Twadiminsjonale materialen, lykas grafeen, binne oantreklik foar sawol konvinsjonele healgeleidertapassingen as nije tapassingen yn fleksibele elektroanika. De hege treksterkte fan grafeen resulteart lykwols yn brekken by lege spanning, wêrtroch it lestich is om te profitearjen fan syn bûtengewoane elektroanyske eigenskippen yn rekbere elektroanika. Om poerbêste spanningsôfhinklike prestaasjes fan transparante grafeengeleiders mooglik te meitsjen, hawwe wy grafeen-nanoscrolls makke tusken stapele grafeenlagen, oantsjutten as mearlaachse grafeen/grafeen-scrolls (MGG's). Under spanning oerbrêgen guon scrolls de fragmintearre domeinen fan grafeen om in perkolearjend netwurk te behâlden dat poerbêste gelieding by hege spanningen mooglik makke. Trilaachse MGG's stipe op elastomeren beholden 65% fan har oarspronklike gelieding by 100% spanning, wat loodrecht is op 'e rjochting fan' e stroomstream, wylst trilaachse films fan grafeen sûnder nanoscrolls mar 25% fan har begjingelieding beholden. In rekbere all-koalstoftransistor makke mei MGG's as elektroden liet in transmittânsje fan >90% sjen en behold 60% fan syn oarspronklike stroomútfier by 120% spanning (parallel oan de rjochting fan ladingstransport). Dizze tige rekbere en transparante all-koalstoftransistors koenen ferfine rekbere opto-elektronika mooglik meitsje.
Rekbere transparante elektroanika is in groeiend fjild mei wichtige tapassingen yn avansearre bioyntegreare systemen (1, 2), lykas ek de mooglikheid om te yntegrearjen mei rekbere opto-elektroanika (3, 4) om ferfine sêfte robotika en displays te produsearjen. Grafeen fertoant tige winsklike eigenskippen fan atoomdikte, hege transparânsje en hege geleidingsfermogen, mar de ymplemintaasje dêrfan yn rekbere tapassingen is beheind troch de oanstriid om te barsten by lytse spanningen. It oerwinnen fan 'e meganyske beheiningen fan grafeen soe nije funksjonaliteit yn rekbere transparante apparaten mooglik meitsje kinne.
De unike eigenskippen fan grafeen meitsje it in sterke kandidaat foar de folgjende generaasje fan transparante geleidende elektroden (5, 6). Yn ferliking mei de meast brûkte transparante geleider, indiumtinokside [ITO; 100 ohm/fjouwerkant (fjouwerkant) by 90% transparânsje], hat monolaach grafeen groeid troch gemyske dampôfsetting (CVD) in ferlykbere kombinaasje fan plaatresistinsje (125 ohm/fjouwerkant) en transparânsje (97,4%) (5). Derneist hawwe grafeenfilms bûtengewoane fleksibiliteit yn ferliking mei ITO (7). Bygelyks, op in plestik substraat kin syn gelieding sels behâlden wurde foar in bûgingsradius fan kromming sa lyts as 0,8 mm (8). Om syn elektryske prestaasjes as in transparante fleksibele geleider fierder te ferbetterjen, hawwe eardere wurken grafeenhybridematerialen ûntwikkele mei iendiminsjonale (1D) sulveren nanodraden of koalstofnanotubes (CNT's) (9–11). Derneist is grafeen brûkt as elektroden foar mingde dimensjonale heterostrukturele healgeleiders (lykas 2D bulk Si, 1D nanodraden/nanobuizen, en 0D kwantumdots) (12), fleksibele transistors, sinnesellen, en ljochtútstjittende diodes (LED's) (13–23).
Hoewol grafeen beloftefolle resultaten hat sjen litten foar fleksibele elektroanika, is de tapassing yn rekbere elektroanika beheind troch syn meganyske eigenskippen (17, 24, 25); grafeen hat in stivens yn it flak fan 340 N/m en in Young's modulus fan 0,5 TPa (26). It sterke koalstof-koalstofnetwurk leveret gjin enerzjy-ôffiermeganismen foar tapaste spanning en skuorret dêrom maklik by minder as 5% spanning. Bygelyks, CVD-grafeen oerdroegen op in elastysk substraat fan polydimethylsiloxaan (PDMS) kin syn geliedingsfermogen allinich behâlde op minder as 6% spanning (8). Teoretyske berekkeningen litte sjen dat frommeljen en ynteraksje tusken ferskate lagen de stivens sterk ferminderje moatte (26). Troch grafeen yn meardere lagen te stapeljen, wurdt rapportearre dat dizze twa- of trijelaach grafeen rekber is oant 30% spanning, en in wjerstânsferoaring sjen lit dy't 13 kear lytser is as dy fan ienlaach grafeen (27). Dizze rekberens is lykwols noch altyd signifikant minder as dy fan state-of-the-art rekbere geleiders (28, 29).
