Grafen gibi iki boyutlu malzemeler, hem geleneksel yarı iletken uygulamaları hem de esnek elektronikteki yeni ortaya çıkan uygulamalar için çekicidir.Bununla birlikte, grafenin yüksek gerilme mukavemeti, düşük gerilmede kırılmaya neden olur ve gerilebilir elektronikte olağanüstü elektronik özelliklerinden yararlanmayı zorlaştırır.Şeffaf grafen iletkenlerinin mükemmel gerilime bağlı performansını sağlamak için, çok katmanlı grafen/grafen kaydırmaları (MGG'ler) olarak adlandırılan, yığınlanmış grafen katmanları arasında grafen nanoscroll'ler oluşturduk.Gerilim altında, bazı parşömenler, yüksek gerilimlerde mükemmel iletkenlik sağlayan bir süzülme ağı sürdürmek için parçalanmış grafen alanlarını köprüledi.Elastomerler üzerinde desteklenen üç katmanlı MGG'ler, akım akış yönüne dik olan %100 gerilimde orijinal iletkenliklerinin %65'ini korurken, nanoscroll içermeyen üç katmanlı grafen filmleri başlangıç iletkenliklerinin yalnızca %25'ini korudu.Elektrot olarak MGG'ler kullanılarak üretilen gerilebilir bir tamamen karbon transistör, > %90'lık bir geçirgenlik sergiledi ve orijinal akım çıkışının %60'ını %120 gerilimde (yük taşıma yönüne paralel) tuttu.Bu son derece gerilebilir ve şeffaf tamamen karbon transistörler, karmaşık gerilebilir optoelektronikleri mümkün kılabilir.
Gerilebilir şeffaf elektronikler, gelişmiş biyoentegre sistemlerde (1, 2) önemli uygulamaları olan ve ayrıca karmaşık yumuşak robotik ve ekranlar üretmek için gerilebilir optoelektronik (3, 4) ile entegre olma potansiyeline sahip büyüyen bir alandır.Grafen, atomik kalınlık, yüksek şeffaflık ve yüksek iletkenlik gibi oldukça arzu edilen özellikler sergiler, ancak gerilebilir uygulamalarda uygulanması, küçük gerilmelerde çatlama eğilimi nedeniyle engellenmiştir.Grafenin mekanik sınırlamalarının üstesinden gelmek, gerilebilir şeffaf cihazlarda yeni işlevsellik sağlayabilir.
Grafenin benzersiz özellikleri, onu yeni nesil şeffaf iletken elektrotlar (5, 6) için güçlü bir aday yapmaktadır.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).Ek olarak, grafen filmler ITO'ya (7) kıyasla olağanüstü esnekliğe sahiptir.Örneğin, plastik bir alt tabaka üzerinde iletkenliği, 0,8 mm kadar küçük bir bükülme yarıçapı için bile korunabilir (8).Şeffaf esnek bir iletken olarak elektrik performansını daha da artırmak için önceki çalışmalar, tek boyutlu (1D) gümüş nanoteller veya karbon nanotüpler (CNT'ler) (9-11) ile grafen hibrit malzemeler geliştirdi.Ayrıca, grafen, karışık boyutlu heterostrüktürel yarı iletkenler (2D toplu Si, 1D nanoteller/nanotüpler ve 0D kuantum noktaları gibi) (12), esnek transistörler, güneş pilleri ve ışık yayan diyotlar (LED'ler) için elektrotlar olarak kullanılmıştır (13 –23).
Grafen, esnek elektronikler için umut verici sonuçlar vermiş olsa da, gerilebilir elektroniklerdeki uygulaması, mekanik özellikleriyle sınırlandırılmıştır (17, 24, 25);grafen, 340 N/m'lik bir düzlem içi sertliğe ve 0.5 TPa'lık bir Young modülüne sahiptir ( 26).Güçlü karbon-karbon ağı, uygulanan gerinim için herhangi bir enerji dağıtma mekanizması sağlamaz ve bu nedenle, %5'ten daha az gerilimde kolayca çatlar.Örneğin, bir polidimetilsiloksan (PDMS) elastik substrat üzerine transfer edilen CVD grafen, iletkenliğini sadece %6'dan daha az gerilimde koruyabilir (8).Teorik hesaplamalar, farklı katmanlar arasındaki buruşma ve etkileşimin rijitliği güçlü bir şekilde azaltması gerektiğini göstermektedir (26).Grafenin birden fazla katmana istiflenmesiyle, bu iki veya üç katmanlı grafenin, tek katmanlı grafenden 13 kat daha küçük direnç değişimi sergileyerek %30 gerinmeye kadar gerilebilir olduğu bildirilmektedir (27).Bununla birlikte, bu gerilebilirlik, son teknoloji gerilebilir iletkenlere göre hala önemli ölçüde düşüktür (28, 29).
