Materjali bidimensjonali, bħall-grafina, huma attraenti kemm għal applikazzjonijiet konvenzjonali tas-semikondutturi kif ukoll għal applikazzjonijiet ġodda fl-elettronika flessibbli. Madankollu, is-saħħa tensili għolja tal-grafina tirriżulta fi ksur bi tensjoni baxxa, u dan jagħmilha diffiċli biex jittieħed vantaġġ mill-proprjetajiet elettroniċi straordinarji tiegħu fl-elettronika li tiġġebbed. Biex nippermettu prestazzjoni eċċellenti dipendenti fuq it-tensjoni ta' kondutturi trasparenti tal-grafina, ħloqna nanoscrolls tal-grafina bejn saffi tal-grafina f'munzelli, imsejħa skrolls tal-grafina/grafina b'ħafna saffi (MGGs). Taħt tensjoni, xi skrolls għaqqdu d-dominji frammentati tal-grafina biex iżommu netwerk ta' perkolazzjoni li ppermetta konduttività eċċellenti bi tensjonijiet għoljin. MGGs bi tliet saffi appoġġjati fuq elastomeri żammew 65% tal-konduttanza oriġinali tagħhom bi tensjoni ta' 100%, li hija perpendikolari għad-direzzjoni tal-fluss tal-kurrent, filwaqt li films bi tliet saffi tal-grafina mingħajr nanoscrolls żammew biss 25% tal-konduttanza inizjali tagħhom. Tranżistor tal-karbonju kollu li jista' jiġi mġebbed, iffabbrikat bl-użu ta' MGGs bħala elettrodi, wera trasmittanza ta' >90% u żamm 60% tal-output tal-kurrent oriġinali tiegħu b'tensjoni ta' 120% (parallela mad-direzzjoni tat-trasport tal-ċarġ). Dawn it-tranżistors tal-karbonju kollha li jistgħu jiġu mġebbda ħafna u trasparenti jistgħu jippermettu optoelettronika sofistikata li tista' tiġi mġebbda.
L-elettronika trasparenti li tiġġebbed hija qasam li qed jikber li għandu applikazzjonijiet importanti f'sistemi bijointegrati avvanzati (1, 2) kif ukoll il-potenzjal li jintegra ma' optoelettronika li tiġġebbed (3, 4) biex jipproduċi robotika u wirjiet rotob sofistikati. Il-grafene juri proprjetajiet mixtieqa ħafna ta' ħxuna atomika, trasparenza għolja, u konduttività għolja, iżda l-implimentazzjoni tiegħu f'applikazzjonijiet li tiġġebbed ġiet imfixkla mit-tendenza tiegħu li jixxaqqaq f'tensjonijiet żgħar. Is-superament tal-limitazzjonijiet mekkaniċi tal-grafene jista' jippermetti funzjonalità ġdida f'apparati trasparenti li tiġġebbed.
Il-proprjetajiet uniċi tal-grafene jagħmluh kandidat qawwi għall-ġenerazzjoni li jmiss ta' elettrodi konduttivi trasparenti (5, 6). Meta mqabbel mal-konduttur trasparenti l-aktar użat komunement, l-ossidu tal-landa tal-indju [ITO; 100 ohms/kwadru (sq) b'90% trasparenza], il-grafene monolayer imkabbar permezz ta' depożizzjoni kimika tal-fwar (CVD) għandu taħlita simili ta' reżistenza tal-folja (125 ohms/sq) u trasparenza (97.4%) (5). Barra minn hekk, il-films tal-grafene għandhom flessibilità straordinarja meta mqabbla mal-ITO (7). Pereżempju, fuq sottostrat tal-plastik, il-konduttanza tiegħu tista' tinżamm anke għal raġġ ta' kurvatura żgħir daqs 0.8 mm (8). Biex tittejjeb aktar il-prestazzjoni elettrika tiegħu bħala konduttur flessibbli trasparenti, xogħlijiet preċedenti żviluppaw materjali ibridi tal-grafene b'nanowires tal-fidda unidimensjonali (1D) jew nanotubi tal-karbonju (CNTs) (9–11). Barra minn hekk, il-grafene ntuża bħala elettrodi għal semikondutturi eterostrutturali ta' dimensjonijiet imħallta (bħal Si bl-ingrossa 2D, nanowires/nanotubes 1D, u quantum dots 0D) (12), transistors flessibbli, ċelloli solari, u dijodi li jarmu d-dawl (LEDs) (13–23).
Għalkemm il-grafene wera riżultati promettenti għall-elettronika flessibbli, l-applikazzjoni tiegħu fl-elettronika li tiġġebbed kienet limitata mill-proprjetajiet mekkaniċi tiegħu (17, 24, 25); il-grafene għandu ebusija fil-pjan ta' 340 N/m u modulu ta' Young ta' 0.5 TPa (26). In-netwerk qawwi tal-karbonju-karbonju ma jipprovdi l-ebda mekkaniżmu ta' dissipazzjoni tal-enerġija għat-tensjoni applikata u għalhekk jinqasam faċilment b'inqas minn 5% tensjoni. Pereżempju, il-grafene CVD trasferit fuq sottostrat elastiku tal-polidimetilsilossan (PDMS) jista' jżomm il-konduttività tiegħu biss b'inqas minn 6% tensjoni (8). Kalkoli teoretiċi juru li t-tgħaffiġ u l-interazzjoni bejn saffi differenti għandhom inaqqsu bil-qawwa r-ebusija (26). Billi l-grafene jitqiegħed f'saffi multipli, huwa rrappurtat li dan il-grafene b'żewġ jew tliet saffi jista' jiġġebbed għal 30% tensjoni, u juri bidla fir-reżistenza 13-il darba iżgħar minn dik tal-grafene b'saff wieħed (27). Madankollu, din l-istirabbiltà għadha inferjuri b'mod sinifikanti għall-kondutturi li jiġġebbed l-aktar avvanzati (28, 29).