Transistors binne wichtich yn rekbere tapassingen, om't se ferfine sensorútlêzing en sinjaalanalyse mooglik meitsje (30, 31). Transistors op PDMS mei mearlaachse grafeen as boarne/drain-elektroden en kanaalmateriaal kinne elektryske funksje behâlde oant 5% spanning (32), wat signifikant ûnder de minimaal fereaske wearde (~ 50%) is foar draachbere sûnensmonitoringsensors en elektroanyske hûd (33, 34). Koartlyn is in grafeen kirigami-oanpak ûndersocht, en de transistor dy't troch in floeibere elektrolyt betsjinne wurdt, kin oant 240% útrekt wurde (35). Dizze metoade fereasket lykwols suspendearre grafeen, wat it fabrikaazjeproses komplisearret.
Hjir berikke wy tige rekbere grafeen-apparaten troch grafeenrollen (~1 oant 20 μm lang, ~0,1 oant 1 μm breed, en ~10 oant 100 nm heech) tusken grafeenlagen yn te lizzen. Wy stelle de hypoteze dat dizze grafeenrollen geleidende paden kinne leverje om skuorren yn 'e grafeenplaten te oerbrêgjen, wêrtroch't in hege geliedingsfermogen ûnder spanning behâlden wurdt. De grafeenrollen fereaskje gjin ekstra synteze of proses; se wurde natuerlik foarme tidens de wiete oerdrachtproseduere. Troch gebrûk te meitsjen fan mearlaachse G/G (grafeen/grafeen) rollen (MGG's), grafeen rekbere elektroden (source/drain en gate) en healgeleidende CNT's, koene wy tige transparante en tige rekbere all-koalstoftransistors demonstrearje, dy't kinne wurde útrekt oant 120% spanning (parallel oan 'e rjochting fan ladingstransport) en 60% fan har oarspronklike stroomútfier behâlde. Dit is oant no ta de meast rekbere transparante transistor op basis fan koalstof, en it leveret genôch stroom om in anorganyske LED oan te driuwen.
Om transparante, rekbere grafeenelektroden mei in grut oerflak mooglik te meitsjen, hawwe wy keazen foar CVD-groeide grafeen op Cu-folie. De Cu-folie waard yn it sintrum fan in CVD-kwartsbuis ophongen om de groei fan grafeen oan beide kanten mooglik te meitsjen, wêrtroch't G/Cu/G-strukturen ûntstiene. Om grafeen oer te dragen, hawwe wy earst in tinne laach poly(methylmethacrylaat) (PMMA) spin-coated om ien kant fan 'e grafeen te beskermjen, dy't wy topside grafeen neamden (oarsom foar de oare kant fan 'e grafeen), en dêrnei waard de hiele film (PMMA/top grafeen/Cu/ûnderste grafeen) wiet makke yn in (NH4)2S2O8-oplossing om de Cu-folie fuort te etsen. De ûnderste grafeen sûnder de PMMA-coating sil ûnûntkomber barsten en defekten hawwe dy't in etsmiddel dertroch litte penetrearje (36, 37). Lykas yllustrearre yn Fig. 1A, rôlen de frijlitten grafeendomeinen ûnder ynfloed fan oerflakspanning op yn rollen en waarden dêrnei oan 'e oerbleaune top-G/PMMA-film fêstmakke. De top-G/G-rollen koenen oerdroegen wurde op elk substraat, lykas SiO2/Si, glês, of sêft polymeer. It ferskate kearen werheljen fan dit oerdrachtproses op itselde substraat jout MGG-strukturen.
(A) Skematyske yllustraasje fan 'e fabrikaazjeproseduere foar MGG's as in rekbere elektrode. Tidens de grafeenoerdracht waard de efterkant fan grafeen op Cu-folie brutsen by grinzen en defekten, oprôle yn willekeurige foarmen, en strak oan 'e boppeste films fêstmakke, wêrtroch't nanosrollen ûntstiene. De fjirde cartoon toant de stapele MGG-struktuer. (B en C) TEM-karakterisaasjes mei hege resolúsje fan in monolaach MGG, rjochte op it monolaach grafeen (B) en it rôljende (C) gebiet, respektivelik. De ynfoegsel fan (B) is in ôfbylding mei lege fergrutting dy't de algemiene morfology fan monolaach MGG's op it TEM-raster sjen lit. Ynfoegsels fan (C) binne de yntensiteitsprofilen nommen lâns de rjochthoekige fakjes oanjûn yn 'e ôfbylding, wêrby't de ôfstannen tusken de atoomflakken 0,34 en 0,41 nm binne. (D) Koalstof K-râne EEL-spektrum mei de karakteristike grafityske π*- en σ*-pieken markearre. (E) Seksjonele AFM-ôfbylding fan monolaach G/G-rollen mei in hichteprofyl lâns de giele stippele line. (F oant I) Optyske mikroskopie en AFM-ôfbyldings fan trijelaach G sûnder (F en H) en mei rollen (G en I) op 300 nm dikke SiO2/Si-substraten, respektivelik. Represintative rollen en rimpels waarden markearre om har ferskillen te markearjen.