Transistörler, karmaşık sensör okuma ve sinyal analizine olanak sağladıkları için gerilebilir uygulamalarda önemlidir (30, 31).Kaynak/drenaj elektrotları ve kanal malzemesi olarak çok katmanlı grafenli PDMS üzerindeki transistörler, giyilebilir sağlık izleme sensörleri ve elektronik cilt için gereken minimum değerin (~%50) önemli ölçüde altında olan %5 zorlanma (32)'ye kadar elektriksel işlevi koruyabilir ( 33, 34).Son zamanlarda, bir grafen kirigami yaklaşımı araştırıldı ve bir sıvı elektrolit tarafından kapılı transistör %240'a kadar gerilebilir (35).Bununla birlikte, bu yöntem, üretim sürecini karmaşıklaştıran askıya alınmış grafen gerektirir.
Burada, grafen katmanları arasında grafen kaydırmalarını (~ 1 ila 20 μm uzunluğunda, ~ 0.1 ila 1 μm genişliğinde ve ~ 10 ila 100 nm yüksekliğinde) araya sokarak oldukça gerilebilir grafen cihazları elde ediyoruz.Bu grafen kaydırmalarının, grafen tabakalarındaki çatlakları köprülemek için iletken yollar sağlayabileceğini ve böylece gerilim altında yüksek iletkenliği koruyabileceğini varsayıyoruz.Grafen kaydırmaları ek sentez veya işlem gerektirmez;ıslak transfer prosedürü sırasında doğal olarak oluşurlar.Çok katmanlı G/G (grafen/grafen) kaydırmaları (MGG'ler) grafen gerilebilir elektrotlar (kaynak/dren ve geçit) ve yarı iletken CNT'ler kullanarak, 120'ye kadar gerilebilir, son derece şeffaf ve oldukça gerilebilir tamamen karbon transistörleri gösterebildik. % gerinim (yük taşıma yönüne paralel) ve orijinal akım çıktılarının % 60'ını korur.Bu, şimdiye kadarki en gerilebilir şeffaf karbon bazlı transistördür ve inorganik bir LED'i sürmek için yeterli akım sağlar.
Geniş alanlı şeffaf gerilebilir grafen elektrotları etkinleştirmek için Cu folyo üzerinde CVD ile yetiştirilen grafeni seçtik.Cu folyo, her iki tarafta grafenin büyümesine izin vermek için bir CVD kuvars tüpünün merkezinde süspanse edildi ve G/Cu/G yapıları oluşturdu.Grafeni transfer etmek için, 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 tersi) ve ardından, tüm film (PMMA/üst grafen/Cu/alt grafen), Cu folyoyu aşındırmak için (NH4)2S2O8 çözeltisine batırıldı.PMMA kaplaması olmayan alt taraftaki grafen, kaçınılmaz olarak bir aşındırıcının nüfuz etmesine izin veren çatlaklara ve kusurlara sahip olacaktır (36, 37).Şekil 1A'da gösterildiği gibi, yüzey geriliminin etkisi altında, serbest bırakılan grafen alanları, rulo halinde sarılır ve ardından kalan üst G/PMMA filmine eklenir.Top-G/G kaydırmaları, Si02/Si, cam veya yumuşak polimer gibi herhangi bir alt tabakaya aktarılabilir.Bu transfer işlemini aynı substrat üzerinde birkaç kez tekrarlamak, MGG yapıları verir.
(A) MGG'ler için üretim prosedürünün gerilebilir bir elektrot olarak şematik gösterimi.Grafen transferi sırasında, Cu folyo üzerindeki arka taraftaki grafen sınırlarda ve kusurlarda kırıldı, keyfi şekillere yuvarlandı ve üst filmlere sıkıca bağlanarak nanoscroll'ler oluşturdu.Dördüncü karikatür, yığılmış 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, atom düzlemleri arasındaki mesafelerin 0,34 ve 0,41 nm olduğu, resimde gösterilen dikdörtgen kutular boyunca alınan yoğunluk profilleridir.(D) Karakteristik grafitik π* ve σ* pikleri ile etiketlenmiş karbon K-kenarlı yılan balığı tayfı.(E) Sarı noktalı çizgi boyunca bir yükseklik profili ile tek katmanlı G/G kaydırmalarının Kesit AFM görüntüsü.(F ila I) Sırasıyla 300 nm kalınlığında SiO2/Si substratlar üzerinde (F ve H) ve kaydırmalı (G ve I) üç katmanlı G'nin optik mikroskopisi ve AFM görüntüleri.Temsili parşömenler ve kırışıklıklar, farklılıklarını vurgulamak için etiketlendi.