It-transistors huma importanti f'applikazzjonijiet li jiġġebbdu għax jippermettu qari sofistikat tas-sensuri u analiżi tas-sinjali (30, 31). Transistors fuq PDMS bil-grafene b'ħafna saffi bħala elettrodi tas-sors/drejn u materjal tal-kanal jistgħu jżommu l-funzjoni elettrika sa 5% tensjoni (32), li hija sinifikament taħt il-valur minimu meħtieġ (~50%) għal sensuri li jintlibsu għall-monitoraġġ tas-saħħa u ġilda elettronika (33, 34). Riċentement, ġie esplorat approċċ ta' kirigami tal-grafene, u t-transistor imdawwar minn elettrolit likwidu jista' jiġi mġebbed sa 240% (35). Madankollu, dan il-metodu jeħtieġ grafene sospiż, li jikkomplika l-proċess ta' fabbrikazzjoni.
Hawnhekk, niksbu apparati tal-grafina li jiġġebbdu ħafna billi ninterkaljaw skrollji tal-grafina (~1 sa 20 μm twal, ~0.1 sa 1 μm wiesgħa, u ~10 sa 100 nm għoljin) bejn is-saffi tal-grafina. Aħna nissoponu li dawn l-iskrollji tal-grafina jistgħu jipprovdu mogħdijiet konduttivi biex jgħaqqdu x-xquq fil-folji tal-grafina, u b'hekk iżommu konduttività għolja taħt tensjoni. L-iskrollji tal-grafina ma jeħtiġux sinteżi jew proċess addizzjonali; huma ffurmati b'mod naturali matul il-proċedura ta' trasferiment imxarrab. Bl-użu ta' elettrodi tal-grafina li jiġġebbdu (source/drain u gate) ta' skrollji G/G (grafina/grafina) b'ħafna saffi (MGGs) u CNTs semikondutturi, stajna nuru transistors tal-karbonju kollha trasparenti ħafna u li jiġġebbdu ħafna, li jistgħu jiġġebbdu sa 120% tensjoni (paralleli mad-direzzjoni tat-trasport taċ-ċarġ) u jżommu 60% tal-output tal-kurrent oriġinali tagħhom. Dan huwa l-aktar transistor ibbażat fuq il-karbonju trasparenti li jiġġebbdu s'issa, u jipprovdi kurrent suffiċjenti biex isuq LED inorganiku.
Biex nippermettu elettrodi tal-grafina trasparenti u elastiċi b'erja kbira, għażilna grafina mkabbra bis-CVD fuq fojl Cu. Il-fojl Cu kien sospiż fiċ-ċentru ta' tubu tal-kwarz CVD biex jippermetti t-tkabbir tal-grafina fuq iż-żewġ naħat, u b'hekk jifforma strutturi G/Cu/G. Biex nittrasferixxu l-grafina, l-ewwel għamilna spin-coating ta' saff irqiq ta' poli(metil metakrilat) (PMMA) biex nipproteġu naħa waħda tal-grafina, li semmejna grafina ta' fuq (viċi versa għan-naħa l-oħra tal-grafina), u sussegwentement, il-film kollu (PMMA/grafina ta' fuq/Cu/grafina ta' isfel) ġie mxarrab f'soluzzjoni ta' (NH4)2S2O8 biex inċiża l-fojl Cu. Il-grafina ta' isfel mingħajr il-kisi tal-PMMA inevitabbilment se jkollha xquq u difetti li jippermettu li sustanza li tagħfas l-inċiżjoni tippenetra minnha (36, 37). Kif muri fil-Fig. 1A, taħt l-effett tat-tensjoni tal-wiċċ, id-dominji tal-grafina rilaxxati rrumblaw fi skrolli u sussegwentement imwaħħla mal-film G/PMMA ta' fuq li jifdal. L-iskrollijiet top-G/G jistgħu jiġu trasferiti fuq kwalunkwe sottostrat, bħal SiO2/Si, ħġieġ, jew polimeru artab. Ir-ripetizzjoni ta' dan il-proċess ta' trasferiment diversi drabi fuq l-istess sottostrat tagħti strutturi MGG.
(A) Illustrazzjoni skematika tal-proċedura ta' fabbrikazzjoni għall-MGGs bħala elettrodu li jista' jiġġebbed. Matul it-trasferiment tal-grafene, il-grafene ta' wara fuq il-fojl Cu nkiser fil-konfini u d-difetti, irrumblat f'forom arbitrarji, u mwaħħal sew mal-films ta' fuq, u fforma nanoscrolls. Ir-raba' kartun juri l-istruttura tal-MGG f'munzelli. (B u C) Karatterizzazzjonijiet TEM b'riżoluzzjoni għolja ta' MGG monolayer, b'fokus fuq il-grafene monolayer (B) u r-reġjun tal-iscroll (C), rispettivament. L-inserzjoni ta' (B) hija immaġni b'ingrandiment baxx li turi l-morfoloġija ġenerali tal-MGGs monolayer fuq il-grilja TEM. L-inserzjonijiet ta' (C) huma l-profili tal-intensità meħuda tul il-kaxxi rettangolari indikati fl-immaġni, fejn id-distanzi bejn il-pjani atomiċi huma 0.34 u 0.41 nm. (D) Spettru EEL tat-tarf K tal-karbonju bil-qċaċet grafitiċi karatteristiċi π* u σ* ittikkettati. (E) Immaġni AFM sezzjonali ta' scrolls G/G monolayer bi profil tal-għoli tul il-linja bit-tikek safra. (F sa I) Mikroskopija ottika u immaġni AFM ta' tliet saffi G mingħajr (F u H) u bi skrollijiet (G u I) fuq sottostrati SiO2/Si ta' ħxuna ta' 300 nm, rispettivament. Skrollijiet u tikmix rappreżentattivi ġew ittikkettati biex jenfasizzaw id-differenzi tagħhom.