Om te ferifiearjen dat de rollen fan natuere rôle grafeen binne, hawwe wy hege-resolúsje transmissie-elektronenmikroskopie (TEM) en elektronenerzjyferlies (EEL) spektroskopie-stúdzjes útfierd op 'e monolaach top-G/G-rolstrukturen. Figuer 1B lit de hexagonale struktuer fan in monolaach grafeen sjen, en de ynfoegsel is in algemiene morfology fan 'e film bedekt op in inkele koalstofgat fan it TEM-raster. De monolaach grafeen beslacht it measte fan it raster, en guon grafeenflokken ferskine yn 'e oanwêzigens fan meardere stapels hexagonale ringen (Fig. 1B). Troch yn te zoomen op in yndividuele rôle (Fig. 1C), hawwe wy in grutte hoemannichte grafeenroosterfranjes waarnommen, mei de roosterôfstân yn it berik fan 0,34 oant 0,41 nm. Dizze mjittingen suggerearje dat de flokken willekeurich rôle binne en gjin perfekte grafyt binne, dy't in roosterôfstân hat fan 0,34 nm yn "ABAB"-laachstapeling. Figuer 1D lit it koalstof K-edge EEL-spektrum sjen, dêr't de pyk by 285 eV ûntstiet út 'e π* orbitaal en de oare om 290 eV hinne te tankjen is oan 'e oergong fan 'e σ* orbitaal. It is te sjen dat sp2-bining domineart yn dizze struktuer, wat ferifiearret dat de rollen tige grafytysk binne.
Optyske mikroskopie en atoomkrêftmikroskopie (AFM) ôfbyldings jouwe ynsjoch yn 'e fersprieding fan grafeen-nanoskrollen yn 'e MGG's (Fig. 1, E oant G, en figs. S1 en S2). De rollen binne willekeurich ferdield oer it oerflak, en har tichtens yn it flak nimt evenredich ta mei it oantal steapele lagen. In protte rollen binne yn knopen ferweve en fertoane net-uniforme hichten yn it berik fan 10 oant 100 nm. Se binne 1 oant 20 μm lang en 0,1 oant 1 μm breed, ôfhinklik fan 'e grutte fan har earste grafeenflokken. Lykas te sjen is yn Fig. 1 (H en I), hawwe de rollen signifikant gruttere maten as de rimpels, wat liedt ta in folle rûgere ynterface tusken grafeenlagen.
Om de elektryske eigenskippen te mjitten, hawwe wy grafeenfilms mei of sûnder rôlstrukturen en laachstapeling patroanearre yn strips fan 300 μm breed en 2000 μm lang mei fotolitografy. Twa-probe-wjerstannen as funksje fan spanning waarden mjitten ûnder omjouwingsomstannichheden. De oanwêzigens fan rôlen fermindere de wjerstân foar monolaach grafeen mei 80% mei mar in fermindering fan 2,2% yn 'e transmittânsje (fig. S4). Dit befêstiget dat nanoskrollen, dy't in hege stroomtichtens hawwe oant 5 × 107 A/cm2 (38, 39), in heul positive elektryske bydrage leverje oan 'e MGG's. Fan alle mono-, bi- en trilaach gewoane grafeen en MGG's hat de trilaach MGG de bêste gelieding mei in transparânsje fan hast 90%. Om te fergelykjen mei oare boarnen fan grafeen dy't yn 'e literatuer rapportearre binne, hawwe wy ek fjouwer-probe plaatwjerstannen metten (fig. S5) en se neamd as in funksje fan transmittânsje by 550 nm (fig. S6) yn Fig. 2A. MGG lit fergelykbere of hegere konduktiviteit en transparânsje sjen as keunstmjittich stapele mearlaachse gewoane grafeen en redusearre grafeenokside (RGO) (6, 8, 18). Tink derom dat de plaatwjerstannen fan keunstmjittich stapele mearlaachse gewoane grafeen út 'e literatuer wat heger binne as dy fan ús MGG, wierskynlik fanwegen har net-optimalisearre groeiomstannichheden en oerdrachtmetoade.
(A) Fjouwer-probe blêdwjerstannen tsjin transmittânsje by 550 nm foar ferskate soarten grafeen, wêrby't swarte fjouwerkanten mono-, bi- en trilaach MGG's oantsjutte; reade sirkels en blauwe trijehoeken oerienkomme mei mearlaach gewoan grafeen groeid op Cu en Ni út 'e stúdzjes fan Li et al. (6) en Kim et al. (8), respektivelik, en dêrnei oerdroegen op SiO2/Si of kwarts; en griene trijehoeken binne wearden foar RGO by ferskate reduksjegraden út 'e stúdzje fan Bonaccorso et al. (18). (B en C) Normalisearre wjerstânsferoaring fan mono-, bi- en trilaach MGG's en G as in funksje fan loodrechte (B) en parallelle (C) spanning op 'e rjochting fan 'e stroomstream. (D) Normalisearre wjerstânsferoaring fan bilaach G (read) en MGG (swart) ûnder sykliske spanningsbelasting oant 50% loodrechte spanning. (E) Normalisearre wjerstânsferoaring fan trilaach G (read) en MGG (swart) ûnder sykliske spanningsbelasting oant 90% parallelle spanning. (F) Normalisearre kapasitansferoaring fan mono-, bi- en trilaach G en bi- en trilaach MGG's as in funksje fan spanning. De ynfoegsel is de kondensatorstruktuer, wêrby't it polymeersubstraat SEBS is en de polymeer diëlektryske laach de 2-μm-dikke SEBS is.