Parşömenlerin 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 yaptık.Şekil 1B, tek katmanlı bir grafenin altıgen yapısını gösterir ve iç kısım, TEM ızgarasının tek bir karbon deliği üzerinde kaplanmış filmin genel bir morfolojisidir.Tek katmanlı grafen, ızgaranın çoğunu kaplar ve birden fazla altıgen halka yığınının varlığında bazı grafen pulları görünür (Şekil 1B).Tek bir kaydırmaya yakınlaştırarak (Şekil 1C), kafes aralığı 0.34 ila 0.41 nm aralığında olan büyük miktarda grafen kafes saçakları gözlemledik.Bu ölçümler, pulların rastgele toplandığını ve “ABAB” katman istifinde 0.34 nm kafes aralığına sahip mükemmel grafit olmadığını göstermektedir.Şekil 1D, 285 eV'deki tepenin π* orbitalinden kaynaklandığı ve 290 eV civarındaki diğerinin σ* orbitalinin geçişinden kaynaklandığı karbon K-kenarlı EEL spektrumunu göstermektedir.Bu yapıda sp2 bağının baskın olduğu görülebilir ve bu da scroll'ların oldukça grafitik olduğunu doğrular.
Optik mikroskopi ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) görüntüleri, MGG'lerde grafen nanoscroll'lerin dağılımı hakkında bilgi sağlar (Şekil 1, E'den G'ye ve şekil S1 ve S2).Parşömenler yüzey üzerinde rastgele dağıtılır ve düzlem içi yoğunlukları yığılmış katmanların sayısıyla orantılı olarak artar.Birçok parşömen düğümler halinde birbirine dolanmıştır ve 10 ila 100 nm aralığında eşit olmayan yükseklikler sergiler.İlk 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, tomarlar 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 300 μm genişliğinde ve 2000 μm uzunluğunda şeritler halinde kaydırma yapıları ve katman istiflemesi olan veya olmayan grafen filmleri desenledik.Gerilimin bir fonksiyonu olarak iki problu dirençler, ortam koşulları altında ölçülmüştür.Parşömenlerin varlığı, geçirgenlikte sadece %2.2'lik bir düşüşle tek katmanlı grafen direncini %80 oranında azalttı (şekil S4).Bu, 5 × 107 A/cm2'ye (38, 39 ) kadar yüksek akım yoğunluğuna sahip nanoscroll'lerin MGG'lere çok olumlu bir elektriksel katkı sağladığını doğrulamaktadır.Tüm tek, çift ve üç katmanlı düz grafen ve MGG'ler arasında, üç katmanlı MGG, neredeyse %90'lık bir şeffaflık ile en iyi iletkenliğe sahiptir.Literatürde bildirilen diğer grafen kaynaklarıyla karşılaştırmak için, dört problu levha dirençlerini de ölçtük (şekil S5) ve bunları Şekil 2A'da 550 nm'de (şekil S6) geçirgenliğin bir fonksiyonu olarak listeledik.MGG, yapay olarak yığılmış çok katmanlı düz grafen ve indirgenmiş grafen oksitten (RGO) (6, 8, 18) kıyasla karşılaştırılabilir veya daha yüksek iletkenlik ve şeffaflık gösterir.Literatürdeki yapay olarak yığılmış çok katmanlı düz grafenin tabaka dirençlerinin, muhtemelen optimize edilmemiş büyüme koşulları ve transfer yöntemi nedeniyle MGG'mizinkinden biraz daha yüksek olduğuna dikkat edin.
(A) Siyah karelerin tek, çift ve üç katmanlı MGG'leri gösterdiği çeşitli grafen türleri için 550 nm'de geçirgenliğe karşı dört prob levha direnci;kırmızı daireler ve mavi üçgenler, Li ve diğerlerinin çalışmalarından Cu ve Ni üzerinde büyütülen çok katmanlı düz grafene karşılık gelir.(6) ve Kim ve diğerleri.(8) sırasıyla ve daha sonra SiO2/Si veya kuvars üzerine aktarılır;ve yeşil üçgenler, Bonaccorso ve diğerlerinin çalışmasından farklı indirgeme derecelerinde RGO için değerlerdir.(18).(B ve C) Tek, çift ve üç katmanlı MGG'ler ve G'nin akım akış yönüne dik (B) ve paralel (C) gerilimin bir fonksiyonu olarak normalleştirilmiş direnç değişimi.(D) %50'ye varan dikey gerilmeye kadar döngüsel gerinim yüklemesi altında çift katmanlı G (kırmızı) ve MGG'nin (siyah) normalleştirilmiş direnç değişimi.(E) %90 paralel gerilime kadar döngüsel gerinim yüklemesi altında üç katmanlı G (kırmızı) ve MGG'nin (siyah) normalleştirilmiş direnç değişimi.( F) Bir gerilim fonksiyonu olarak tek, çift ve üç katmanlı G ve iki ve üç katmanlı MGG'lerin normalleştirilmiş kapasitans değişimi.İç kısım, polimer substratın SEBS ve polimer dielektrik tabakasının 2 um kalınlığında SEBS olduğu kapasitör yapısıdır.