Biex nivverifikaw li l-iskrollji huma grafene rrumblat fin-natura tagħhom, wettaqna studji ta' mikroskopija elettronika ta' trasmissjoni (TEM) b'riżoluzzjoni għolja u spettroskopija ta' telf ta' enerġija tal-elettroni (EEL) fuq l-istrutturi tal-iskrolljar top-G/G ta' saff wieħed. Il-Figura 1B turi l-istruttura eżagonali ta' grafene ta' saff wieħed, u l-inserzjoni hija morfoloġija ġenerali tal-film mgħotti fuq toqba waħda tal-karbonju tal-grilja TEM. Il-grafene ta' saff wieħed ikopri l-biċċa l-kbira tal-grilja, u jidhru xi qxur tal-grafene fil-preżenza ta' munzelli multipli ta' ċrieki eżagonali (Fig. 1B). Billi żżumjajna fuq skroll individwali (Fig. 1C), osservajna ammont kbir ta' truf tal-kannizzata tal-grafene, bl-ispazjar tal-kannizzata fil-medda ta' 0.34 sa 0.41 nm. Dawn il-kejl jissuġġerixxu li l-qxur huma rrumblati b'mod każwali u mhumiex grafit perfett, li għandu spazjar tal-kannizzata ta' 0.34 nm fl-istivar ta' saffi "ABAB". Il-Figura 1D turi l-ispettru tal-EEL tat-tarf K tal-karbonju, fejn il-quċċata f'285 eV toriġina mill-orbitali π* u l-oħra madwar 290 eV hija dovuta għat-tranżizzjoni tal-orbitali σ*. Jista' jidher li r-rabta sp2 tiddomina f'din l-istruttura, u dan jivverifika li l-iskrollijiet huma grafitiċi ħafna.
L-immaġini tal-mikroskopija ottika u tal-mikroskopija tal-forza atomika (AFM) jipprovdu għarfien dwar id-distribuzzjoni tan-nanoscrolls tal-grafene fl-MGGs (Fig. 1, E sa G, u l-figs. S1 u S2). L-iscrolls huma mqassma b'mod każwali fuq il-wiċċ, u d-densità tagħhom fil-pjan tiżdied proporzjonalment man-numru ta' saffi f'munzelli. Ħafna scrolls huma mħabbla f'għoqod u juru għoli mhux uniformi fil-medda ta' 10 sa 100 nm. Huma twal minn 1 sa 20 μm u wesgħin minn 0.1 sa 1 μm, skont id-daqsijiet tal-qxur inizjali tal-grafene tagħhom. Kif muri fil-Fig. 1 (H u I), l-iscrolls għandhom daqsijiet sinifikament akbar mit-tikmix, li jwasslu għal interfaċċja ħafna aktar imħarbta bejn is-saffi tal-grafene.
Biex inkejlu l-proprjetajiet elettriċi, iddisinjajna films tal-grafene bi jew mingħajr strutturi ta' skrolljar u stivar ta' saffi fi strixxi b'wisa' ta' 300 μm u tul ta' 2000 μm bl-użu tal-fotolitografija. Ir-reżistenzi b'żewġ sondi bħala funzjoni tat-tensjoni tkejlu f'kundizzjonijiet ambjentali. Il-preżenza ta' skrolljar naqqset ir-reżistività għall-grafene b'saff wieħed bi 80% b'tnaqqis ta' 2.2% biss fit-trażmittanza (fig. S4). Dan jikkonferma li n-nanoskrolljar, li għandu densità ta' kurrent għolja sa 5 × 107 A/cm2 (38, 39), jagħti kontribut elettriku pożittiv ħafna għall-MGGs. Fost il-grafene sempliċi u l-MGGs kollha b'saff wieħed, b'żewġ saffi, u bi tliet saffi, l-MGG bi tliet saffi għandu l-aħjar konduttanza b'trasparenza ta' kważi 90%. Biex inqabblu ma' sorsi oħra ta' grafen irrappurtati fil-letteratura, kejjilna wkoll ir-reżistenzi tal-folji b'erba' sondi (fig. S5) u elenkajnahom bħala funzjoni tat-trażmittanza f'550 nm (fig. S6) fil-Fig. 2A. L-MGG juri konduttività u trasparenza komparabbli jew ogħla mill-grafene sempliċi b'ħafna saffi f'munzelli artifiċjali u l-ossidu tal-grafene mnaqqas (RGO) (6, 8, 18). Innota li r-reżistenzi tal-folji tal-grafene sempliċi b'ħafna saffi f'munzelli artifiċjali mil-letteratura huma kemxejn ogħla minn dawk tal-MGG tagħna, probabbilment minħabba l-kundizzjonijiet ta' tkabbir mhux ottimizzati tagħhom u l-metodu ta' trasferiment.
(A) Reżistenzi ta' folji b'erba' sondi kontra t-trażmittanza f'550 nm għal diversi tipi ta' grafen, fejn kwadri suwed jindikaw MGGs mono-, bi-, u trilayer; ċrieki ħomor u trijangoli blu jikkorrispondu ma' grafen sempliċi b'ħafna saffi mkabbar fuq Cu u Ni mill-istudji ta' Li et al. (6) u Kim et al. (8), rispettivament, u sussegwentement trasferit fuq SiO2/Si jew kwarz; u trijangoli ħodor huma valuri għal RGO fi gradi ta' tnaqqis differenti mill-istudju ta' Bonaccorso et al. (18). (B u C) Bidla normalizzata fir-reżistenza ta' MGGs mono-, bi- u trilayer u G bħala funzjoni ta' tensjoni perpendikolari (B) u parallela (C) għad-direzzjoni tal-fluss tal-kurrent. (D) Bidla normalizzata fir-reżistenza ta' saff doppju G (aħmar) u MGG (iswed) taħt tagħbija ta' tensjoni ċiklika sa 50% tensjoni perpendikolari. (E) Bidla normalizzata fir-reżistenza ta' saff doppju G (aħmar) u MGG (iswed) taħt tagħbija ta' tensjoni ċiklika sa 90% tensjoni parallela. (F) Bidla normalizzata fil-kapaċitanza ta' G b'mono-, bi- u tri-layer u MGGs b'bi- u tri-layer bħala funzjoni tat-tensjoni. L-inserzjoni hija l-istruttura tal-kapaċitatur, fejn is-sottostrat tal-polimeru huwa SEBS u s-saff dielettriku tal-polimeru huwa s-SEBS ta' 2 μm ħxuna.