Om de spanning-ôfhinklike prestaasjes fan 'e MGG te evaluearjen, hawwe wy grafeen oerdroegen op termoplastyske elastomeer styreen-etyleen-butadieen-styreen (SEBS) substraten (~2 sm breed en ~5 sm lang), en de konduktiviteit waard metten doe't it substraat waard útrekt (sjoch Materialen en Metoaden) sawol loodrecht as parallel oan 'e rjochting fan 'e stroomstream (Fig. 2, B en C). It spanning-ôfhinklike elektryske gedrach ferbettere mei de ynkorporaasje fan nanoscrollen en tanimmende oantallen grafeenlagen. Bygelyks, as de spanning loodrecht is op 'e stroomstream, foar monolaach grafeen, fergrutte de tafoeging fan scrolles de spanning by elektryske breuk fan 5 nei 70%. De spanningstolerânsje fan 'e trijelaach grafeen is ek signifikant ferbettere yn ferliking mei de monolaach grafeen. Mei nanoscrollen, by 100% loodrechte spanning, naam de wjerstân fan 'e trijelaach MGG-struktuer mar mei 50% ta, yn ferliking mei 300% foar trijelaach grafeen sûnder scrolles. Wjerstânsferoaring ûnder sykliske spanningsbelasting waard ûndersocht. Ter ferliking (Fig. 2D), de wjerstannen fan in gewoane bilayer grafeenfilm namen sawat 7,5 kear ta nei ~700 syklusen by 50% loodrechte spanning en bleauwen tanimme mei spanning yn elke syklus. Oan 'e oare kant naam de wjerstân fan in bilayer MGG mar sawat 2,5 kear ta nei ~700 syklusen. By it tapassen fan maksimaal 90% spanning lâns de parallelle rjochting, naam de wjerstân fan trijelaach grafeen ~100 kear ta nei 1000 syklusen, wylst it mar ~8 kear is yn in trijelaach MGG (Fig. 2E). Syklyske resultaten wurde werjûn yn fig. S7. De relatyf rapper tanimming fan wjerstân lâns de parallelle spanningsrjochting komt om't de oriïntaasje fan skuorren loodrecht stiet op 'e rjochting fan 'e stroomstream. De ôfwiking fan wjerstân by it laden en lossen fan spanning is te tankjen oan it viskoelastysk herstel fan it SEBS-elastomeersubstraat. De stabiler wjerstân fan 'e MGG-strips tidens it syklusjen is te tankjen oan 'e oanwêzigens fan grutte rollen dy't de barsten dielen fan it grafeen kinne oerbrêgje (lykas waarnommen troch AFM), wat helpt om in perkolearjend paad te behâlden. Dit ferskynsel fan it behâlden fan konduktiviteit troch in perkolearjende paad is earder rapportearre foar barsten metaal- of healgeleiderfilms op elastomeersubstraten (40, 41).
Om dizze grafeen-basearre films te evaluearjen as poarte-elektroden yn rekbere apparaten, hawwe wy de grafeenlaach bedekt mei in SEBS diëlektryske laach (2 μm dik) en de feroaring yn diëlektryske kapasitansje as funksje fan spanning kontrolearre (sjoch Fig. 2F en de Oanfoljende Materialen foar details). Wy hawwe waarnommen dat kapasitansjes mei gewoane monolaach- en bilaach-grafeenelektroden fluch ôfnamen fanwegen it ferlies fan yn-flak-geliedingsfermogen fan grafeen. Yn tsjinstelling, lieten kapasitansjes dy't gated waarden troch MGG's, lykas gewoane trijelaach-grafeen, in tanimming fan kapasitansje sjen mei spanning, wat ferwachte wurdt fanwegen de fermindering fan diëlektryske dikte mei spanning. De ferwachte tanimming fan kapasitansje kaam tige goed oerien mei de MGG-struktuer (fig. S8). Dit jout oan dat MGG geskikt is as in poarte-elektrode foar rekbere transistors.