MGG'nin gerilime bağlı performansını değerlendirmek için, grafeni termoplastik elastomer stiren-etilen-bütadien-stiren (SEBS) substratlarına (~2 cm genişliğinde ve ~5 cm uzunluğunda) aktardık ve substrat gerilirken iletkenlik ölçüldü. (bkz. Malzemeler ve Yöntemler) akım akış yönüne hem dik hem de paralel (Şekil 2, B ve C).Gerilme bağımlı elektriksel davranış, nanoscroll'lerin dahil edilmesi ve artan sayıda grafen katmanı ile iyileştirildi.Örneğin, gerilim akım akışına dik olduğunda, tek katmanlı grafen için, kaydırmaların eklenmesi elektriksel kırılmadaki gerilimi %5'ten %70'e yükseltti.Üç katmanlı grafenin gerilim toleransı da tek katmanlı grafen ile karşılaştırıldığında önemli ölçüde iyileştirilmiştir.Nanoscroll'lerle, %100 dik gerilimde, üç katmanlı MGG yapısının direnci, kaydırmasız üç katmanlı grafen için %300'e kıyasla yalnızca %50 arttı.Döngüsel gerinim yükü altında direnç değişimi incelenmiştir.Karşılaştırma için (Şekil 2D), düz çift katmanlı grafen filmin dirençleri, ~700 döngüden sonra %50 dikey gerinim ile yaklaşık 7.5 kat arttı ve her döngüde gerinimle birlikte artmaya devam etti.Öte yandan, iki katmanlı bir MGG'nin direnci ~700 döngüden sonra sadece yaklaşık 2,5 kat arttı.Paralel yön boyunca %90'a kadar gerinim uygulayarak, üç katmanlı grafenin direnci 1000 döngüden sonra ~100 kat artarken, üç katmanlı MGG'de sadece ~8 kat arttı (Şekil 2E).Bisiklet sonuçları, Şek.S7.Paralel gerinim yönü boyunca nispeten daha hızlı olan direnç artışı, çatlakların yöneliminin akım akış yönüne dik olmasından kaynaklanmaktadır.Yükleme ve boşaltma gerilimi sırasında direncin sapması, SEBS elastomer substratının viskoelastik geri kazanımından kaynaklanmaktadır.Döngü sırasında MGG şeritlerinin daha kararlı direnci, grafenin çatlak kısımlarını köprüleyebilen (AFM tarafından gözlemlendiği gibi) büyük kaydırmaların varlığından kaynaklanır ve bu, bir süzülme yolunun korunmasına yardımcı olur.Süzülen bir yol ile iletkenliğin korunmasına ilişkin bu fenomen, elastomer substratlar (40, 41) üzerindeki çatlamış metal veya yarı iletken filmler için daha önce rapor edilmiştir.
Bu grafen bazlı filmleri gerilebilir cihazlarda kapı elektrotları olarak değerlendirmek için, grafen katmanını bir SEBS dielektrik katmanıyla (2 μm kalınlığında) kapladık ve suşun bir fonksiyonu olarak dielektrik kapasitans değişimini izledik (bkz. detaylar).Düz tek katmanlı ve çift katmanlı grafen elektrotlarla kapasitansların, grafenin düzlem içi iletkenliğinin kaybı nedeniyle hızla azaldığını gözlemledik.Buna karşılık, MGG'lerin yanı sıra düz üç katmanlı grafen tarafından kapılanan kapasitanslar, gerilme ile dielektrik kalınlığındaki azalma nedeniyle beklenen, gerilme ile kapasitans artışı gösterdi.Kapasitansta beklenen artış, MGG yapısıyla çok iyi eşleşti (şekil S8).Bu, MGG'nin gerilebilir transistörler için bir kapı elektrotu olarak uygun olduğunu gösterir.