Biex nevalwaw il-prestazzjoni dipendenti fuq it-tensjoni tal-MGG, ittrasferijna l-grafina fuq sottostrati ta' elastomeru termoplastiku styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (wisa' ta' ~2 ċm u tul ta' ~5 ċm), u l-konduttività tkejlet hekk kif is-sottostrat ġie mġebbed (ara Materjali u Metodi) kemm perpendikolari kif ukoll parallel mad-direzzjoni tal-fluss tal-kurrent (Fig. 2, B u C). L-imġiba elettrika dipendenti fuq it-tensjoni tjiebet bl-inkorporazzjoni ta' nanoscrolls u żieda fin-numru ta' saffi tal-grafina. Pereżempju, meta t-tensjoni tkun perpendikolari għall-fluss tal-kurrent, għall-grafina monolayer, iż-żieda ta' scrolls żiedet it-tensjoni fil-ksur elettriku minn 5 sa 70%. It-tolleranza għat-tensjoni tal-grafina bi tliet saffi hija wkoll imtejba b'mod sinifikanti meta mqabbla mal-grafina monolayer. Bin-nanoscrolls, b'100% tensjoni perpendikolari, ir-reżistenza tal-istruttura bi tliet saffi tal-MGG żdiedet biss b'50%, meta mqabbla ma' 300% għall-grafina bi tliet saffi mingħajr scrolls. Il-bidla fir-reżistenza taħt tagħbija ċiklika tat-tensjoni ġiet investigata. Għal paragun (Fig. 2D), ir-reżistenzi ta' film tal-grafene b'saff doppju sempliċi żdiedu madwar 7.5 darbiet wara ~700 ċiklu b'50% tensjoni perpendikolari u baqgħu jiżdiedu mat-tensjoni f'kull ċiklu. Min-naħa l-oħra, ir-reżistenza ta' MGG b'saff doppju żdiedet biss madwar 2.5 darbiet wara ~700 ċiklu. Bl-applikazzjoni ta' sa 90% tensjoni tul id-direzzjoni parallela, ir-reżistenza tal-grafene bi tliet saffi żdiedet ~100 darba wara 1000 ċiklu, filwaqt li hija biss ~8 darbiet f'MGG bi tliet saffi (Fig. 2E). Ir-riżultati taċ-ċikliżmu huma murija fil-fig. S7. Iż-żieda relattivament aktar mgħaġġla fir-reżistenza tul id-direzzjoni parallela tat-tensjoni hija minħabba li l-orjentazzjoni tax-xquq hija perpendikolari għad-direzzjoni tal-fluss tal-kurrent. Id-devjazzjoni tar-reżistenza waqt it-tagħbija u l-ħatt tat-tensjoni hija dovuta għall-irkupru viskoelastiku tas-sottostrat elastomeru SEBS. Ir-reżistenza aktar stabbli tal-istrixxi MGG waqt iċ-ċikliżmu hija dovuta għall-preżenza ta' skrollji kbar li jistgħu jgħaqqdu l-partijiet maqsuma tal-grafene (kif osservat mill-AFM), u jgħinu biex tinżamm mogħdija ta' perkolazzjoni. Dan il-fenomenu taż-żamma tal-konduttività permezz ta' mogħdija ta' perkolazzjoni ġie rrappurtat qabel għal films tal-metall imxaqqaq jew semikondutturi fuq sottostrati tal-elastomeri (40, 41).
Biex nevalwaw dawn il-films ibbażati fuq il-grafina bħala elettrodi tal-bieb f'apparati li jiġġebbdu, għattejna s-saff tal-grafina b'saff dielettriku SEBS (ħxuna ta' 2 μm) u mmonitorjajna l-bidla fil-kapaċitanza dielettrika bħala funzjoni tat-tensjoni (ara l-Fig. 2F u l-Materjali Supplimentari għad-dettalji). Osservajna li l-kapaċitanzi b'elettrodi tal-grafina b'saff wieħed sempliċi u b'saff doppju naqsu malajr minħabba t-telf tal-konduttività fil-pjan tal-grafina. B'kuntrast, il-kapaċitanzi magħluqa minn MGGs kif ukoll il-grafina bi tliet saffi sempliċi wrew żieda fil-kapaċitanza bit-tensjoni, li hija mistennija minħabba t-tnaqqis fil-ħxuna dielettrika bit-tensjoni. Iż-żieda mistennija fil-kapaċitanza qablet tajjeb ħafna mal-istruttura MGG (fig. S8). Dan jindika li MGG huwa adattat bħala elettrodu tal-bieb għal transistors li jiġġebbdu.
