Grafen gibi iki boyutlu malzemeler hem geleneksel yarı iletken uygulamalar hem de esnek elektroniklerdeki yeni ortaya çıkan uygulamalar için ilgi çekicidir. Bununla birlikte, grafenin yüksek gerilme mukavemeti, düşük gerginlikte kırılmaya neden olur ve bu da onun olağanüstü elektronik özelliklerinden gerilebilir elektroniklerde faydalanmayı zorlaştırır. Şeffaf grafen iletkenlerin gerilime bağlı mükemmel performansını sağlamak için, çok katmanlı grafen/grafen kaydırmaları (MGG'ler) olarak adlandırılan istiflenmiş grafen katmanları arasında grafen nano kaydırmaları oluşturduk. Gerilme altında bazı kaydırmalar, yüksek gerilimlerde mükemmel iletkenlik sağlayan süzülme ağını korumak için grafenin parçalanmış alanlarını köprüledi. Elastomerler üzerinde desteklenen üç katmanlı MGG'ler, akım akış yönüne dik olan %100 gerilimde orijinal iletkenliklerinin %65'ini korurken, nanoscroll'suz üç katmanlı grafen filmleri başlangıç iletkenliklerinin yalnızca %25'ini korudu. Elektrot olarak MGG'ler kullanılarak üretilen, tamamı karbondan oluşan gerilebilir bir transistör, >%90'lık bir geçirgenlik sergiledi ve %120 gerilimde (yük taşıma yönüne paralel) orijinal akım çıkışının %60'ını korudu. Bu son derece esnek ve şeffaf tamamen karbon transistörler, gelişmiş gerilebilir optoelektroniği mümkün kılabilir.
Gerilebilir şeffaf elektronikler, gelişmiş biyoentegre sistemlerde (1, 2) önemli uygulamaların yanı sıra, gelişmiş yumuşak robotlar ve ekranlar üretmek için gerilebilir optoelektroniklerle (3, 4) entegre olma potansiyeline sahip, büyüyen bir alandır. Grafen, atom kalınlığı, yüksek şeffaflık ve yüksek iletkenlik gibi son derece arzu edilen özellikleri sergiler, ancak gerilebilir uygulamalarda uygulanması, küçük gerinimlerde çatlama eğilimi nedeniyle engellenmiştir. Grafenin mekanik sınırlamalarının üstesinden gelmek, gerilebilir şeffaf cihazlarda yeni işlevsellik sağlayabilir.
Grafenin benzersiz özellikleri onu yeni nesil şeffaf iletken elektrotlar için güçlü bir aday haline getiriyor (5, 6). En yaygın kullanılan şeffaf iletken olan indiyum kalay oksit [ITO; %90 şeffaflıkta 100 ohm/kare (sq)], kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile büyütülen tek katmanlı grafen, benzer bir tabaka direnci (125 ohm/sq) ve şeffaflık (%97,4) kombinasyonuna sahiptir (5). Ayrıca grafen filmler ITO'ya göre olağanüstü esnekliğe sahiptir (7). Örneğin, plastik bir alt tabaka üzerinde iletkenliği, 0,8 mm (8) kadar küçük bir bükülme yarıçapı için bile korunabilir. Şeffaf, esnek bir iletken olarak elektriksel performansını daha da artırmak için önceki çalışmalar, tek boyutlu (1D) gümüş nanoteller veya karbon nanotüpler (CNT'ler) içeren grafen hibrit malzemeler geliştirmişti (9-11). Ayrıca grafen, karışık boyutlu heteroyapısal yarı iletkenler (2D toplu Si, 1D nanoteller/nanotüpler ve 0D kuantum noktaları gibi) (12), esnek transistörler, güneş pilleri ve ışık yayan diyotlar (LED'ler) (13) için elektrot olarak kullanılmıştır. –23).
Grafen esnek elektronikler için umut verici sonuçlar vermiş olsa da, gerilebilir elektroniklerdeki uygulaması mekanik özellikleri nedeniyle sınırlıdır (17, 24, 25); Grafenin düzlem içi sertliği 340 N/m'dir ve Young modülü 0,5 TPa'dır (26). Güçlü karbon-karbon ağı, uygulanan gerinim için herhangi bir enerji dağıtma mekanizması sağlamaz ve bu nedenle %5'ten daha az bir gerinimde kolayca çatlar. Örneğin, bir polidimetilsiloksan (PDMS) elastik substratına aktarılan CVD grafeni, iletkenliğini yalnızca %6'dan daha düşük gerilimde koruyabilir (8). Teorik hesaplamalar, farklı katmanlar arasındaki buruşma ve etkileşimin sertliği büyük ölçüde azaltması gerektiğini göstermektedir (26). Grafenin çoklu katmanlar halinde istiflenmesiyle, bu iki veya üç katmanlı grafenin %30 gerinime kadar gerilebildiği ve tek katmanlı grafenden 13 kat daha küçük direnç değişimi sergilediği bildirilmektedir (27). Bununla birlikte, bu gerilebilirlik hala en son teknolojiye sahip gerilebilir iletkenlere göre önemli ölçüde düşüktür (28, 29).