1D grafen kaydırmanın elektriksel iletkenliğin gerilme toleransı üzerindeki rolünü daha fazla araştırmak ve grafen katmanları arasındaki ayrımı daha iyi kontrol etmek için grafen kaydırmalarını değiştirmek için sprey kaplı CNT'ler kullandık (bkz.MGG yapılarını taklit etmek için üç yoğunlukta CNT (yani, CNT1
(A'dan C'ye) CNT'lerin (CNT1) üç farklı yoğunluğunun AFM görüntüleri
Gerilebilir elektronikler için elektrotlar olarak yeteneklerini daha iyi anlamak için, MGG ve G-CNT-G'nin morfolojilerini gerilim altında 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 artefaktlarına 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 grafenindeki içsel kusurlar ve transfer işlemi sırasında dış hasar nedeniyle, gergin grafen üzerinde kaçınılmaz olarak çatlaklar oluşur ve artan gerilimle birlikte çatlaklar daha yoğun hale gelir (Şekil 4, A'dan D'ye).Karbon bazlı elektrotların yığın yapısına bağlı olarak, çatlaklar farklı morfolojiler sergiler (Şekil S11) (27).Çok katmanlı grafenin çatlak alanı yoğunluğu (çatlak alanı/analiz alanı olarak tanımlanır), gerilmeden sonra tek katmanlı grafenden daha azdır, bu da MGG'ler için elektriksel iletkenlikteki artışla tutarlıdır.Öte yandan, kaydırmaların genellikle çatlakları köprülediği ve gergin filmde ek iletken yollar sağladığı gözlenir.Örneğin, Şekil 4B'deki görüntüde etiketlendiği gibi, geniş bir kaydırma, üç katmanlı MGG'deki bir çatlağın üzerinden geçti, ancak düz grafende herhangi bir kaydırma gözlenmedi (Şekil 4, E'den H'ye).Benzer şekilde, CNT'ler de grafendeki çatlakları 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 üzerindeki üç katmanlı G/G kaydırmalarının (A'dan D'ye) ve üç katmanlı G yapılarının (E'den H'ye) yerinde AFM görüntüleri % Gerginlik.Temsili çatlaklar ve parşömenler oklarla gösterilmiştir.Tüm AFM görüntüleri, etiketlenenle aynı renk ölçeği çubuğunu kullanarak 15 μm × 15 μm'lik bir alandadır.(I) SEBS substratı üzerindeki desenli tek katmanlı grafen elektrotların simülasyon geometrisi.(J) Tek tabakalı grafen ve SEBS substratındaki maksimum temel logaritmik suşun simülasyon kontur haritası, %20 harici zorlanmada.(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 köprüleyebilmesi ve bir sızıntı ağı sürdürebilmesi gibi önemli bir ek mekanizma vardır.Grafen parşömenleri, onlarca mikrometre uzunluğunda olabildikleri ve bu nedenle tipik olarak mikrometre ölçeğine kadar olan çatlakları köprüleyebildikleri için umut vericidir.Ayrıca, parşömenler çok katmanlı grafenden oluştuğu için düşük dirençli olmaları bekleniyor.Karşılaştırıldığında, CNT'ler daha küçük (tipik olarak birkaç mikrometre uzunluğunda) ve scroll'lardan daha az iletken olduğundan, karşılaştırılabilir iletken köprüleme kapasitesi sağlamak için nispeten yoğun (daha düşük geçirgenlikli) CNT ağları gereklidir.Öte yandan, Şek.S12, grafen gerilmeyi karşılamak için germe sırasında çatlarken, kaydırmalar çatlamaz, bu ikincisinin alttaki grafen üzerinde kayıyor olabileceğini gösterir.Çatlamamalarının nedeni, muhtemelen birçok grafen katmanından (~1 ila 2 0 μm uzunluğunda, ~0,1 ila 1 μm genişliğinde ve ~10 ila 100 nm yüksekliğinde) oluşan kıvrılmış 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 levha dirençleri elde edebilir.Grafen kaydırmalarımızın 0,1 ila 1 μm genişliğe sahip olduğu ve G/G kaydırmalarının CNT'lerden çok daha büyük temas alanlarına sahip olduğu göz önüne alındığında, grafen ve grafen kaydırmaları arasındaki temas direnci ve temas alanı, yüksek iletkenliği korumak için sınırlayıcı faktörler olmamalıdır.
Grafen, SEBS substratından çok daha yüksek bir modüle sahiptir.Grafen elektrotunun etkili kalınlığı, alt tabakanınkinden çok daha düşük olmasına rağmen, grafenin kalınlığının katılığı, alt tabakanınkiyle karşılaştırılabilir (43, 44), bu da orta derecede bir rijit ada etkisi ile sonuçlanır.Bir SEBS substratı üzerinde 1 nm kalınlığında bir grafenin deformasyonunu simüle ettik (ayrıntılar için Ek Malzemelere bakın).Simülasyon sonuçlarına göre, SEBS substratına harici olarak %20 zorlama uygulandığında, grafendeki ortalama gerilme ~%6.6'dır (Şekil 4J ve şekil S13D), bu deneysel gözlemlerle tutarlıdır (bakınız şekil S13) .Optik mikroskop kullanarak desenli grafen ve substrat bölgelerindeki gerilimi karşılaştırdık ve substrat bölgesindeki gerginliğin grafen bölgesindeki gerginliğin en az iki katı olduğunu bulduk.Bu, grafen elektrot modellerine uygulanan suşun, SEBS'nin (26, 43, 44) üzerinde grafen sert adalar oluşturarak önemli ölçüde sınırlandırılabileceğini gösterir.