Om de rol fan 'e 1D-grafeenskrol op 'e spanningstolerânsje fan elektryske gelieding fierder te ûndersykjen en de skieding tusken grafeenlagen better te kontrolearjen, hawwe wy spray-coated CNT's brûkt om de grafeenskrollen te ferfangen (sjoch Oanfoljende Materialen). Om MGG-strukturen nei te bootsen, hawwe wy trije tichtheden fan CNT's ôfset (dat is, CNT1
(A oant C) AFM-ôfbyldings fan trije ferskillende tichtheden fan CNT's (CNT1
Om harren mooglikheden as elektroden foar rekbere elektroanika fierder te begripen, hawwe wy systematysk de morfologyen fan MGG en G-CNT-G ûnder spanning ûndersocht. Optyske mikroskopie en scanning-elektronenmikroskopie (SEM) binne gjin effektive karakterisaasjemetoaden, om't beide gjin kleurkontrast hawwe en SEM ûnderwurpen is oan ôfbyldingsartefakten tidens elektronenscannen as grafeen op polymeersubstraten leit (figs. S9 en S10). Om it grafeenoerflak ûnder spanning yn situ te observearjen, hawwe wy AFM-mjittingen sammele op trijelaach MGG's en gewoane grafeen nei oerdracht op heul tinne (~ 0,1 mm dik) en elastyske SEBS-substraten. Fanwegen de yntrinsike defekten yn CVD-grafeen en ekstrinsike skea tidens it oerdrachtproses, wurde ûnûntkomber skuorren generearre op it spande grafeen, en mei tanimmende spanning waarden de skuorren tichter (Fig. 4, A oant D). Ofhinklik fan 'e stapelstruktuer fan' e koalstof-basearre elektroden, litte de skuorren ferskillende morfologyen sjen (fig. S11) (27). De tichtens fan it barstgebiet (definiearre as barstgebiet/analysearre gebiet) fan mearlaachsgrafeen is minder as dy fan ienlaachsgrafeen nei spanning, wat oerienkomt mei de tanimming fan elektryske geliedingsfermogen foar MGG's. Oan 'e oare kant wurde faak waarnommen dat rollen de barsten oerbrêgje, wêrtroch't ekstra geliedingspaden yn 'e gespannen film ûntstiene. Bygelyks, lykas oanjûn yn 'e ôfbylding fan Fig. 4B, krúste in brede rôle oer in barst yn 'e trijelaachs-MGG, mar waard gjin rôle waarnommen yn it gewoane grafeen (Fig. 4, E oant H). Op deselde wize oerbrêgen CNT's ek de barsten yn grafeen (fig. S11). De tichtens fan it barstgebiet, de tichtens fan it rôlgebiet en de rûchheid fan 'e films binne gearfette yn Fig. 4K.
(A oant H) In situ AFM-ôfbyldings fan trijelaachse G/G-skrollen (A oant D) en trijelaachse G-struktueren (E oant H) op in tige tinne SEBS (~0,1 mm dik) elastomeer by 0, 20, 60 en 100% spanning. Represintative skuorren en skrollen binne oanjûn mei pylken. Alle AFM-ôfbyldings binne yn in gebiet fan 15 μm × 15 μm, mei deselde kleurskaalbalke as markearre. (I) Simulaasjegeometry fan patroande monolaachgrafeenelektroden op it SEBS-substraat. (J) Simulaasjekontoerkaart fan 'e maksimale haadlogaritmyske spanning yn 'e monolaachgrafeen en it SEBS-substraat by 20% eksterne spanning. (K) Ferliking fan skuorregebiettichtens (reade kolom), skrollgebiettichtens (giele kolom) en oerflakteruwheid (blauwe kolom) foar ferskate grafeenstrukturen.
As de MGG-films útrekt wurde, is der in wichtich ekstra meganisme wêrby't de rollen barsten yn grafeen kinne oerbrêgje, wêrtroch't in perkolearjend netwurk behâlden wurdt. De grafeenrollen binne beloftefol, om't se tsientallen mikrometers lang wêze kinne en dêrom barsten oerbrêgje kinne dy't typysk oant in mikrometerskaal binne. Fierder, om't de rollen besteane út meardere lagen grafeen, wurdt ferwachte dat se in lege wjerstân hawwe. Yn ferliking binne relatyf tichte (legere transmittânsje) CNT-netwurken nedich om in fergelykbere geliedende oerbrêgingskapasiteit te leverjen, om't CNT's lytser binne (typysk in pear mikrometers lang) en minder geliedend as rollen. Oan 'e oare kant, lykas te sjen is yn fig. S12, wylst it grafeen skuorret by it útrekken om spanning op te fangen, skuorre de rollen net, wat oanjout dat de lêste miskien op it ûnderlizzende grafeen glydt. De reden dat se net barste is wierskynlik te tankjen oan de oprôle struktuer, gearstald út in protte lagen grafeen (~1 oant 20 μm lang, ~0,1 oant 1 μm breed, en ~10 oant 100 nm heech), dy't in hegere effektive modulus hat as it ienlaachse grafeen. Lykas rapportearre troch Green en Hersam (42), kinne metalen CNT-netwurken (buisdiameter fan 1,0 nm) lege plaatweerstanden <100 ohm/sq berikke nettsjinsteande de grutte junctionweerstand tusken CNT's. Mei it each op it feit dat ús grafeenrollen breedtes hawwe fan 0,1 oant 1 μm en dat de G/G-rollen folle gruttere kontaktgebieten hawwe as CNT's, moatte de kontaktweerstand en it kontaktgebiet tusken grafeen en grafeenrollen gjin beheinde faktoaren wêze om in hege konduktiviteit te behâlden.