Transistörler gerilebilir uygulamalarda önemlidir çünkü gelişmiş sensör okuma ve sinyal analizine olanak sağlarlar (30, 31). Kaynak/drenaj elektrotları ve kanal malzemesi olarak çok katmanlı grafen içeren PDMS üzerindeki transistörler, %5'e kadar gerilime (32) kadar elektriksel işlevi koruyabilir; bu, giyilebilir sağlık izleme sensörleri ve elektronik cilt için gereken minimum değerin (~%50) önemli ölçüde altındadır (32). 33, 34). Son zamanlarda bir grafen kirigami yaklaşımı keşfedildi ve sıvı elektrolitle kaplanan transistör %240'a kadar uzatılabilir (35). Ancak bu yöntem, üretim sürecini zorlaştıran askıya alınmış grafen gerektirir.
Burada, grafen kaydırmalarını (~1 ila 20 μm uzunluğunda, ~0,1 ila 1 μm genişliğinde ve ~10 ila 100 nm yüksekliğinde) grafen katmanları arasına yerleştirerek oldukça gerilebilir grafen cihazları elde ediyoruz. Bu grafen kaydırmalarının, grafen tabakalarındaki çatlakları kapatmak için iletken yollar sağlayabileceğini, böylece gerilim altında yüksek iletkenliği koruyabileceğini varsayıyoruz. Grafen kaydırmaları ek sentez veya işlem gerektirmez; ıslak transfer işlemi sırasında doğal olarak oluşurlar. Çok katmanlı G/G (grafen/grafen) kaydırmalı (MGG'ler), grafen gerilebilir elektrotlar (kaynak/drenaj ve geçit) ve yarı iletken CNT'ler kullanarak, 120'ye kadar uzatılabilen son derece şeffaf ve oldukça gerilebilir tüm karbon transistörlerini göstermeyi başardık. % gerilim (yük taşıma yönüne paralel) ve orijinal akım çıkışının %60'ını korur. Bu şimdiye kadarki en esnek şeffaf karbon bazlı transistördür ve inorganik bir LED'i çalıştırmak için yeterli akımı sağlar.
Geniş alanlı şeffaf gerilebilir grafen elektrotları etkinleştirmek için Cu folyo üzerinde CVD'de yetiştirilen grafeni seçtik. Cu folyo, her iki tarafta grafenin büyümesine izin vererek G/Cu/G yapıları oluşturan bir CVD kuvars tüpünün ortasına asıldı. Grafeni aktarmak için, ilk önce grafenin bir tarafını korumak için ince bir poli (metil metakrilat) (PMMA) tabakasını döndürerek kapladık; buna üst taraf grafen adını verdik (grafenin diğer tarafı için tam tersi) ve ardından Filmin tamamı (PMMA/üst grafen/Cu/alt grafen), Cu folyoyu aşındırmak için (NH4)2S2O8 çözeltisine batırıldı. PMMA kaplaması olmayan alt taraftaki grafen, kaçınılmaz olarak dağlayıcının nüfuz etmesine izin veren çatlaklara ve kusurlara sahip olacaktır (36, 37). Şekil 1A'da gösterildiği gibi, yüzey geriliminin etkisi altında, salınan grafen alanları sarmallar halinde yuvarlandı ve ardından geri kalan üst G/PMMA filmine bağlandı. Üst G/G kaydırmaları SiO2/Si, cam veya yumuşak polimer gibi herhangi bir alt tabakaya aktarılabilir. Bu transfer işleminin aynı substrat üzerine birkaç kez tekrarlanması MGG yapılarını verir.
(A) Gerilebilir bir elektrot olarak MGG'ler için üretim prosedürünün şematik gösterimi. Grafen transferi sırasında, Cu folyo üzerindeki arka taraftaki grafen, sınırlarda ve kusurlarda kırıldı, rastgele şekillerde yuvarlandı ve üst filmlere sıkıca bağlanarak nanoscroll'lar oluşturuldu. Dördüncü karikatür istiflenmiş MGG yapısını göstermektedir. (B ve C) Sırasıyla tek katmanlı grafen (B) ve kaydırma (C) bölgesine odaklanan, tek katmanlı bir MGG'nin yüksek çözünürlüklü TEM karakterizasyonları. (B)'nin eki, TEM ızgarasındaki tek katmanlı MGG'lerin genel morfolojisini gösteren düşük büyütmeli bir görüntüdür. (C)'nin ekleri, resimde belirtilen dikdörtgen kutular boyunca alınan yoğunluk profilleridir; burada atomik düzlemler arasındaki mesafeler 0,34 ve 0,41 nm'dir. (D) Etiketli karakteristik grafitik π* ve σ* tepe noktalarına sahip Karbon K-kenar EEL spektrumu. (E) Sarı noktalı çizgi boyunca yükseklik profiline sahip tek katmanlı G/G kaydırmalarının kesit AFM görüntüsü. (F ila I) Sırasıyla 300 nm kalınlığında SiO2/Si substratlar üzerinde (F ve H) olmayan ve kaydırmalı (G ve I) üç katmanlı G'nin optik mikroskopisi ve AFM görüntüleri. Temsilci parşömenler ve kırışıklıklar, farklılıklarını vurgulamak için etiketlendi.