Bu nedenle, MGG elektrotlarının yüksek gerilim altında yüksek iletkenliği koruma yeteneği muhtemelen iki ana mekanizma tarafından sağlanır: (i) Scroll'lar, iletken bir süzülme yolunu sürdürmek için bağlantısız bölgeleri köprüleyebilir ve (ii) çok katmanlı grafen levhalar/elastomer kayabilir grafen elektrotlar üzerinde azaltılmış gerilim ile sonuçlanır.Elastomer üzerinde transfer edilen çoklu grafen katmanları için, katmanlar birbirine güçlü bir şekilde bağlı değildir, bu da zorlanmaya tepki olarak kayabilir (27).Parşömenler ayrıca grafen katmanlarının pürüzlülüğünü de arttırdı, bu da grafen katmanları arasındaki ayrımı artırmaya yardımcı olabilir ve bu nedenle grafen katmanlarının kaymasını mümkün kılar.
Tüm karbonlu cihazlar, düşük maliyet ve yüksek verim nedeniyle hevesle takip edilmektedir.Bizim durumumuzda, tamamen karbonlu transistörler, bir alt grafen kapısı, bir üst grafen kaynağı/drenaj kontağı, sıralanmış bir CNT yarı iletkeni ve bir dielektrik olarak SEBS kullanılarak üretildi (Şekil 5A).Şekil 5B'de gösterildiği gibi, kaynak/drenaj ve kapı (alt cihaz) olarak CNT'lere sahip tamamen karbonlu bir cihaz, grafen elektrotlu cihazdan (üst cihaz) daha opaktır.Bunun nedeni, CNT ağlarının grafene benzer tabaka dirençleri elde etmek için daha büyük kalınlıklar ve dolayısıyla daha düşük optik geçirgenlikler gerektirmesidir (şekil S4).Şekil 5 (C ve D), iki katmanlı MGG elektrotları ile yapılmış bir transistör için gerinmeden önceki temsili transfer ve çıktı eğrilerini gösterir.Gerdirilmemiş transistörün kanal genişliği ve uzunluğu sırasıyla 800 ve 100 μm idi.Ölçülen açma/kapama oranı, sırasıyla 10−5 ve 10−8 A seviyelerinde açma ve kapama akımları ile 103'ten büyüktür.Çıkış eğrisi, CNT'ler ve grafen elektrotlar (45) arasındaki ideal teması gösteren açık kapı voltajı bağımlılığı ile ideal doğrusal ve doyma rejimleri sergiler.Grafen elektrotları ile temas direncinin, buharlaştırılmış Au film ile olandan daha düşük olduğu gözlemlendi (bakınız şekil S14).Gerilebilir transistörün doyma hareketliliği, bir dielektrik katman olarak 300 nm Si02 ile sert Si substratlar üzerindeki aynı polimerle sınıflandırılmış CNT transistörlerininkine benzer şekilde yaklaşık 5.6 cm2/Vs'dir.Optimize edilmiş tüp yoğunluğu ve diğer tüp tipleri ile hareketlilikte daha fazla iyileştirme mümkündür ( 46).
(A) Grafen bazlı gerilebilir transistörün şeması.SWNT'ler, tek duvarlı karbon nanotüpler.(B) Grafen elektrotlarından (üstte) ve CNT elektrotlarından (altta) yapılmış gerilebilir transistörlerin fotoğrafı.Şeffaflıktaki fark açıkça fark edilir.( C ve D) Gerilmeden önce SEBS üzerinde grafen bazlı transistörün transfer ve çıkış eğrileri.(E ve F) Transfer eğrileri, açık ve kapalı akım, açma/kapama oranı ve grafen bazlı transistörün farklı gerilimlerde hareketliliği.
Saydam, tamamen karbonlu cihaz, yük taşıma yönüne paralel yönde gerildiğinde, %120 gerilmeye kadar minimum bozulma gözlemlendi.Germe sırasında, mobilite %0 zorlamada 5,6 cm2/Vs'den %120 zorlamada 2,5 cm2/Vs'ye sürekli olarak azaldı (Şekil 5F).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 karbonlu transistörler üzerine yapılan tüm son çalışmaları özetledik (bkz. Tablo S2) (47–52).Elastomerler üzerinde cihaz üretimini optimize ederek ve kontak olarak MGG'leri kullanarak, tamamen karbon transistörlerimiz, yüksek derecede gerilebilir olmanın yanı sıra hareketlilik ve histerezis açısından iyi bir performans gösterir.