It grafeen hat in folle hegere modulus as it SEBS-substraat. Hoewol de effektive dikte fan 'e grafeenelektrode folle leger is as dy fan it substraat, is de stivens fan it grafeen kear syn dikte te fergelykjen mei dy fan it substraat (43, 44), wat resulteart yn in matich rigid-eilân-effekt. Wy hawwe de deformaasje fan in 1-nm-dik grafeen op in SEBS-substraat simulearre (sjoch Oanfoljende Materialen foar details). Neffens de simulaasjeresultaten is, as 20% spanning ekstern op it SEBS-substraat tapast wurdt, de gemiddelde spanning yn it grafeen ~6,6% (Fig. 4J en fig. S13D), wat oerienkomt mei eksperimintele waarnimmings (sjoch fig. S13). Wy hawwe de spanning yn 'e patroanearre grafeen- en substraatregio's fergelike mei optyske mikroskopie en fûnen dat de spanning yn it substraatregio teminsten twa kear de spanning yn it grafeenregio wie. Dit jout oan dat de spanning dy't tapast wurdt op grafeenelektrodepatroanen signifikant beheind wurde kin, wêrtroch't grafeen stive eilannen boppe op SEBS ûntsteane (26, 43, 44).
Dêrom wurdt it fermogen fan MGG-elektroden om hege konduktiviteit ûnder hege spanning te behâlden wierskynlik mooglik makke troch twa wichtige meganismen: (i) De rollen kinne loskeppele regio's oerbrêgje om in geliedend perkolaasjepaad te behâlden, en (ii) de mearlaachse grafeenblêden/elastomeer kinne oer elkoar glide, wat resulteart yn fermindere spanning op grafeenelektroden. Foar meardere lagen fan oerdroegen grafeen op elastomeer binne de lagen net sterk oan elkoar ferbûn, wat kin glide as reaksje op spanning (27). De rollen fergrutte ek de rûchheid fan 'e grafeenlagen, wat kin helpe om de skieding tusken grafeenlagen te fergrutsjen en dêrom it gliden fan 'e grafeenlagen mooglik te meitsjen.
All-koalstof-apparaten wurde entûsjast neistribbe fanwegen lege kosten en hege trochfier. Yn ús gefal waarden all-koalstof-transistors makke mei in ûnderste grafeenpoarte, in boppe-grafeenboarne/drainkontakt, in sortearre CNT-healgelieder, en SEBS as in diëlektricum (Fig. 5A). Lykas te sjen is yn Fig. 5B, is in all-koalstof-apparaat mei CNT's as boarne/drain en poarte (ûnderste apparaat) mear ûntrochsichtich as it apparaat mei grafeenelektroden (boppe-apparaat). Dit komt om't CNT-netwurken gruttere diktes en, dêrtroch, legere optyske transmittânsjes fereaskje om plaatwjerstannen te berikken dy't fergelykber binne mei dy fan grafeen (fig. S4). Figuer 5 (C en D) toant represintative oerdracht- en útfierkurven foar spanning foar in transistor makke mei dûbele laach MGG-elektroden. De kanaalbreedte en lingte fan 'e ûnbelaste transistor wiene respektivelik 800 en 100 μm. De metten oan/út-ferhâlding is grutter as 103 mei oan- en út-streamen op 'e nivo's fan respektivelik 10−5 en 10−8 A. De útfierkromme lit ideale lineêre en saturaasjeregimes sjen mei dúdlike gate-spanningsôfhinklikens, wat oanjout op ideaal kontakt tusken CNT's en grafeenelektroden (45). De kontaktwjerstân mei grafeenelektroden waard leger waarnommen as dy mei ferdampte Au-film (sjoch fig. S14). De saturaasjemobiliteit fan 'e rekbere transistor is sawat 5,6 cm2/Vs, fergelykber mei dy fan deselde polymeer-sortearre CNT-transistors op stive Si-substraten mei 300-nm SiO2 as in diëlektryske laach. Fierdere ferbettering fan mobiliteit is mooglik mei optimalisearre buisdichtheid en oare soarten buizen (46).
(A) Skema fan grafeen-basearre rekbere transistor. SWNT's, ienwandige koalstofnanobuizen. (B) Foto fan 'e rekbere transistors makke fan grafeenelektroden (boppe) en CNT-elektroden (ûnder). It ferskil yn transparânsje is dúdlik merkber. (C en D) Oerdracht- en útfierkurven fan 'e grafeen-basearre transistor op SEBS foar spanning. (E en F) Oerdrachtkurven, oan- en útstroom, oan/út-ferhâlding, en mobiliteit fan 'e grafeen-basearre transistor by ferskate spanningen.
Doe't it transparante, folslein út koalstof besteande apparaat yn 'e rjochting parallel oan 'e rjochting fan ladingtransport útrekt waard, waard minimale degradaasje waarnommen oant 120% spanning. Tidens it útrekken naam de mobiliteit kontinu ôf fan 5,6 cm2/Vs by 0% spanning nei 2,5 cm2/Vs by 120% spanning (Fig. 5F). Wy hawwe ek de transistorprestaasjes fergelike foar ferskate kanaallengten (sjoch tabel S1). Opmerklik is dat by in spanning sa grut as 105% al dizze transistors noch altyd in hege oan/út-ferhâlding (>103) en mobiliteit (>3 cm2/Vs) lieten sjen. Derneist hawwe wy al it resinte wurk oan folslein út koalstof besteande transistors gearfette (sjoch tabel S2) (47–52). Troch it optimalisearjen fan apparaatfabrikaasje op elastomeren en it brûken fan MGG's as kontakten, litte ús folslein út koalstof besteande transistors goede prestaasjes sjen yn termen fan mobiliteit en hysterese, en binne se ek tige útrekber.
