai atsiranda įtrūkimų, o didėjant deformacijai, įtrūkimai tampa tankesni (4 pav., A–D). Priklausomai nuo anglies pagrindo elektrodų sudėjimo struktūros, įtrūkimai pasižymi skirtingomis morfologijomis (S11 pav.) (27). Daugiasluoksnio grafeno įtrūkimo ploto tankis (apibrėžiamas kaip įtrūkimo plotas / analizuojamas plotas) po deformacijos yra mažesnis nei vieno sluoksnio grafeno, o tai atitinka MGG elektrinio laidumo padidėjimą. Kita vertus, dažnai stebimos sruogos, kurios jungia įtrūkimus, sukurdamos papildomus laidžiuosius takus įtemptoje plėvelėje. Pavyzdžiui, kaip parodyta 4B paveiksle, plati sruoga kirto įtrūkimą trisluoksniame MGG, tačiau paprastame grafene sruogos nebuvo pastebėta (4 pav., E–H). Panašiai CNT taip pat jungia įtrūkimus grafene (S11 pav.). Plėvelių įtrūkimo ploto tankis, sruogos ploto tankis ir šiurkštumas apibendrinti 4K paveiksle.
(A–H) Trisluoksnių G/G sraigtų (A–D) ir trisluoksnių G struktūrų (E–H) in situ AFM vaizdai ant labai plono SEBS (~0,1 mm storio) elastomero, esant 0, 20, 60 ir 100 % deformacijai. Tipiniai įtrūkimai ir sraigtai pažymėti rodyklėmis. Visi AFM vaizdai yra 15 μm × 15 μm plote, naudojant tą pačią spalvų skalės juostą, kaip nurodyta. (I) Raštuotų monosluoksnių grafeno elektrodų ant SEBS substrato modeliavimo geometrija. (J) Maksimalios pagrindinės logaritminės deformacijos monosluoksnyje grafene ir SEBS substrate modeliavimo kontūrų žemėlapis esant 20 % išorinei deformacijai. (K) Įtrūkimo ploto tankio (raudonas stulpelis), sraigto ploto tankio (geltonas stulpelis) ir paviršiaus šiurkštumo (mėlynas stulpelis) palyginimas skirtingoms grafeno struktūroms.
Kai MGG plėvelės yra tempiamos, yra svarbus papildomas mechanizmas, kuriuo sruogos gali sujungti įtrūkusias grafeno sritis, išlaikydamos prasiskverbiantį tinklą. Grafeno sruogos yra perspektyvios, nes jos gali būti dešimčių mikrometrų ilgio ir todėl gali sujungti įtrūkimus, kurie paprastai yra iki mikrometrų mastelio. Be to, kadangi sruogos sudarytos iš daugiasluoksnių grafeno sluoksnių, tikimasi, kad jos pasižymės mažu pasipriešinimu. Palyginimui, norint užtikrinti panašų laidų tiltelių pajėgumą, reikalingi santykinai tankūs (mažesnio pralaidumo) CNT tinklai, nes CNT yra mažesnės (paprastai kelių mikrometrų ilgio) ir mažiau laidžios nei sruogos. Kita vertus, kaip parodyta S12 pav., nors grafenas tempimo metu trūkinėja, kad prisitaikytų prie deformacijos, sruogos nesutrūkinėja, o tai rodo, kad pastarosios gali slysti ant po ja esančio grafeno. Priežastis, kodėl jie nesutrūkinėja, greičiausiai yra susukta struktūra, sudaryta iš daugelio grafeno sluoksnių (~1–20 μm ilgio, ~0,1–1 μm pločio ir ~10–100 nm aukščio), kurio efektyvusis modulis yra didesnis nei vieno sluoksnio grafeno. Kaip pranešė Green ir Hersam (42), metaliniai CNT tinklai (vamzdelio skersmuo 1,0 nm) gali pasiekti mažą lakštinę varžą <100 omų/kv., nepaisant didelės jungčių varžos tarp CNT. Atsižvelgiant į tai, kad mūsų grafeno ritinėlių plotis yra nuo 0,1 iki 1 μm ir kad G/G ritinėlių sąlyčio plotai yra daug didesni nei CNT, grafeno ir grafeno ritinėlių sąlyčio varža ir sąlyčio plotas neturėtų būti ribojantys veiksniai siekiant išlaikyti didelį laidumą.