Biex ninvestigaw aktar ir-rwol tal-iscroll tal-grafene 1D fuq it-tolleranza tat-tensjoni tal-konduttività elettrika u nikkontrollaw aħjar is-separazzjoni bejn is-saffi tal-grafene, użajna CNTs miksija bl-isprej biex nissostitwixxu l-iscrolls tal-grafene (ara l-Materjali Supplimentari). Biex nimitaw l-istrutturi tal-MGG, iddepożitajna tliet densitajiet ta' CNTs (jiġifieri, CNT1
(A sa C) Immaġnijiet AFM ta' tliet densitajiet differenti ta' CNTs (CNT1
Biex nifhmu aktar il-kapaċità tagħhom bħala elettrodi għal elettronika li tiġġebbed, investigajna sistematikament il-morfoloġiji ta' MGG u G-CNT-G taħt tensjoni. Il-mikroskopija ottika u l-mikroskopija elettronika tal-iskannjar (SEM) mhumiex metodi ta' karatterizzazzjoni effettivi għaliex it-tnejn li huma m'għandhomx kuntrast tal-kulur u s-SEM huwa soġġett għal artefatti tal-immaġni waqt l-iskannjar tal-elettroni meta l-grafene jkun fuq sottostrati tal-polimeru (figs. S9 u S10). Biex nosservaw in situ l-wiċċ tal-grafene taħt tensjoni, ġbarna kejl tal-AFM fuq MGGs bi tliet saffi u grafene sempliċi wara li ttrasferixnieh fuq sottostrati SEBS irqaq ħafna (~0.1 mm ħxuna) u elastiċi. Minħabba d-difetti intrinsiċi fil-grafene CVD u l-ħsara estrinsika matul il-proċess tat-trasferiment, ix-xquq inevitabbilment jiġu ġġenerati fuq il-grafene tensjoni, u biż-żieda fit-tensjoni, ix-xquq saru aktar densi (Fig. 4, A sa D). Skont l-istruttura tal-istivar tal-elettrodi bbażati fuq il-karbonju, ix-xquq juru morfoloġiji differenti (fig. S11) (27). Id-densità taż-żona tax-xquq (definita bħala ż-żona tax-xquq/ż-żona analizzata) tal-grafene b'ħafna saffi hija inqas minn dik tal-grafene b'saff wieħed wara t-tensjoni, li hija konsistenti maż-żieda fil-konduttività elettrika għall-MGGs. Min-naħa l-oħra, l-iskrollji spiss jiġu osservati bħala ponti fuq ix-xquq, u jipprovdu mogħdijiet konduttivi addizzjonali fil-film ittrattat. Pereżempju, kif immarkat fl-immaġni tal-Fig. 4B, skroll wiesa' qasam xquq fl-MGG bi tliet saffi, iżda l-ebda skroll ma ġie osservat fil-grafene sempliċi (Fig. 4, E sa H). Bl-istess mod, is-CNTs ukoll għaqqdu x-xquq fil-grafene (fig. S11). Id-densità taż-żona tax-xquq, id-densità taż-żona tal-iskrolljar, u l-ħruxija tal-films huma miġbura fil-qosor fil-Fig. 4K.
(A sa H) Immaġni AFM in situ ta' skrollijiet G/G bi tliet saffi (A sa D) u strutturi G bi tliet saffi (E sa H) fuq elastomeru SEBS irqiq ħafna (~0.1 mm ħxuna) b'0, 20, 60, u 100% tensjoni. Xquq u skrollijiet rappreżentattivi huma indikati bi vleġeġ. L-immaġnijiet AFM kollha huma f'żona ta' 15 μm × 15 μm, bl-użu tal-istess skala tal-kulur kif immarkat. (I) Ġeometrija ta' simulazzjoni ta' elettrodi tal-grafene monosaff immudellati fuq is-sottostrat SEBS. (J) Mappa tal-kontur ta' simulazzjoni tat-tensjoni logaritmika prinċipali massima fil-grafene monosaff u s-sottostrat SEBS b'20% tensjoni esterna. (K) Paragun tad-densità taż-żona tax-xquq (kolonna ħamra), id-densità taż-żona tal-iskrolljar (kolonna safra), u l-ħruxija tal-wiċċ (kolonna blu) għal strutturi differenti tal-grafene.
Meta l-films tal-MGG jiġu mġebbda, hemm mekkaniżmu addizzjonali importanti li permezz tiegħu l-iscrolls jistgħu jgħaqqdu reġjuni maqsuma tal-grafene, u b'hekk iżommu netwerk ta' perkolazzjoni. L-iscrolls tal-grafene huma promettenti għaliex jistgħu jkunu għexieren ta' mikrometri fit-tul u għalhekk kapaċi jgħaqqdu xquq li tipikament huma sa skala ta' mikrometru. Barra minn hekk, minħabba li l-iscrolls jikkonsistu minn saffi multipli ta' grafene, huwa mistenni li jkollhom reżistenza baxxa. B'paragun, netwerks CNT relattivament densi (trażmittanza aktar baxxa) huma meħtieġa biex jipprovdu kapaċità ta' bridging konduttiv komparabbli, peress li s-CNTs huma iżgħar (tipikament ftit mikrometri fit-tul) u inqas konduttivi mill-iscrolls. Min-naħa l-oħra, kif muri fil-fig. S12, filwaqt li l-grafene jinqasam waqt it-tiġbid biex jakkomoda t-tensjoni, l-iscrolls ma jinqasamx, u dan jindika li dan tal-aħħar jista' jkun qed jiżżerżaq fuq il-grafene sottostanti. Ir-raġuni li ma jixxququx x'aktarx hija dovuta għall-istruttura rrumblata, magħmula minn ħafna saffi ta' grafina (tul ta' ~1 sa 20 μm, wisa' ta' ~0.1 sa 1 μm, u għoli ta' ~10 sa 100 nm), li għandu modulu effettiv ogħla mill-grafina b'saff wieħed. Kif irrappurtat minn Green u Hersam (42), in-netwerks metalliċi tas-CNT (dijametru tat-tubu ta' 1.0 nm) jistgħu jiksbu reżistenzi baxxi tal-folji <100 ohms/sq minkejja r-reżistenza kbira tal-ġunzjoni bejn is-CNTs. Meta wieħed iqis li l-iscrolls tal-grafina tagħna għandhom wisa' ta' 0.1 sa 1 μm u li l-iscrolls G/G għandhom żoni ta' kuntatt ħafna akbar mis-CNTs, ir-reżistenza tal-kuntatt u ż-żona ta' kuntatt bejn il-grafina u l-iscrolls tal-grafina m'għandhomx ikunu fatturi limitanti biex tinżamm konduttività għolja.