As tapassing fan 'e folslein transparante en rekbere transistor, hawwe wy it brûkt om it wikseljen fan in LED te kontrolearjen (Fig. 6A). Lykas te sjen is yn Fig. 6B, kin de griene LED dúdlik sjoen wurde troch it rekbere, folslein fan koalstofmateriaal pleatste apparaat dat direkt derboppe pleatst is. Wylst it útrekt wurdt nei ~100% (Fig. 6, C en D), feroaret de ljochtintensiteit fan 'e LED net, wat oerienkomt mei de transistorprestaasjes dy't hjirboppe beskreaun binne (sjoch film S1). Dit is it earste rapport fan rekbere kontrôle-ienheden makke mei grafeenelektroden, wat in nije mooglikheid demonstrearret foar rekbere grafeenelektronika.
(A) Skakelkring fan in transistor om LED oan te driuwen. GND, ierde. (B) Foto fan 'e útrekbere en transparante folslein-koalstoftransistor by 0% spanning monteard boppe in griene LED. (C) De folslein-koalstof transparante en útrekbere transistor dy't brûkt wurdt om de LED te wikseljen, wurdt boppe de LED monteard by 0% (lofts) en ~100% spanning (rjochts). Wite pylken wize as de giele markers op it apparaat om de ôfstânsferoaring te sjen litten dy't útrekt wurdt. (D) Sydwerjefte fan 'e útrekte transistor, mei de LED yn it elastomeer skood.
Konklúzjend hawwe wy in transparante geleidende grafeenstruktuer ûntwikkele dy't in hege geliedingsfermogen behâldt ûnder grutte spanningen as rekbere elektroden, mooglik makke troch grafeen-nano-rollen tusken stapele grafeenlagen. Dizze bi- en trilagige MGG-elektrodestrukturen op in elastomeer kinne respektivelik 21 en 65% fan har 0% spanningsgeliedingsfermogen behâlde by in spanning fan wol 100%, yn ferliking mei in folslein ferlies fan geliedingsfermogen by 5% spanning foar typyske monolagige grafeenelektroden. De ekstra geleidende paden fan grafeen-rollen, lykas de swakke ynteraksje tusken de oerdroegen lagen, drage by oan 'e superieure geliedingsstabiliteit ûnder spanning. Wy hawwe dizze grafeenstruktuer fierder tapast om all-koalstof rekbere transistors te meitsjen. Oant no ta is dit de meast rekbere grafeen-basearre transistor mei de bêste transparânsje sûnder gebrûk te meitsjen fan knik. Hoewol de hjoeddeiske stúdzje útfierd is om grafeen mooglik te meitsjen foar rekbere elektroanika, leauwe wy dat dizze oanpak útwreide wurde kin nei oare 2D-materialen om rekbere 2D-elektroanika mooglik te meitsjen.
Grut-gebiet CVD-grafeen waard groeid op suspendearre Cu-folies (99,999%; Alfa Aesar) ûnder in konstante druk fan 0,5 mtorr mei 50–SCCM (standert kubike sintimeter per minuut) CH4 en 20–SCCM H2 as foargongers by 1000 °C. Beide kanten fan 'e Cu-folie waarden bedekt mei monolaach grafeen. In tinne laach PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) waard spin-coated oan ien kant fan 'e Cu-folie, wêrtroch in PMMA/G/Cu-folie/G-struktuer ûntstie. Dêrnei waard de hiele film sawat 2 oeren wiet makke yn 0,1 M ammoniumpersulfaat [(NH4)2S2O8]-oplossing om de Cu-folie fuort te etsen. Tidens dit proses skuorde it ûnbeskerme efterkant grafeen earst lâns de nôtgrinzen en waard doe oprôle ta rollen fanwegen oerflakspanning. De rollen waarden befestige oan 'e PMMA-stipe boppeste grafeenfilm, wêrtroch PMMA/G/G-rollen foarmen. De films waarden dêrnei ferskate kearen wosken yn deionisearre wetter en lein op in doelsubstraat, lykas in stiif SiO2/Si of plestik substraat. Sadree't de oanhingjende film op it substraat droech wie, waard it stekproef efterinoar wekt yn aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalkohol) en IPA foar elk 30 sekonden om PMMA te ferwiderjen. De films waarden 15 minuten ferwaarme by 100 °C of oernachtich yn in fakuüm hâlden om it fêstsittende wetter folslein te ferwiderjen foardat in oare laach G/G-skroef derop oerdroegen waard. Dizze stap wie om it losmeitsjen fan grafeenfilm fan it substraat te foarkommen en folsleine dekking fan MGG's te garandearjen tidens it frijkommen fan 'e PMMA-dragerlaach.