Grafenas turi daug didesnį modulį nei SEBS substratas. Nors grafeno elektrodo efektyvus storis yra daug mažesnis nei substrato storis, grafeno standumo ir jo storio santykis yra panašus į substrato standumo (43, 44), todėl susidaro vidutinis standžios salos efektas. Mes imitavome 1 nm storio grafeno deformaciją ant SEBS substrato (daugiau informacijos žr. papildomose medžiagose). Remiantis modeliavimo rezultatais, kai SEBS substratui išoriškai taikoma 20 % deformacija, vidutinė grafeno deformacija yra ~6,6 % (4J pav. ir S13D pav.), o tai atitinka eksperimentinius stebėjimus (žr. S13 pav.). Palyginome deformacijas raštuotose grafeno ir substrato srityse, naudodami optinę mikroskopiją, ir nustatėme, kad deformacija substrato srityje yra bent dvigubai didesnė nei deformacija grafeno srityje. Tai rodo, kad grafeno elektrodų struktūroms taikoma deformacija gali būti žymiai apribota, sudarant grafeno standžias salas ant SEBS viršaus (26, 43, 44).
Todėl MGG elektrodų gebėjimą išlaikyti didelį laidumą esant didelei deformacijai greičiausiai lemia du pagrindiniai mechanizmai: (i) sraigtai gali sujungti nesujungtas sritis, kad išlaikytų laidų perkoliacijos kelią, ir (ii) daugiasluoksniai grafeno lakštai/elastomeras gali slysti vienas kitu, todėl sumažėja grafeno elektrodų įtempimas. Keliuose perkelto grafeno ant elastomero sluoksniuose sluoksniai nėra tvirtai pritvirtinti vienas prie kito, todėl gali slysti reaguodami į deformaciją (27). Sraigtai taip pat padidino grafeno sluoksnių šiurkštumą, o tai gali padėti padidinti atstumą tarp grafeno sluoksnių ir taip sudaryti sąlygas grafeno sluoksnių slydimui.
Dėl mažos kainos ir didelio pralaidumo entuziastingai ieškoma įtaisų, pagamintų vien iš anglies. Mūsų atveju, įtaisai, pagaminti vien iš anglies, buvo pagaminti naudojant apatinį grafeno užtūrą, viršutinį grafeno šaltinio/dreno kontaktą, rūšiuotą CNT puslaidininkį ir SEBS kaip dielektriką (5A pav.). Kaip parodyta 5B pav., įtaisas, pagamintas vien iš anglies su CNT kaip šaltiniu/drenu ir užtūra (apatinis įtaisas), yra neskaidresnis nei įtaisas su grafeno elektrodais (viršutinis įtaisas). Taip yra todėl, kad CNT tinklams reikalingas didesnis storis ir, atitinkamai, mažesnis optinis pralaidumas, kad būtų pasiekta panaši į grafeno lakštinė varža (S4 pav.). 5 paveiksle (C ir D) parodytos tipinės tranzistoriaus, pagaminto su dvisluoksniais MGG elektrodais, perdavimo ir išėjimo kreivės prieš deformaciją. Nedeformuoto tranzistoriaus kanalo plotis ir ilgis buvo atitinkamai 800 ir 100 μm. Išmatuotas įjungimo/išjungimo santykis yra didesnis nei 103, kai įjungimo ir išjungimo srovės yra atitinkamai 10−5 ir 10−8 A. Išėjimo kreivė rodo idealius tiesinius ir sočiųjų režimus su aiškia priklausomybe nuo užtūros įtampos, rodančius idealų kontaktą tarp CNT ir grafeno elektrodų (45). Pastebėta, kad kontaktinė varža su grafeno elektrodais yra mažesnė nei su išgarintu Au sluoksniu (žr. S14 pav.). Ištempto tranzistoriaus sočiųjų jungčių judrumas yra apie 5,6 cm2/Vs, panašus į tų pačių polimerų pagrindu surūšiuotų CNT tranzistorių ant standžių Si substratų su 300 nm SiO2 kaip dielektriniu sluoksniu. Judrumą galima dar labiau pagerinti optimizavus vamzdžių tankį ir naudojant kitų tipų vamzdžius (46).