Kaydırmaların doğada haddelenmiş grafen olduğunu doğrulamak için, tek katmanlı üst G/G kaydırma yapıları üzerinde yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (TEM) ve elektron enerji kaybı (EEL) spektroskopisi çalışmaları gerçekleştirdik. Şekil 1B, tek katmanlı bir grafenin altıgen yapısını gösterir ve ek, TEM ızgarasının tek bir karbon deliği üzerinde kaplanan filmin genel bir morfolojisidir. Tek katmanlı grafen, ızgaranın çoğunu kaplar ve çok sayıda altıgen halka yığınının varlığında bazı grafen pulları görünür (Şekil 1B). Tek bir kaydırmayı yakınlaştırarak (Şekil 1C), kafes aralığı 0,34 ila 0,41 nm aralığında olan büyük miktarda grafen kafes saçakları gözlemledik. Bu ölçümler, pulların rastgele bir şekilde sarıldığını ve "ABAB" katman istiflemesinde 0,34 nm'lik bir kafes aralığına sahip olan mükemmel grafit olmadığını göstermektedir. Şekil 1D, karbon K-kenarı EEL spektrumunu gösterir; burada 285 eV'deki zirve π* yörüngesinden kaynaklanır ve 290 eV civarındaki diğer zirve ise σ* yörüngesinin geçişinden kaynaklanır. Bu yapıda sp2 bağının hakim olduğu görülebilir, bu da kaydırmaların oldukça grafitli olduğunu doğrular.
Optik mikroskopi ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri, MGG'lerdeki grafen nanokaydırmalarının dağılımı hakkında bilgi sağlar (Şekil 1, E'den G'ye ve şekiller S1 ve S2). Kaydırmalar yüzey üzerinde rastgele dağıtılır ve düzlem içi yoğunlukları, yığılmış katmanların sayısıyla orantılı olarak artar. Pek çok parşömen düğümlere dolanmıştır ve 10 ila 100 nm aralığında tekdüze olmayan yükseklikler sergiler. Başlangıçtaki grafen pullarının boyutlarına bağlı olarak 1 ila 20 μm uzunluğunda ve 0,1 ila 1 μm genişliğindedirler. Şekil 1'de (H ve I) gösterildiği gibi, kaydırmalar kırışıklıklardan önemli ölçüde daha büyük boyutlara sahiptir ve bu da grafen katmanları arasında çok daha pürüzlü bir arayüze yol açar.
Elektriksel özellikleri ölçmek için, fotolitografi kullanarak kaydırma yapılı veya kaydırmasız grafen filmleri ve katman istiflemesini 300 mikron genişliğinde ve 2000 mikron uzunluğunda şeritler halinde desenledik. Gerilimin bir fonksiyonu olarak iki prob direnci ortam koşulları altında ölçüldü. Kaydırmaların varlığı, tek katmanlı grafenin direncini %80 oranında azalttı ve geçirgenlikte yalnızca %2,2'lik bir azalma oldu (Şekil S4). Bu, 5 × 107 A/cm2'ye (38, 39) kadar yüksek akım yoğunluğuna sahip olan nanoscroll'ların MGG'lere çok olumlu bir elektriksel katkı yaptığını doğrulamaktadır. Tüm tek, iki ve üç katmanlı düz grafen ve MGG'ler arasında üç katmanlı MGG, neredeyse %90 şeffaflıkla en iyi iletkenliğe sahiptir. Literatürde bildirilen diğer grafen kaynaklarıyla karşılaştırmak için, ayrıca dört problu tabaka direncini de ölçtük (Şekil S5) ve bunları Şekil 2A'da 550 nm'de (Şekil S6) geçirgenliğin bir fonksiyonu olarak listeledik. MGG, yapay olarak istiflenmiş çok katmanlı düz grafen ve indirgenmiş grafen oksit (RGO) (6, 8, 18) ile karşılaştırılabilir veya daha yüksek iletkenlik ve şeffaflık gösterir. Literatürden yapay olarak istiflenmiş çok katmanlı düz grafenin tabaka dirençlerinin, muhtemelen optimize edilmemiş büyüme koşulları ve transfer yöntemi nedeniyle MGG'mizden biraz daha yüksek olduğunu unutmayın.
(A) Siyah karelerin mono-, bi- ve üç katmanlı MGG'leri ifade ettiği çeşitli grafen türleri için 550 nm'de geçirgenliğe karşı dört problu tabaka dirençleri; kırmızı daireler ve mavi üçgenler, Li ve arkadaşlarının çalışmalarından Cu ve Ni üzerinde büyütülmüş çok katmanlı düz grafene karşılık gelir. (6) ve Kim ve ark. (8) sırasıyla ve daha sonra SiO2/Si veya kuvars üzerine aktarılır; ve yeşil üçgenler Bonaccorso ve arkadaşlarının çalışmasından farklı indirgeme derecelerindeki RGO değerleridir. (18). (B ve C) Akım akış yönüne dik (B) ve paralel (C) gerilimin bir fonksiyonu olarak tek, iki ve üç katmanlı MGG'lerin ve G'nin normalleştirilmiş direnç değişimi. (D) %50'ye kadar dik gerinime kadar döngüsel gerinim yüklemesi altında iki katmanlı G (kırmızı) ve MGG'nin (siyah) normalleştirilmiş direnç değişimi. (E) Üç katmanlı G (kırmızı) ve MGG'nin (siyah) %90'a kadar paralel gerilime kadar döngüsel gerilim yüklemesi altında normalleştirilmiş direnç değişimi. (F) Tek, iki ve üç katmanlı G ile iki ve üç katmanlı MGG'lerin gerilimin bir fonksiyonu olarak normalleştirilmiş kapasitans değişimi. İç kısım, polimer substratın SEBS ve polimer dielektrik katmanın 2 mikron kalınlığında SEBS olduğu kapasitör yapısıdır.