Il-grafina għandha modulu ferm ogħla mis-sottostrat SEBS. Għalkemm il-ħxuna effettiva tal-elettrodu tal-grafina hija ferm inqas minn dik tas-sottostrat, l-ebusija tal-grafina mmultiplikata bil-ħxuna tagħha hija komparabbli ma' dik tas-sottostrat (43, 44), li tirriżulta f'effett moderat ta' gżira riġida. Simulajna d-deformazzjoni ta' grafina ħoxna 1 nm fuq sottostrat SEBS (ara l-Materjali Supplimentari għad-dettalji). Skont ir-riżultati tas-simulazzjoni, meta 20% tensjoni tiġi applikata esternament fuq is-sottostrat SEBS, it-tensjoni medja fil-grafina hija ~6.6% (Fig. 4J u fig. S13D), li hija konsistenti ma' osservazzjonijiet sperimentali (ara fig. S13). Qabbilna t-tensjoni fir-reġjuni tal-grafina b'disinn u s-sottostrat bl-użu ta' mikroskopija ottika u sibna li t-tensjoni fir-reġjun tas-sottostrat hija mill-inqas id-doppju tat-tensjoni fir-reġjun tal-grafina. Dan jindika li t-tensjoni applikata fuq il-mudelli tal-elettrodi tal-grafina tista' tkun limitata b'mod sinifikanti, u tifforma gżejjer riġidi tal-grafina fuq nett tas-SEBS (26, 43, 44).
Għalhekk, il-kapaċità tal-elettrodi MGG li jżommu konduttività għolja taħt tensjoni għolja x'aktarx hija permessa minn żewġ mekkaniżmi ewlenin: (i) L-iskrollji jistgħu jgħaqqdu reġjuni skonnettjati biex iżommu mogħdija ta' perkolazzjoni konduttiva, u (ii) il-folji/elastomeru tal-grafene b'ħafna saffi jistgħu jiżżerżqu fuq xulxin, li jirriżulta fi tnaqqis fit-tensjoni fuq l-elettrodi tal-grafene. Għal saffi multipli ta' grafene trasferit fuq elastomeru, is-saffi mhumiex imwaħħlin sew ma' xulxin, li jistgħu jiżżerżqu b'reazzjoni għat-tensjoni (27). L-iskrollji żiedu wkoll il-ħruxija tas-saffi tal-grafene, li tista' tgħin biex tiżdied is-separazzjoni bejn is-saffi tal-grafene u għalhekk tippermetti ż-żliq tas-saffi tal-grafene.
Apparati kollha tal-karbonju huma segwiti b'entużjażmu minħabba l-ispiża baxxa u l-produzzjoni għolja. Fil-każ tagħna, transistors kollha tal-karbonju ġew iffabbrikati bl-użu ta' bieb tal-grafene tal-qiegħ, kuntatt tas-sors/drejn tal-grafene tal-quċċata, semikonduttur CNT magħżul, u SEBS bħala dielettriku (Fig. 5A). Kif muri fil-Fig. 5B, apparat kollu tal-karbonju b'CNTs bħala s-sors/drejn u l-bieb (apparat tal-qiegħ) huwa aktar opak mill-apparat b'elettrodi tal-grafene (apparat ta' fuq). Dan għaliex in-netwerks CNT jeħtieġu ħxuna akbar u, konsegwentement, trasmittanzi ottiċi aktar baxxi biex jinkisbu reżistenzi tal-folja simili għal dawk tal-grafene (fig. S4). Il-Figura 5 (C u D) turi kurvi rappreżentattivi tat-trasferiment u l-output qabel it-tensjoni għal transistor magħmul b'elettrodi MGG b'saff doppju. Il-wisa' u t-tul tal-kanal tat-transistor mhux tensjoni kienu 800 u 100 μm, rispettivament. Il-proporzjon imkejjel mixgħul/mitfi huwa akbar minn 103 b'kurrenti mixgħula u mitfija fil-livelli ta' 10−5 u 10−8 A, rispettivament. Il-kurva tal-ħruġ turi reġimi lineari u ta' saturazzjoni ideali b'dipendenza ċara mill-vultaġġ tal-bieba, li tindika kuntatt ideali bejn is-CNTs u l-elettrodi tal-grafina (45). Ir-reżistenza tal-kuntatt bl-elettrodi tal-grafina ġiet osservata li hija aktar baxxa minn dik bil-film Au evaporat (ara l-fig. S14). Il-mobilità tas-saturazzjoni tat-transistor li jista' jiġi mġebbed hija madwar 5.6 cm2/Vs, simili għal dik tal-istess transistors CNT magħżula bil-polimeru fuq sottostrati Si riġidi b'SiO2 ta' 300-nm bħala saff dielettriku. Titjib ulterjuri fil-mobilità huwa possibbli b'densità tat-tubi ottimizzata u tipi oħra ta' tubi (46).
(A) Skema ta' transistor li jiġġebbed ibbażat fuq il-grafina. SWNTs, nanotubi tal-karbonju b'ħajt wieħed. (B) Ritratt tat-transistors li jiġġebbed magħmulin minn elettrodi tal-grafina (fuq) u elettrodi CNT (isfel). Id-differenza fit-trasparenza hija notevoli b'mod ċar. (Ċ u D) Kurvi tat-trasferiment u tal-ħruġ tat-transistor ibbażat fuq il-grafina fuq SEBS qabel it-tensjoni. (E u F) Kurvi tat-trasferiment, kurrent mixgħul u mitfi, proporzjon mixgħul/mitfi, u mobilità tat-transistor ibbażat fuq il-grafina f'tensjonijiet differenti.
Meta l-apparat trasparenti, kollu tal-karbonju, ġie mġebbed fid-direzzjoni parallela mad-direzzjoni tat-trasport taċ-ċarġ, ġiet osservata degradazzjoni minima sa 120% tensjoni. Matul it-tiġbid, il-mobilità naqset kontinwament minn 5.6 cm2/Vs b'0% tensjoni għal 2.5 cm2/Vs b'120% tensjoni (Fig. 5F). Qabbilna wkoll il-prestazzjoni tat-transistor għal tulijiet differenti tal-kanali (ara t-tabella S1). Notevolment, b'tensjoni kbira daqs 105%, dawn it-transistors kollha xorta wrew proporzjon għoli ta' mixgħul/mitfi (>103) u mobilità (>3 cm2/Vs). Barra minn hekk, ġbarna fil-qosor ix-xogħol reċenti kollu fuq it-transistors kollha tal-karbonju (ara t-tabella S2) (47–52). Billi ottimizzajna l-fabbrikazzjoni tal-apparat fuq l-elastomeri u nużaw MGGs bħala kuntatti, it-transistors kollha tal-karbonju tagħna juru prestazzjoni tajba f'termini ta' mobilità u isteresi kif ukoll li huma elastiċi ħafna.