(A) Grafeno pagrindu sukurto tempiamo tranzistoriaus schema. SWNT, viensieniai anglies nanovamzdeliai. (B) Iš grafeno elektrodų (viršuje) ir CNT elektrodų (apačioje) pagamintų tempiamo tranzistorių nuotrauka. Skaidrumo skirtumas aiškiai pastebimas. (C ir D) Grafeno pagrindu sukurto tranzistoriaus perdavimo ir išėjimo kreivės ant SEBS prieš deformaciją. (E ir F) Grafeno pagrindu sukurto tranzistoriaus perdavimo kreivės, įjungimo ir išjungimo srovė, įjungimo/išjungimo santykis ir judrumas esant skirtingoms deformacijoms.
Kai skaidrus, vien iš anglies pagamintas įtaisas buvo tempiamas krūvio pernašos krypčiai lygiagrečiai, iki 120 % deformacijos buvo pastebėtas minimalus degradavimas. Tempimo metu judrumas nuolat mažėjo nuo 5,6 cm2/Vs esant 0 % deformacijai iki 2,5 cm2/Vs esant 120 % deformacijai (5F pav.). Taip pat palyginome tranzistorių veikimą esant skirtingiems kanalų ilgiams (žr. S1 lentelę). Pažymėtina, kad esant net 105 % deformacijai, visi šie tranzistoriai vis tiek pasižymėjo dideliu įjungimo/išjungimo santykiu (>103) ir judrumu (>3 cm2/Vs). Be to, apibendrinome visus naujausius darbus, atliktus su vien iš anglies pagamintais tranzistoriais (žr. S2 lentelę) (47–52). Optimizuodami įtaisų gamybą ant elastomerų ir naudodami MGG kaip kontaktus, mūsų vien iš anglies pagaminti tranzistoriai pasižymi geromis savybėmis judrumo ir histerezės atžvilgiu, taip pat yra labai tempiami.
Kaip visiškai skaidraus ir tempiamo tranzistoriaus pritaikymą, panaudojome jį šviesos diodų (LED) perjungimui valdyti (6A pav.). Kaip parodyta 6B pav., žalią šviesos diodą galima aiškiai matyti per tiesiai virš jo esantį tempiamą anglies pluošto įtaisą. Tempiant iki ~100 % (6 pav., C ir D), LED šviesos intensyvumas nekinta, o tai atitinka aukščiau aprašytą tranzistoriaus veikimą (žr. S1 vaizdo įrašą). Tai pirmoji ataskaita apie tempiamus valdymo blokus, pagamintus naudojant grafeno elektrodus, demonstruojanti naują galimybę grafeno tempiamai elektronikai.
(A) Tranzistoriaus, skirto LED valdyti, grandinė. GND, įžeminimas. (B) Tampaus ir skaidraus, vien iš anglies pagaminto tranzistoriaus, kurio įtempimas 0 %, nuotrauka, sumontuota virš žalio LED. (C) Skaidrus ir ištemptas, vien iš anglies pagamintas tranzistorius, naudojamas LED perjungimui, sumontuotas virš LED, kurio įtempimas 0 % (kairėje) ir ~100 % (dešinėje). Baltos rodyklės rodo geltonus žymeklius ant įrenginio, rodančius tempimo atstumo pokytį. (D) Ištempto tranzistoriaus vaizdas iš šono, kai LED įstumtas į elastomerą.
Apibendrinant, sukūrėme skaidrią laidžią grafeno struktūrą, kuri išlaiko didelį laidumą esant didelėms deformacijoms kaip tempiami elektrodai, o tai įgalina grafeno nanosruogelės tarp sukrautų grafeno sluoksnių. Šios dvisluoksnės ir trisluoksnės MGG elektrodų struktūros ant elastomero gali išlaikyti atitinkamai 21 ir 65 % savo 0 % deformacijos laidumo esant 100 % deformacijai, palyginti su visišku laidumo praradimu esant 5 % deformacijai, kaip ir tipiški monosluoksniai grafeno elektrodai. Papildomi laidūs grafeno sruogelių keliai, taip pat silpna sąveika tarp perkeltų sluoksnių prisideda prie geresnio laidumo stabilumo esant deformacijai. Mes taip pat pritaikėme šią grafeno struktūrą, kad pagamintume vien iš anglies pagamintus tempiamus tranzistorius. Iki šiol tai yra labiausiai tempiamas grafeno pagrindu pagamintas tranzistorius, pasižymintis geriausiu skaidrumu nenaudojant išlenkimo. Nors šis tyrimas buvo atliktas siekiant suteikti grafeną tempiamai elektronikai, manome, kad šį metodą galima išplėsti ir kitoms 2D medžiagoms, kad būtų galima sukurti tempiamą 2D elektroniką.