MGG'nin suşa bağlı performansını değerlendirmek için, grafeni termoplastik elastomer stiren-etilen-butadien-stiren (SEBS) substratlara (~2 cm genişlik ve ~5 cm uzunluk) aktardık ve substrat gerildiğinde iletkenlik ölçüldü. (bkz. Malzemeler ve Yöntemler) akım akış yönüne hem dik hem de paraleldir (Şekil 2, B ve C). Gerinime bağlı elektriksel davranış, nano kaydırmaların eklenmesi ve artan sayıda grafen katmanıyla gelişti. Örneğin, tek katmanlı grafen için gerinim akım akışına dik olduğunda, kaydırmaların eklenmesi elektrik kırılmasındaki gerilimi %5'ten %70'e çıkardı. Üç katmanlı grafenin gerinim toleransı da tek katmanlı grafene kıyasla önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Nano kaydırmalarla, %100 dikey gerilimde, üç katmanlı MGG yapısının direnci, kaydırmasız üç katmanlı grafenin %300'üne kıyasla yalnızca %50 arttı. Döngüsel gerinim yüklemesi altında direnç değişimi araştırıldı. Karşılaştırma için (Şekil 2D), düz iki katmanlı bir grafen filmin dirençleri, %50 dik gerilimde ~700 döngüden sonra yaklaşık 7,5 kat arttı ve her döngüde gerilimle birlikte artmaya devam etti. Öte yandan, iki katmanlı MGG'nin direnci ~700 döngüden sonra yalnızca yaklaşık 2,5 kat arttı. Paralel yön boyunca %90'a kadar gerinim uygulandığında, üç katmanlı grafenin direnci 1000 döngüden sonra ~100 kat artarken, üç katmanlı bir MGG'de bu yalnızca ~8 kat artar (Şekil 2E). Bisiklet sonuçları Şekil 2'de gösterilmektedir. S7. Paralel gerinim yönü boyunca direncin göreceli olarak daha hızlı artması, çatlakların yönünün akım akış yönüne dik olmasından kaynaklanmaktadır. Yükleme ve boşaltma sırasındaki direnç sapması, SEBS elastomer substratının viskoelastik geri kazanımından kaynaklanmaktadır. Döngü sırasında MGG şeritlerinin daha kararlı direnci, grafenin çatlak kısımlarını (AFM tarafından gözlemlendiği gibi) köprüleyebilen ve süzülme yolunun korunmasına yardımcı olan büyük kaydırmaların varlığından kaynaklanmaktadır. İletkenliğin süzülme yolu ile korunması olgusu, elastomer substratlar üzerindeki çatlak metal veya yarı iletken filmler için daha önce rapor edilmişti (40, 41).
Bu grafen bazlı filmleri gerilebilir cihazlarda kapı elektrotları olarak değerlendirmek için, grafen katmanını bir SEBS dielektrik katmanla (2 mikron kalınlığında) kapladık ve dielektrik kapasitans değişimini gerilimin bir fonksiyonu olarak izledik (bkz. Şekil 2F ve Ek Malzemeler). detaylar). Düz tek katmanlı ve iki katmanlı grafen elektrotlarla kapasitansların, grafenin düzlem içi iletkenliğinin kaybı nedeniyle hızla azaldığını gözlemledik. Buna karşılık, MGG'ler ve düz üç katmanlı grafen tarafından kapılanan kapasitanslar, gerinim ile dielektrik kalınlığın azalması nedeniyle beklenen bir kapasitans artışı gösterdi. Kapasitansta beklenen artış MGG yapısıyla çok iyi eşleşti (Şekil S8). Bu, MGG'nin gerilebilir transistörler için kapı elektrotu olarak uygun olduğunu gösterir.
1D grafen kaydırmanın elektriksel iletkenliğin gerinim toleransı üzerindeki rolünü daha fazla araştırmak ve grafen katmanları arasındaki ayrımı daha iyi kontrol etmek için, grafen kaydırmaların yerine sprey kaplı CNT'ler kullandık (bkz. Ek Malzemeler). MGG yapılarını taklit etmek için üç yoğunlukta CNT (yani CNT1) biriktirdik.