Bħala applikazzjoni tat-transistor kompletament trasparenti u li jiġġebbed, użajnieh biex nikkontrollaw il-bdil ta' LED (Fig. 6A). Kif muri fil-Fig. 6B, l-LED aħdar jista' jidher b'mod ċar permezz tal-apparat kollu tal-karbonju li jiġġebbed imqiegħed direttament fuqu. Waqt li jiġġebbed għal ~100% (Fig. 6, C u D), l-intensità tad-dawl tal-LED ma tinbidilx, li hija konsistenti mal-prestazzjoni tat-transistor deskritta hawn fuq (ara l-filmat S1). Dan huwa l-ewwel rapport ta' unitajiet ta' kontroll li jiġġebbed magħmula bl-użu ta' elettrodi tal-grafina, li juru possibbiltà ġdida għall-elettronika tal-grafina li tiġġebbed.
(A) Ċirkwit ta' transistor biex iħaddem LED. GND, ground. (B) Ritratt tat-transistor tal-karbonju trasparenti u li jista' jiġi mġebbed b'0% tensjoni mmuntat 'il fuq minn LED aħdar. (Ċ) It-transistor trasparenti u li jista' jiġi mġebbed kollu tal-karbonju użat biex jixgħel l-LED qed jiġi mmuntat 'il fuq mill-LED b'0% (xellug) u ~100% tensjoni (lemin). Vleġeġ bojod jindikaw bħala l-markaturi sofor fuq l-apparat biex juru l-bidla fid-distanza li qed tiġi mġebbda. (D) Veduta tal-ġenb tat-transistor imġebbed, bl-LED imbuttat fl-elastomeru.
Bħala konklużjoni, żviluppajna struttura trasparenti tal-grafene konduttiva li żżomm konduttività għolja taħt tensjonijiet kbar bħala elettrodi li jiġġebbdu, permezz ta' nanoscrolls tal-grafene bejn saffi tal-grafene f'munzelli. Dawn l-istrutturi tal-elettrodi MGG b'żewġ u tliet saffi fuq elastomeru jistgħu jżommu 21 u 65%, rispettivament, tal-konduttivitajiet ta' tensjoni ta' 0% tagħhom f'tensjoni għolja sa 100%, meta mqabbla mat-telf komplet ta' konduttività f'tensjoni ta' 5% għal elettrodi tipiċi tal-grafene b'saff wieħed. Il-mogħdijiet konduttivi addizzjonali tal-iscrolls tal-grafene kif ukoll l-interazzjoni dgħajfa bejn is-saffi trasferiti jikkontribwixxu għall-istabbiltà superjuri tal-konduttività taħt tensjoni. Applikajna wkoll din l-istruttura tal-grafene biex nimanifatturaw transistors li jiġġebbdu kollha tal-karbonju. S'issa, dan huwa l-aktar transistor ibbażat fuq il-grafene li jiġġebbdu bl-aħjar trasparenza mingħajr l-użu ta' buckling. Għalkemm l-istudju preżenti twettaq biex jippermetti l-grafene għal elettronika li tiġġebbdu, nemmnu li dan l-approċċ jista' jiġi estiż għal materjali 2D oħra biex jippermetti elettronika 2D li tiġġebbdu.
Il-grafene CVD b'erja kbira tkabbar fuq fojls Cu sospiżi (99.999%; Alfa Aesar) taħt pressjoni kostanti ta' 0.5 mtorr b'50–SCCM (ċentimetru kubu standard kull minuta) CH4 u 20–SCCM H2 bħala prekursuri f'1000°C. Iż-żewġ naħat tal-fojl Cu kienu mgħottija b'grafene monolayer. Saff irqiq ta' PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) ġie spin-coated fuq naħa waħda tal-fojl Cu, u fforma struttura PMMA/G/fojl Cu/G. Sussegwentement, il-film kollu ġie mxarrab f'soluzzjoni ta' 0.1 M ammonju persulfat [(NH4)2S2O8] għal madwar sagħtejn biex tinqata' l-fojl Cu. Matul dan il-proċess, il-grafene ta' wara mhux protett l-ewwel inqasam tul il-konfini tal-qamħ u mbagħad irrumblat fi skrolli minħabba t-tensjoni tal-wiċċ. L-iskrolli ġew imwaħħla mal-film tal-grafene ta' fuq appoġġjat mill-PMMA, u fformaw skrolli PMMA/G/G. Il-films sussegwentement inħaslu f'ilma dejonizzat diversi drabi u tqiegħdu fuq sottostrat fil-mira, bħal sottostrat riġidu ta' SiO2/Si jew tal-plastik. Hekk kif il-film imwaħħal nixef fuq is-sottostrat, il-kampjun ġie mxarrab sekwenzjalment f'aċetun, 1:1 aċetun/IPA (alkoħol isopropiliku), u IPA għal 30 sekonda kull wieħed biex jitneħħa l-PMMA. Il-films ġew imsaħħna f'100°C għal 15-il minuta jew miżmuma f'vakwu matul il-lejl biex jitneħħa kompletament l-ilma maqbud qabel ma ġie trasferit saff ieħor ta' skroll G/G fuqu. Dan il-pass kien biex jiġi evitat li l-film tal-grafene jinqala' mis-sottostrat u biex tiġi żgurata kopertura sħiħa tal-MGGs waqt ir-rilaxx tas-saff trasportatur tal-PMMA.