Didelio ploto CVD grafenas buvo auginamas ant suspenduotų Cu folijų (99,999 %; „Alfa Aesar“), esant pastoviam 0,5 mtorr slėgiui ir 50–SCCM (standartinių kubinių centimetrų per minutę) CH4 ir 20–SCCM H2 kaip pirmtakams 1000 °C temperatūroje. Abi Cu folijos pusės buvo padengtos monosluoksniu grafenu. Viena Cu folijos pusė buvo padengta plonu PMMA sluoksniu (2000 aps./min.; A4, „Microchem“), suformuojant PMMA/G/Cu folijos/G struktūrą. Vėliau visa plėvelė buvo mirkoma 0,1 M amonio persulfato [(NH4)2S2O8] tirpale maždaug 2 valandas, kad būtų pašalinta Cu folija. Šio proceso metu neapsaugotas galinis grafenas pirmiausia plyšo išilgai grūdelių ribų, o po to dėl paviršiaus įtempimo susisuko į sruogas. Sruogelės buvo pritvirtintos prie PMMA palaikomos viršutinės grafeno plėvelės, sudarant PMMA/G/G sruogas. Vėliau plėvelės buvo kelis kartus plaunamos dejonizuotame vandenyje ir uždedamos ant tikslinio pagrindo, pavyzdžiui, standaus SiO2/Si arba plastikinio pagrindo. Kai tik pritvirtinta plėvelė išdžiūvo ant pagrindo, mėginys buvo paeiliui mirkomas acetone, 1:1 acetone/IPA (izopropilo alkoholyje) ir IPA po 30 sekundžių, kad būtų pašalintas PMMA. Plėvelės buvo kaitinamos 100 °C temperatūroje 15 minučių arba laikomos vakuume per naktį, kad būtų visiškai pašalintas susikaupęs vanduo, prieš ant jų uždedant kitą grafeno/G spiralės sluoksnį. Šis žingsnis buvo skirtas išvengti grafeno plėvelės atsiskyrimo nuo pagrindo ir užtikrinti visišką MGG padengimą atleidžiant PMMA nešiklio sluoksnį.
MGG struktūros morfologija buvo stebima naudojant optinį mikroskopą („Leica“) ir skenuojantį elektroninį mikroskopą (1 kV; FEI). Atominės jėgos mikroskopas („Nanoscope III“, skaitmeninis instrumentas) buvo naudojamas tapšnojimo režimu, siekiant stebėti G slinkčių detales. Plėvelės skaidrumas buvo tikrinamas ultravioletinių-matomųjų spindulių spektrometru („Agilent Cary 6000i“). Bandymams, kai deformacija vyko statmena srovės tekėjimo krypčiai, grafeno struktūros buvo suformuotos į juosteles (~300 μm pločio ir ~2000 μm ilgio), o Au (50 nm) elektrodai buvo termiškai nusodinami naudojant šešėlių kaukes abiejuose ilgosios pusės galuose. Tada grafeno juostelės buvo kontaktuojamos su SEBS elastomeru (~2 cm pločio ir ~5 cm ilgio), juostelių ilgąją ašį lygiagrečiai trumpajai SEBS pusei, po kurios sekė BOE (buferinio oksido ėsdinimo) (HF:H2O 1:6) ėsdinimas ir eutektinis galio indis (EGaIn) kaip elektriniai kontaktai. Lygiagrečių deformacijų bandymams ant SEBS padėklų buvo perkeltos nemodifikuotos grafeno struktūros (~5 × 10 mm), kurių ilgosios ašys buvo lygiagrečios ilgajai SEBS padėklo pusei. Abiem atvejais visas G (be G sriegių) / SEBS buvo ištemptas išilgai elastomero pusės rankiniu aparatu, o in situ, zondo stotyje, naudodami puslaidininkių analizatorių (Keithley 4200-SCS), išmatavome jų varžos pokyčius deformacijos metu.