(A'dan C'ye) Üç farklı CNT yoğunluğunun (CNT1) AFM görüntüleri
Gerilebilir elektronikler için elektrot olma yeteneklerini daha iyi anlamak için, MGG ve G-CNT-G'nin gerilim altındaki morfolojilerini sistematik olarak araştırdık. Optik mikroskopi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM), etkili karakterizasyon yöntemleri değildir çünkü her ikisi de renk kontrastından yoksundur ve SEM, grafen polimer substratlar üzerindeyken elektron taraması sırasında görüntü yapaylıklarına maruz kalır (Şekil S9 ve S10). Gerilme altındaki grafen yüzeyini yerinde gözlemlemek için, çok ince (~0,1 mm kalınlığında) ve elastik SEBS substratlarına aktarıldıktan sonra üç katmanlı MGG'ler ve düz grafen üzerinde AFM ölçümleri topladık. CVD grafendeki içsel kusurlar ve transfer işlemi sırasındaki dışsal hasar nedeniyle, gergin grafen üzerinde kaçınılmaz olarak çatlaklar oluşur ve artan gerilimle birlikte çatlaklar daha da yoğunlaşır (Şekil 4, A'dan D'ye). Karbon bazlı elektrotların istiflenme yapısına bağlı olarak çatlaklar farklı morfolojiler sergiler (Şekil S11) (27). Çok katmanlı grafenin çatlak alanı yoğunluğu (çatlak alanı/analiz edilen alan olarak tanımlanır), gerilmeden sonra tek katmanlı grafeninkinden daha azdır; bu, MGG'lerin elektrik iletkenliğindeki artışla tutarlıdır. Öte yandan, kaydırmaların sıklıkla çatlakları kapatarak gerilmiş filmde ek iletken yollar sağladığı gözlemlenir. Örneğin, Şekil 4B'deki görüntüde etiketlendiği gibi, üç katmanlı MGG'deki bir çatlağın üzerinden geniş bir kaydırma geçti, ancak düz grafende herhangi bir kaydırma gözlenmedi (Şekil 4, E'den H'ye). Benzer şekilde CNT'ler grafendeki çatlakları da köprüledi (Şekil S11). Filmlerin çatlak alanı yoğunluğu, kaydırma alanı yoğunluğu ve pürüzlülüğü Şekil 4K'da özetlenmiştir.
(A'dan H'ye) 0, 20, 60 ve 100'de çok ince bir SEBS (~0,1 mm kalınlığında) elastomer üzerinde üç katmanlı G/G kaydırmalarının (A'dan D'ye) ve üç katmanlı G yapılarının (E'den H'ye) yerinde AFM görüntüleri % gerilmek. Temsili çatlaklar ve tomarlar oklarla işaretlenmiştir. Tüm AFM görüntüleri, etiketlenenle aynı renk ölçeği çubuğunu kullanan 15 μm × 15 μm'lik bir alandadır. (I) SEBS substratı üzerindeki desenli tek katmanlı grafen elektrotların simülasyon geometrisi. (J) %20 dış gerilimde tek katmanlı grafen ve SEBS substratındaki maksimum temel logaritmik gerilimin simülasyon kontur haritası. (K) Farklı grafen yapıları için çatlak alanı yoğunluğunun (kırmızı sütun), kaydırma alanı yoğunluğunun (sarı sütun) ve yüzey pürüzlülüğünün (mavi sütun) karşılaştırılması.
MGG filmleri gerildiğinde, kaydırmaların grafenin çatlak bölgelerini köprüleyerek süzülme ağını koruyabilmesine yönelik önemli bir ek mekanizma ortaya çıkar. Grafen ruloları umut verici çünkü uzunlukları onlarca mikrometre olabiliyor ve bu nedenle genellikle mikrometre ölçeğine kadar olan çatlakları kapatabiliyorlar. Ayrıca kaydırmalar çok katmanlı grafen içerdiğinden düşük dirence sahip olmaları bekleniyor. Buna karşılık, CNT'ler daha küçük (tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda) ve kaydırmalardan daha az iletken olduğundan, karşılaştırılabilir iletken köprüleme kapasitesi sağlamak için nispeten yoğun (düşük geçirgenlik) CNT ağları gerekir. Öte yandan, Şekil 2'de gösterildiği gibi. S12, grafen gerilimi karşılamak için esneme sırasında çatlarken, kaydırmalar çatlamıyor, bu da ikincisinin alttaki grafen üzerinde kayıyor olabileceğini gösteriyor. Çatlamamalarının nedeni muhtemelen birçok grafen katmanından (~1 ila 20 μm uzunluğunda, ~0,1 ila 1 μm genişliğinde ve ~10 ila 100 nm yüksekliğinde) oluşan sarılmış yapıdan kaynaklanmaktadır. tek katmanlı grafenden daha yüksek etkili modül. Green ve Hersam (42) tarafından bildirildiği gibi, metalik CNT ağları (tüp çapı 1,0 nm), CNT'ler arasındaki büyük bağlantı direncine rağmen <100 ohm/sq düşük tabaka dirençlerine ulaşabilir. Grafen kaydırmalarımızın 0,1 ila 1 μm genişliğe sahip olduğu ve G/G kaydırmaların CNT'lerden çok daha büyük temas alanlarına sahip olduğu göz önüne alındığında, grafen ve grafen kaydırmalar arasındaki temas direnci ve temas alanı, yüksek iletkenliği korumak için sınırlayıcı faktörler olmamalıdır.
Grafen, SEBS substratından çok daha yüksek bir modüle sahiptir. Grafen elektrotun etkin kalınlığı alt tabakanınkinden çok daha düşük olmasına rağmen, grafenin sertliği çarpı kalınlığı alt tabakanınkiyle karşılaştırılabilir (43, 44), bu da orta derecede bir sert ada etkisi ile sonuçlanır. Bir SEBS substratı üzerinde 1 nm kalınlığında bir grafenin deformasyonunu simüle ettik (ayrıntılar için Ek Malzemelere bakınız). Simülasyon sonuçlarına göre, SEBS substratına harici olarak %20 gerinim uygulandığında, grafendeki ortalama gerinim ~%6,6'dır (Şekil 4J ve şekil S13D), bu da deneysel gözlemlerle tutarlıdır (bkz. Şekil S13) . Desenli grafen ve substrat bölgelerindeki gerilimi optik mikroskopi kullanarak karşılaştırdık ve substrat bölgesindeki gerilimin, grafen bölgesindeki gerilimin en az iki katı olduğunu bulduk. Bu, grafen elektrot desenlerine uygulanan gerilimin önemli ölçüde sınırlanabileceğini ve SEBS'nin üzerinde grafen sert adalar oluşturabileceğini gösteriyor (26, 43, 44).