Tamamen şeffaf ve gerilebilir transistörün bir uygulaması olarak, onu bir LED'in anahtarlamasını kontrol etmek için kullandık (Şekil 6A).Şekil 6B'de gösterildiği gibi, yeşil LED, doğrudan yukarıya yerleştirilmiş gerilebilir tamamen karbonlu cihazdan açıkça görülebilir.~%100'e kadar gerilirken (Şekil 6, C ve D), LED ışık yoğunluğu değişmez, bu da yukarıda açıklanan transistör performansıyla tutarlıdır (bkz. Film S1).Bu, grafen elektrotlar kullanılarak yapılan gerilebilir kontrol ünitelerinin ilk raporudur ve grafen gerilebilir elektronikler için yeni bir olasılık gösterir.
(A) LED'i sürmek için bir transistörün devresi.GND, yer.(B) Yeşil bir LED'in üzerine monte edilmiş %0 gerilimde gerilebilir ve şeffaf tamamen karbon transistörün fotoğrafı.(C) LED'i değiştirmek için kullanılan tamamen karbon şeffaf ve gerilebilir transistör, LED'in üzerine %0 (sol) ve ~%100 gerilimde (sağ) monte ediliyor.Beyaz oklar, uzatılan mesafe değişikliğini göstermek için cihazdaki sarı işaretçileri gösterir.(D) LED elastomerin içine itilmiş haldeyken, gerilmiş transistörün yandan görünüşü.
Sonuç olarak, yığılmış grafen katmanları arasında grafen nanoscrolls tarafından etkinleştirilen, gerilebilir elektrotlar olarak büyük gerilimler altında yüksek iletkenliği koruyan şeffaf bir iletken grafen yapısı geliştirdik.Bir elastomer üzerindeki bu iki ve üç katmanlı MGG elektrot yapıları, tipik tek katmanlı grafen elektrotlar için %5 gerinimdeki tam iletkenlik kaybına kıyasla, %100 kadar yüksek bir gerilimde %0 gerinim iletkenliklerinin sırasıyla %21 ve %65'ini koruyabilir. .Grafen kaydırmalarının ek iletken yolları ve aktarılan katmanlar arasındaki zayıf etkileşim, gerilim altında üstün iletkenlik kararlılığına katkıda bulunur.Tüm karbon gerilebilir transistörleri üretmek için bu grafen yapısını daha da uyguladık.Şimdiye kadar, bu, bükülme kullanmadan en iyi şeffaflığa sahip en gerilebilir grafen tabanlı transistördür.Bu çalışma gerilebilir elektronikler için grafeni etkinleştirmek için yapılmış olsa da, bu yaklaşımın gerilebilir 2B elektronikleri etkinleştirmek için diğer 2B malzemelere genişletilebileceğine inanıyoruz.
Geniş alanlı CVD grafen, 1000°C'de öncüler olarak 50–SCCM (dakikada standart santimetre küp) CH4 ve 20–SCCM H2 ile 0,5 mtorr'luk sabit bir basınç altında askıya alınmış Cu folyolar (%99,999; Alfa Aesar) üzerinde büyütüldü.Cu folyonun her iki tarafı 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 aşındırmak için yaklaşık 2 saat boyunca 0.1 M amonyum persülfat [(NH4)2S2O8] solüsyonuna batırıldı.Bu işlem sırasında, korumasız arka taraftaki grafen önce tane sınırlarını yırttı ve daha sonra yüzey gerilimi nedeniyle rulo haline geldi.Parşömenler PMMA destekli üst grafen filme yapıştırılarak PMMA/G/G kaydırmaları oluşturuldu.Filmler daha sonra birkaç kez deiyonize suda yıkandı ve sert bir Si02/Si veya plastik substrat gibi bir hedef substrat üzerine serildi.Eklenen film substrat üzerinde kurur kurumaz, örnek sırayla aseton, 1:1 aseton/IPA (izopropil alkol) ve IPA'nın her biri PMMA'yı çıkarmak için 30 saniye boyunca ıslatıldı.Filmler, 100°C'de 15 dakika ısıtıldı veya üzerine başka bir G/G kaydırma tabakası aktarılmadan önce sıkışan suyu tamamen çıkarmak için gece boyunca bir vakumda tutuldu.Bu adım, grafen filmin substrattan ayrılmasını önlemek ve PMMA taşıyıcı tabakasının serbest bırakılması sırasında MGG'lerin tam olarak kapsanmasını 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 (Nanoscope III, Digital Instrument) vurma modunda çalıştırıldı.Film şeffaflığı, bir ultraviyole-görünür spektrometre (Agilent Cary 6000i) ile test edilmiştir.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 gölge maskeleri.Grafen şeritleri daha sonra bir SEBS elastomeri (~2 cm genişliğinde ve ~5 cm uzunluğunda) ile temas ettirildi, şeritlerin uzun ekseni SEBS'nin kısa kenarına paralel ve ardından BOE (tamponlu oksitle dağlama) (HF:H2O) ile temas ettirildi. 1:6) elektrik kontakları olarak aşındırma ve ötektik galyum indiyum (EGaIn).Paralel gerinim testleri için, modellenmemiş grafen yapıları (~5 x 10 mm), SEBS substratının uzun tarafına paralel uzun eksenlerle SEBS substratlarına aktarıldı.Her iki durumda da, G'nin tamamı (G kaydırmaları olmadan)/SEBS, elastomerin uzun kenarı boyunca manuel bir aparatta gerildi ve yerinde, bir yarı iletken analizörlü (Keithley 4200) bir prob istasyonunda gerilim altındaki direnç değişikliklerini ölçtük. -SCS).