Labai tamprūs ir skaidrūs anglies tranzistoriai ant elastingo pagrindo buvo pagaminti laikantis šių procedūrų, siekiant išvengti organinių tirpiklių poveikio polimero dielektrikui ir pagrindui. MGG struktūros buvo perkeltos ant SEBS kaip užtūros elektrodai. Norint gauti vienodą plonasluoksnį polimero dielektrinį sluoksnį (2 μm storio), SEBS tolueno (80 mg/ml) tirpalas buvo padengtas sukimo būdu ant oktadeciltrichlorosilano (OTS) modifikuoto SiO2/Si pagrindo 1000 aps./min. greičiu 1 min. Plona dielektrinė plėvelė gali būti lengvai perkeliama iš hidrofobinio OTS paviršiaus ant SEBS pagrindo, padengto paruoštu grafenu. Kondensatorių galima pagaminti uždedant skysto metalo (EGaIn; „Sigma-Aldrich“) viršutinį elektrodą, kad būtų galima nustatyti talpą kaip deformacijos funkciją naudojant LCR (induktyvumo, talpos, varžos) matuoklį („Agilent“). Kitą tranzistoriaus dalį sudarė pagal polimerą surūšiuoti puslaidininkiniai CNT, laikantis anksčiau aprašytų procedūrų (53). Raštuoti šaltinio/dreno elektrodai buvo pagaminti ant standžių SiO2/Si padėklų. Vėliau dvi dalys – dielektrinis/G/SEBS ir CNT/raštuotas G/SiO2/Si – buvo laminuotos viena su kita ir pamirkytos BOE tirpale, kad būtų pašalintas standus SiO2/Si substratas. Taip buvo pagaminti visiškai skaidrūs ir tempiami tranzistoriai. Elektriniai bandymai deformacijos metu buvo atlikti rankiniu tempimo įrenginiu, kaip minėta anksčiau.
Papildomos šio straipsnio medžiagos galite rasti adresu http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
S1 pav. Vieno sluoksnio MGG ant SiO2/Si substratų optinės mikroskopijos vaizdai esant skirtingam didinimui.
S4 pav. Vieno, dviejų ir trijų sluoksnių paprasto grafeno (juodi kvadratai), MGG (raudoni apskritimai) ir CNT (mėlynas trikampis) dviejų zondų lakštinių varžų ir pralaidumų palyginimas esant 550 nm bangos ilgiui.
S7 pav. Normalizuotas mono- ir dvisluoksnių MGG (juoda) ir G (raudona) varžos pokytis esant ~1000 ciklinių deformacijų apkrovai, atitinkamai iki 40 ir 90 % lygiagrečios deformacijos.
S10 pav. Trisluoksnio MGG ant SEBS elastomero SEM vaizdas po deformacijos, kuriame matomas ilgas slinkties kryžius virš kelių įtrūkimų.
S12 pav. Trisluoksnio MGG ant labai plono SEBS elastomero AFM vaizdas esant 20 % deformacijai, kuriame matyti, kad spiralė kirto įtrūkimą.
S1 lentelė. Dvisluoksnių MGG – viensienių anglies nanovamzdelių tranzistorių judrumas esant skirtingam kanalo ilgiui prieš ir po deformacijos.
Tai yra atviros prieigos straipsnis, platinamas pagal „Creative Commons Attribution-NonCommercial“ licenciją, kuri leidžia naudoti, platinti ir atgaminti bet kokioje terpėje, jei gaunamas naudojimas nėra skirtas komercinei naudai ir jei originalus kūrinys yra tinkamai cituojamas.
PASTABA: Jūsų el. pašto adreso prašome tik tam, kad asmuo, kuriam rekomenduojate puslapį, žinotų, jog norite, kad jis jį matytų, ir kad tai nėra nepageidaujamas paštas. Mes nefiksuojame jokių el. pašto adresų.
Šis klausimas skirtas patikrinti, ar esate tikras lankytojas, ir užkirsti kelią automatiniams šlamšto siuntimams.
Nan Liu, Alexas Chortosas, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kimas, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Nan Liu, Alexas Chortosas, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kimas, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 Amerikos mokslo pažangos asociacija. Visos teisės saugomos. AAAS yra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ir COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partneris.
Įrašo laikas: 2021 m. sausio 28 d.