Bu nedenle, MGG elektrotlarının yüksek gerilim altında yüksek iletkenliği koruma yeteneği muhtemelen iki ana mekanizma tarafından sağlanır: (i) Kaydırmalar, iletken bir süzülme yolunu sürdürmek için bağlantısız bölgeleri köprüleyebilir ve (ii) çok katmanlı grafen tabakaları/elastomer kayabilir. Bu da grafen elektrotlarda daha az gerilim oluşmasına neden olur. Elastomer üzerine aktarılan çok sayıda grafen katmanı için, katmanlar birbirine güçlü bir şekilde bağlanmaz, bu da gerilime yanıt olarak kayabilir (27). Kaydırmalar ayrıca grafen katmanlarının pürüzlülüğünü de arttırdı; bu, grafen katmanları arasındaki ayrımın artmasına yardımcı olabilir ve dolayısıyla grafen katmanlarının kaymasını sağlayabilir.
Tamamen karbonlu cihazlar, düşük maliyet ve yüksek verim nedeniyle heyecanla takip ediliyor. Bizim durumumuzda tamamı karbondan oluşan transistörler, bir alt grafen kapısı, bir üst grafen kaynağı/boşaltma kontağı, sıralanmış bir CNT yarı iletkeni ve bir dielektrik olarak SEBS kullanılarak üretildi (Şekil 5A). Şekil 5B'de gösterildiği gibi, kaynak/drenaj ve geçit olarak CNT'lere sahip tamamen karbonlu bir cihaz (alt cihaz), grafen elektrotlu cihaza (üst cihaz) göre daha opaktır. Bunun nedeni, CNT ağlarının, grafeninkine benzer tabaka dirençlerine ulaşmak için daha büyük kalınlıklara ve dolayısıyla daha düşük optik geçirgenliğe ihtiyaç duymasıdır (Şekil S4). Şekil 5 (C ve D), iki katmanlı MGG elektrotlarıyla yapılan bir transistör için gerilimden önceki temsili transfer ve çıkış eğrilerini gösterir. Gerilimsiz transistörün kanal genişliği ve uzunluğu sırasıyla 800 ve 100 μm idi. Ölçülen açma/kapama oranı, sırasıyla 10−5 ve 10−8 A düzeylerinde açma ve kapama akımlarıyla 103'ten büyüktür. Çıkış eğrisi, CNT'ler ve grafen elektrotlar (45) arasındaki ideal teması gösteren, net geçit voltajı bağımlılığı ile ideal doğrusal ve doygunluk rejimleri sergiler. Grafen elektrotlarla temas direncinin, buharlaştırılmış Au filme göre daha düşük olduğu gözlendi (bakınız şekil S14). Gerilebilir transistörün doyma hareketliliği yaklaşık 5,6 cm2/Vs'dir; dielektrik katman olarak 300 nm SiO2 içeren sert Si alt tabakaları üzerindeki aynı polimer-sınıflı CNT transistörlerinkine benzer. Optimize edilmiş tüp yoğunluğu ve diğer tüp türleri (46) ile hareketliliğin daha da geliştirilmesi mümkündür.
(A) Grafen bazlı gerilebilir transistörün şeması. SWNT'ler, tek duvarlı karbon nanotüpler. (B) Grafen elektrotlardan (üstte) ve CNT elektrotlardan (altta) yapılmış gerilebilir transistörlerin fotoğrafı. Şeffaflıktaki fark açıkça fark edilir. (C ve D) Grafen bazlı transistörün gerilmeden önce SEBS'deki aktarım ve çıkış eğrileri. (E ve F) Grafen bazlı transistörün farklı suşlarda transfer eğrileri, açık ve kapalı akımı, açık/kapalı oranı ve hareketliliği.
Şeffaf, tamamı karbondan oluşan cihaz, yük taşıma yönüne paralel yönde gerildiğinde %120 gerilime kadar minimum bozulma gözlemlendi. Esneme sırasında hareketlilik sürekli olarak %0 gerilimde 5,6 cm2/Vs'den %120 gerilimde 2,5 cm2/Vs'ye düştü (Şekil 5F). Ayrıca farklı kanal uzunlukları için transistör performansını da karşılaştırdık (bkz. Tablo S1). Dikkat çekici bir şekilde, %105 kadar büyük bir gerilimde, tüm bu transistörler hala yüksek bir açma/kapama oranı (>103) ve hareketlilik (>3 cm2/Vs) sergiledi. Ek olarak, tamamen karbon transistörler üzerine yapılan tüm son çalışmaları özetledik (bkz. Tablo S2) (47-52). Elastomerler üzerinde cihaz imalatını optimize ederek ve MGG'leri kontak olarak kullanarak, tamamı karbondan oluşan transistörlerimiz, oldukça esnek olmanın yanı sıra mobilite ve histerezis açısından iyi bir performans sergiliyor.