Elastik bir substrat üzerindeki yüksek oranda gerilebilir ve şeffaf tamamen karbon transistörler, polimer dielektrik ve substratın organik solvent hasarını önlemek için aşağıdaki prosedürlerle üretildi.MGG yapıları, kapı elektrotları olarak SEBS'ye aktarıldı.Üniform bir ince film polimer dielektrik tabakası (2 um kalınlıkta) elde etmek için, bir SEBS toluen (80 mg/ml) çözeltisi, bir oktadesiltriklorosilan (OTS) ile modifiye edilmiş Si02/Si substratı üzerinde 1000 rpm'de 1 dakika boyunca döndürülerek kaplanmıştır.İnce dielektrik film, hidrofobik OTS yüzeyinden hazırlanan grafen ile kaplanmış SEBS substratına kolayca aktarılabilir.Bir LCR (endüktans, kapasitans, direnç) ölçer (Agilent) kullanılarak suşun bir fonksiyonu olarak kapasitansı belirlemek için bir sıvı metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) üst elektrotu yerleştirilerek bir kapasitör yapılabilir.Transistörün diğer kısmı, daha önce bildirilen prosedürleri takip ederek polimerle sınıflandırılmış yarı iletken CNT'lerden oluşuyordu (53).Desenli kaynak/boşaltma elektrotları, sert Si02/Si substratlar üzerinde üretildi.Daha sonra, iki parça, dielektrik/G/SEBS ve CNTs/desenli G/SiO2/Si birbirine lamine edildi ve sert SiO2/Si substratını çıkarmak için BOE'ye batırıldı.Böylece tamamen şeffaf ve gerilebilir transistörler üretildi.Gerilim altında elektrik testi, yukarıda bahsedilen yöntem gibi bir manuel gerdirme düzeneğinde gerçekleştirilmiştir.
Bu makale için ek materyal http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 adresinde mevcuttur.
incir.S1.Farklı büyütmelerde SiO2/Si substratlar üzerinde tek katmanlı MGG'nin optik mikroskopi görüntüleri.
incir.S4.İki prob levha dirençlerinin ve 550 nm'lik tek, çift ve üç katmanlı düz grafen (siyah kareler), MGG (kırmızı daireler) ve CNT'lerin (mavi üçgen) geçirgenliklerinin karşılaştırılması.
incir.S7.Tek ve çift katmanlı MGG'lerin (siyah) ve G'nin (kırmızı) sırasıyla ~1000 döngüsel gerinim yüklemesi altında, sırasıyla %40 ve %90 paralel gerilime kadar normalleştirilmiş direnç değişimi.
incir.S10.Gerilmeden sonra SEBS elastomeri üzerindeki üç katmanlı MGG'nin SEM görüntüsü, birkaç çatlak üzerinde uzun bir kaydırma çaprazı gösteriyor.
incir.S12.%20 gerilmede çok ince SEBS elastomeri üzerindeki üç katmanlı MGG'nin AFM görüntüsü, bir kaydırmanın bir çatlağın üzerinden geçtiğini gösteriyor.
tablo S1.Gerilmeden önce ve sonra farklı kanal uzunluklarında çift katmanlı MGG-tek duvarlı karbon nanotüp transistörlerinin hareketlilikleri.
Bu, Creative Commons Atıf-Ticari Olmayan lisans koşulları altında dağıtılan ve sonuçta ortaya çıkan kullanım ticari avantaj sağlamadığı ve orijinal çalışmanın uygun şekilde olması koşuluyla herhangi bir ortamda kullanıma, dağıtıma ve çoğaltmaya izin veren açık erişimli bir makaledir. alıntı.
NOT: E-posta adresinizi yalnızca, sayfayı önerdiğiniz kişinin onu görmesini istediğinizi ve bunun istenmeyen posta olmadığını bilmesi için talep ediyoruz.Herhangi bir e-posta adresi 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 Geliştirme Derneği.Tüm hakları Saklıdır.AAAS, HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ve COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548'in ortağıdır.
Gönderim zamanı: Ocak-28-2021