Il-morfoloġija tal-istruttura MGG ġiet osservata bl-użu ta' mikroskopju ottiku (Leica) u mikroskopju elettroniku tal-iskannjar (1 kV; FEI). Mikroskopju tal-forza atomika (Nanoscope III, Digital Instrument) tħaddem fil-modalità tapping biex jiġu osservati d-dettalji tal-iskrollji G. It-trasparenza tal-film ġiet ittestjata permezz ta' spettrometru ultravjola-viżibbli (Agilent Cary 6000i). Għat-testijiet meta t-tensjoni kienet tul id-direzzjoni perpendikulari tal-fluss tal-kurrent, intużaw fotolitografija u plażma O2 biex jiġu mmudellati l-istrutturi tal-grafene fi strixxi (~300 μm wiesgħa u ~2000 μm twal), u elettrodi Au (50 nm) ġew depożitati termalment bl-użu ta' maskri dell fiż-żewġt itruf tan-naħa twila. L-istrixxi tal-grafene mbagħad tpoġġew f'kuntatt ma' elastomeru SEBS (~2 ċm wiesgħa u ~5 ċm twil), bl-assi twil tal-istrixxi parallel man-naħa qasira tas-SEBS segwit minn inċiżjoni BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) u indju tal-gallju ewtettiku (EGaIn) bħala kuntatti elettriċi. Għal testijiet ta' tensjoni parallela, strutturi tal-grafene mingħajr disinn (~5 × 10 mm) ġew trasferiti fuq sottostrati SEBS, b'assi twal paralleli man-naħa twila tas-sottostrat SEBS. Għaż-żewġ każijiet, il-G (mingħajr l-iskrollji G)/SEBS kollu ġie mġebbed tul in-naħa twila tal-elastomeru f'apparat manwali, u in situ, kejlna l-bidliet fir-reżistenza tagħhom taħt tensjoni fuq stazzjon tas-sonda b'analizzatur tas-semikondutturi (Keithley 4200-SCS).
It-transistors kollha tal-karbonju, li huma elastiċi ħafna u trasparenti, fuq sottostrat elastiku ġew iffabbrikati bil-proċeduri li ġejjin biex tiġi evitata ħsara mis-solvent organiku tad-dielettriku tal-polimeru u s-sottostrat. L-istrutturi MGG ġew trasferiti fuq SEBS bħala elettrodi tal-bieb. Biex jinkiseb saff dielettriku uniformi tal-polimeru b'film irqiq (ħxuna ta' 2 μm), soluzzjoni SEBS ta' toluene (80 mg/ml) ġiet miksija b'spin-coating fuq sottostrat SiO2/Si modifikat bl-octadecyltrichlorosilane (OTS) b'1000 rpm għal minuta. Il-film irqiq dielettriku jista' jiġi trasferit faċilment mill-wiċċ idrofobiku tal-OTS fuq is-sottostrat SEBS mgħotti bil-grafina kif ippreparat. Kondensatur jista' jsir billi jiġi depożitat elettrodu ta' fuq tal-metall likwidu (EGaIn; Sigma-Aldrich) biex tiġi ddeterminata l-kapaċitanza bħala funzjoni tat-tensjoni bl-użu ta' miter LCR (induttanza, kapaċitanza, reżistenza) (Agilent). Il-parti l-oħra tat-transistor kienet tikkonsisti minn CNTs semikondutturi magħżula bil-polimeru, wara l-proċeduri rrappurtati qabel (53). L-elettrodi tas-sors/drejn immudellati ġew iffabbrikati fuq sottostrati riġidi SiO2/Si. Sussegwentement, iż-żewġ partijiet, dielettriku/G/SEBS u CNTs/G/SiO2/Si mmudellati, ġew laminati ma' xulxin, u mxarrba f'BOE biex jitneħħa s-sottostrat riġidu SiO2/Si. Għalhekk, it-transistors kompletament trasparenti u li jistgħu jiġġebbdu ġew iffabbrikati. L-ittestjar elettriku taħt tensjoni sar fuq setup manwali ta' tiġbid bħala l-metodu msemmi qabel.
Materjal supplimentari għal dan l-artiklu huwa disponibbli fuq http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
figura S1. Immaġni ta' mikroskopija ottika ta' MGG b'saff wieħed fuq sottostrati SiO2/Si b'ingrandimenti differenti.
figura S4. Paragun tar-reżistenzi u t-trasmittanzi ta' żewġ folji ta' sonda @550 nm ta' grafene sempliċi mono-, bi- u tri-layer (kwadri suwed), MGG (ċrieki ħomor), u CNTs (trijangolu blu).
fig. S7. Bidla normalizzata fir-reżistenza ta' MGGs mono- u bi-saff (iswed) u G (aħmar) taħt tagħbija ta' deformazzjoni ċiklika ta' ~1000 sa 40 u 90% deformazzjoni parallela, rispettivament.
fig. S10. Immaġni SEM ta' MGG bi tliet saffi fuq elastomeru SEBS wara t-tensjoni, li turi salib twil ta' skrolljar fuq diversi xquq.
fig. S12. Immaġni AFM ta' MGG bi tliet saffi fuq elastomeru SEBS irqiq ħafna b'tensjoni ta' 20%, li turi li skroll qasmet xquq.
tabella S1. Mobbiltajiet ta' transistors tan-nanotubi tal-karbonju b'ħajt wieħed MGG b'saff doppju f'tulijiet differenti tal-kanali qabel u wara t-tensjoni.
Dan huwa artiklu b'aċċess miftuħ imqassam skont it-termini tal-liċenzja Creative Commons Attribution-NonCommercial, li tippermetti l-użu, id-distribuzzjoni, u r-riproduzzjoni fi kwalunkwe mezz, sakemm l-użu li jirriżulta ma jkunx għal vantaġġ kummerċjali u sakemm ix-xogħol oriġinali jiġi ċċitat kif suppost.
NOTA: Nitolbuk l-indirizz elettroniku tiegħek biss sabiex il-persuna li qed tirrakkomanda l-paġna lilha tkun taf li ridt li taraha, u li mhijiex posta mhux mixtieqa. Ma naqbdu l-ebda indirizz elettroniku.
Din il-mistoqsija hija biex tittestja jekk intix viżitatur uman jew le u biex tevita sottomissjonijiet awtomatizzati ta' spam.
Minn 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
Minn 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 Assoċjazzjoni Amerikana għall-Avvanz tax-Xjenza. Id-drittijiet kollha riżervati. AAAS hija sieħba ta' HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef u COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Ħin tal-pubblikazzjoni: 28 ta' Jannar 2021