Tamamen şeffaf ve gerilebilir transistörün bir uygulaması olarak, bunu bir LED'in anahtarlamasını kontrol etmek için kullandık (Şekil 6A). Şekil 6B'de gösterildiği gibi, yeşil LED doğrudan yukarıya yerleştirilen gerilebilir tamamen karbon cihazdan net bir şekilde görülebilmektedir. ~%100'e kadar esneme sırasında (Şekil 6, C ve D), LED ışık yoğunluğu değişmez; bu, yukarıda açıklanan transistör performansıyla tutarlıdır (bkz. film S1). Bu, grafen elektrotlar kullanılarak yapılan gerilebilir kontrol ünitelerinin ilk raporu olup, grafen gerilebilir elektronikler için yeni bir olasılık ortaya koymaktadır.
(A) LED'i çalıştıran bir transistörün devresi. GND, toprak. (B) Yeşil bir LED'in üzerine monte edilmiş, %0 gerilimde gerilebilir ve şeffaf tamamen karbon transistörün fotoğrafı. (C) LED'i değiştirmek için kullanılan tamamı karbondan oluşan şeffaf ve gerilebilir transistör, LED'in üzerine %0 (solda) ve ~%100 gerilimde (sağda) monte ediliyor. Beyaz oklar, esnetilen mesafe değişimini göstermek için cihazdaki sarı işaretleyicileri işaret eder. (D) LED'in elastomerin içine itildiği, uzatılmış transistörün yandan görünümü.
Sonuç olarak, istiflenmiş grafen katmanları arasında grafen nanoscroll'ları sayesinde gerilebilir elektrotlar olarak büyük gerilimler altında yüksek iletkenliği koruyan şeffaf iletken bir grafen yapısı geliştirdik. Bir elastomer üzerindeki bu iki ve üç katmanlı MGG elektrot yapıları, tipik tek katmanlı grafen elektrotlar için %5 gerinimde tamamen iletkenlik kaybına kıyasla, %100 kadar yüksek bir gerinimde %0 gerinim iletkenliklerinin sırasıyla %21 ve %65'ini koruyabilir. . Grafen kaydırmalarının ek iletken yolları ve aktarılan katmanlar arasındaki zayıf etkileşim, gerilim altında üstün iletkenlik stabilitesine katkıda bulunur. Bu grafen yapısını ayrıca tamamen karbondan gerilebilir transistörler üretmek için uyguladık. Şu ana kadar bu, bükülme kullanmadan en iyi şeffaflığa sahip, en gerilebilir grafen bazlı transistördür. Her ne kadar bu çalışma grafenin gerilebilir elektronikler için etkinleştirilmesi amacıyla yapılmış olsa da, bu yaklaşımın gerilebilir 2 boyutlu elektronikleri mümkün kılmak için diğer 2 boyutlu malzemelere de genişletilebileceğine inanıyoruz.
Geniş alanlı CVD grafeni, 1000°C'de öncü olarak 50-SCCM (dakikada standart santimetre küp) CH4 ve 20-SCCM H2 ile 0,5 mtorr sabit basınç altında asılı Cu folyolar (%99,999; Alfa Aesar) üzerinde büyütüldü. Cu folyonun her iki tarafı da tek katmanlı grafen ile kaplandı. İnce bir PMMA tabakası (2000 rpm; A4, Microchem), Cu folyonun bir tarafında döndürülerek kaplandı ve bir PMMA/G/Cu folyo/G yapısı oluşturuldu. daha sonra tüm film, Cu folyoyu aşındırarak çıkarmak için yaklaşık 2 saat boyunca 0,1 M amonyum persülfat [(NH4)2S2O8] çözeltisine batırıldı. Bu işlem sırasında, korumasız arka taraftaki grafen, yüzey gerilimi nedeniyle önce tane sınırları boyunca yırtıldı ve ardından rulolar halinde yuvarlandı. Kaydırmalar PMMA destekli üst grafen filme bağlanarak PMMA/G/G kaydırmaları oluşturuldu. Filmler daha sonra birkaç kez deiyonize suyla yıkandı ve sert Si02/Si veya plastik substrat gibi bir hedef substrat üzerine yerleştirildi. Eklenen film substrat üzerinde kuruduktan hemen sonra numune, PMMA'yı çıkarmak için sırayla aseton, 1:1 aseton/IPA (izopropil alkol) ve IPA'ya 30 saniye boyunca batırıldı. Üzerine başka bir G/G kaydırma katmanı aktarılmadan önce filmler 100°C'de 15 dakika süreyle ısıtıldı veya sıkışan suyun tamamen çıkarılması için gece boyunca vakumda tutuldu. Bu adım, grafen filmin substrattan ayrılmasını önlemek ve PMMA taşıyıcı katmanın salınması sırasında MGG'lerin tam olarak kaplanmasını sağlamaktı.
MGG yapısının morfolojisi, bir optik mikroskop (Leica) ve bir taramalı elektron mikroskobu (1 kV; FEI) kullanılarak gözlemlendi. G kaydırmalarının ayrıntılarını gözlemlemek için bir atomik kuvvet mikroskobu (Nanoskop III, Dijital Enstrüman), dokunma modunda çalıştırıldı. Filmin şeffaflığı bir ultraviyole görünür spektrometre (Agilent Cary 6000i) ile test edildi. Gerilmenin akım akışının dik yönü boyunca olduğu testler için, grafen yapılarını şeritler halinde (~300 μm genişliğinde ve ~2000 μm uzunluğunda) modellemek için fotolitografi ve O2 plazması kullanıldı ve Au (50 nm) elektrotlar, kullanılarak termal olarak biriktirildi. uzun kenarın her iki ucunda da gölge maskeleri bulunur. Grafen şeritleri daha sonra bir SEBS elastomeriyle (~2 cm genişliğinde ve ~5 cm uzunluğunda), şeritlerin uzun ekseni SEBS'nin kısa tarafına paralel olacak şekilde ve ardından BOE (tamponlu oksit dağlama) (HF:H2O) ile temas ettirildi. 1:6) aşındırma ve elektrik kontakları olarak ötektik galyum indiyum (EGaIn). Paralel gerinim testleri için, desensiz grafen yapıları (~5 x 10 mm), uzun eksenler SEBS substratının uzun kenarına paralel olacak şekilde SEBS substratlarına aktarıldı. Her iki durumda da, G'nin tamamı (G kaydırmaları olmadan)/SEBS, manuel bir aparatta elastomerin uzun kenarı boyunca gerildi ve yerinde, bir yarı iletken analizör (Keithley 4200) ile bir prob istasyonunda gerilim altında direnç değişikliklerini ölçtük. -SCS).
Elastik bir substrat üzerindeki oldukça gerilebilir ve şeffaf tamamen karbon transistörler, polimer dielektrik ve substratın organik solvent hasarını önlemek için aşağıdaki prosedürlerle üretildi. MGG yapıları SEBS'e kapı elektrotları olarak aktarıldı. Düzgün bir ince film polimer dielektrik katman (2 mikron kalınlığında) elde etmek için, bir SEBS tolüen (80 mg/ml) çözeltisi, bir oktadesiltriklorosilan (OTS) ile modifiye edilmiş SiO2/Si substratı üzerinde 1000 rpm'de 1 dakika süreyle döndürülerek kaplandı. İnce dielektrik film, hidrofobik OTS yüzeyinden, hazırlanan grafenle kaplanmış SEBS substratına kolayca aktarılabilir. Bir LCR (endüktans, kapasitans, direnç) ölçer (Agilent) kullanılarak kapasitansı gerilimin bir fonksiyonu olarak belirlemek için bir sıvı metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) üst elektrodu yerleştirilerek bir kapasitör yapılabilir. Transistörün diğer kısmı, daha önce bildirilen prosedürler izlenerek, polimerle sınıflandırılmış yarı iletken CNT'lerden oluşuyordu (53). Desenli kaynak/drenaj elektrotları sert Si02/Si substratları üzerinde üretildi. Daha sonra, dielektrik/G/SEBS ve CNT'ler/desenli G/SiO2/Si olmak üzere iki parça birbirine lamine edildi ve sert SiO2/Si substratını çıkarmak için BOE'ye batırıldı. Böylece tamamen şeffaf ve gerilebilir transistörler üretildi. Gerilme altında elektriksel test, yukarıda bahsedilen yöntem gibi manuel bir germe düzeneğinde gerçekleştirildi.
Bu makaleye ilişkin ek materyale http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 adresinden ulaşılabilir.
incir. S1. SiO2/Si substratları üzerindeki tek katmanlı MGG'nin farklı büyütmelerde optik mikroskopi görüntüleri.
incir. S4. Tek, iki ve üç katmanlı düz grafenin (siyah kareler), MGG'nin (kırmızı daireler) ve CNT'lerin (mavi üçgen) 550 nm'de iki problu tabaka dirençleri ve geçirgenliklerinin karşılaştırılması.
incir. S7. Sırasıyla %40 ve %90 paralel gerilime kadar ~1000 döngüsel gerinim yüklemesi altında tek ve çift katmanlı MGG'lerin (siyah) ve G'nin (kırmızı) normalleştirilmiş direnç değişimi.
incir. S10. Gerilmeden sonra SEBS elastomeri üzerindeki üç katmanlı MGG'nin SEM görüntüsü, birkaç çatlak üzerinde uzun bir kaydırma çaprazını gösteriyor.
incir. S12. %20 gerinime sahip çok ince SEBS elastomeri üzerindeki üç katmanlı MGG'nin AFM görüntüsü, bir rulonun bir çatlağın üzerinden geçtiğini gösteriyor.
tablo S1. İki katmanlı MGG-tek duvarlı karbon nanotüp transistörlerin gerilimden önce ve sonra farklı kanal uzunluklarındaki hareketlilikleri.
Bu, Creative Commons Atıf-GayriTicari lisansının koşulları altında dağıtılan açık erişimli bir makaledir; sonuçta ortaya çıkan kullanım ticari avantaj sağlamadığı ve orijinal eserin uygun şekilde kullanılması koşuluyla, herhangi bir ortamda kullanıma, dağıtıma ve çoğaltmaya izin verir. Alıntı yapıldı.
NOT: E-posta adresinizi yalnızca sayfayı tavsiye ettiğiniz kişinin bu sayfayı görmesini istediğinizi ve bunun önemsiz posta olmadığını bilmesi için istiyoruz. Herhangi bir e-posta adresini yakalamıyoruz.
Bu soru, insan ziyaretçi olup olmadığınızı test etmek ve otomatik spam gönderimlerini önlemek içindir.
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
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 Amerikan Bilimi İlerletme Derneği. Her hakkı saklıdır. AAAS, HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ve COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548'in ortağıdır.
Gönderim zamanı: Ocak-28-2021