De morfology fan 'e MGG-struktuer waard waarnommen mei in optyske mikroskoop (Leica) en in scanning-elektronenmikroskoop (1 kV; FEI). In atoomkrêftmikroskoop (Nanoscope III, Digital Instrument) waard betsjinne yn tapmodus om de details fan 'e G-rollen te observearjen. Filmtransparânsje waard hifke mei in ultraviolet-sichtbere spektrometer (Agilent Cary 6000i). Foar de testen, doe't de spanning lâns de loodrechte rjochting fan 'e stroomstream wie, waarden fotolitografy en O2-plasma brûkt om grafeenstrukturen te patroanearjen yn strips (~300 μm breed en ~2000 μm lang), en Au (50 nm) elektroden waarden termysk ôfset mei skaadmaskers oan beide úteinen fan 'e lange kant. De grafeenstrips waarden doe yn kontakt brocht mei in SEBS-elastomeer (~2 sm breed en ~5 sm lang), mei de lange as fan 'e strips parallel oan 'e koarte kant fan SEBS folge troch BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etsen en eutektysk galliumindium (EGaIn) as elektryske kontakten. Foar parallelle spanningstests waarden ûnpatroande grafeenstrukturen (~5 × 10 mm) oerdroegen op SEBS-substraten, mei lange assen parallel oan 'e lange kant fan it SEBS-substraat. Foar beide gefallen waard de hiele G (sûnder G-skrollen)/SEBS lâns de lange kant fan it elastomeer útrekt yn in hânmjittich apparaat, en yn situ hawwe wy har wjerstânsferoaringen ûnder spanning metten op in sondestasjon mei in healgeleideranalysator (Keithley 4200-SCS).
De tige rekbere en transparante all-koalstoftransistors op in elastysk substraat waarden makke troch de folgjende prosedueres om skea oan it polymeer diëlektrikum en substraat troch organyske oplosmiddels te foarkommen. MGG-strukturen waarden oerdroegen op SEBS as poarte-elektroden. Om in unifoarme tinne-film polymeer diëlektryske laach (2 μm dik) te krijen, waard in SEBS tolueen (80 mg/ml) oplossing spin-coated op in octadecyltrichlorosilaan (OTS)-modifisearre SiO2/Si-substraat by 1000 rpm foar 1 minút. De tinne diëlektryske film kin maklik oerdroegen wurde fan it hydrofobe OTS-oerflak op it SEBS-substraat bedekt mei it sa-tariede grafeen. In kondensator koe makke wurde troch in floeibere-metaal (EGaIn; Sigma-Aldrich) topelektrode ôf te setten om de kapasitânsje te bepalen as in funksje fan spanning mei in LCR (induktânsje, kapasitânsje, wjerstân) meter (Agilent). It oare diel fan 'e transistor bestie út polymeer-sortearre healgeliedende CNT's, neffens de prosedueres dy't earder rapportearre binne (53). De patroanearre source/drain-elektroden waarden makke op stive SiO2/Si-substraten. Dêrnei waarden de twa dielen, diëlektrikum/G/SEBS en CNT's/patroanearre G/SiO2/Si, oan elkoar laminearre en yn BOE wietmakke om it stive SiO2/Si-substraat te ferwiderjen. Sa waarden de folslein transparante en rekbere transistors makke. De elektryske testen ûnder spanning waarden útfierd op in hânmjittige strek-opstelling lykas de hjirboppe neamde metoade.
Oanfoljend materiaal foar dit artikel is beskikber op http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Optyske mikroskopyôfbyldings fan monolaach MGG op SiO2/Si-substraten by ferskate fergruttings.
fig. S4. Ferliking fan twa-probe blêdwjerstannen en transmittânsjes @550 nm fan mono-, bi- en trilagige gewoane grafeen (swarte fjouwerkanten), MGG (reade sirkelen), en CNT's (blauwe trijehoek).
fig. S7. Normalisearre wjerstânsferoaring fan mono- en bilayer MGG's (swart) en G (read) ûnder ~1000 sykliske spanningsbelasting oant respektivelik 40 en 90% parallelle spanning.
fig. S10. SEM-ôfbylding fan trijelaach MGG op SEBS-elastomeer nei spanning, dy't in lange rôlkrusing oer ferskate skuorren sjen lit.
fig. S12. AFM-ôfbylding fan trijelaach MGG op tige tinne SEBS-elastomeer by 20% spanning, dy't sjen lit dat in skroef oer in barst krúste.
tabel S1. Mobiliteiten fan bilayer MGG–ienwandige koalstofnanobuistransistors by ferskate kanaallengten foar en nei spanning.
Dit is in iepen tagongsartikel ferspraat ûnder de betingsten fan 'e Creative Commons Attribution-NonCommercial-lisinsje, dy't gebrûk, distribúsje en reproduksje yn elk medium tastiet, salang't it resultearjende gebrûk net foar kommersjeel foardiel is en mits it orizjinele wurk goed sitearre wurdt.
OPMERKING: Wy freegje allinich om jo e-mailadres, sadat de persoan oan wa't jo de side oanbefelje wit dat jo woene dat se it seagen, en dat it gjin ûnpost is. Wy registrearje gjin e-mailadressen.
Dizze fraach is om te testen oft jo in minsklike besiker binne en om automatyske spam-ynstjoeringen te foarkommen.
By 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
By Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science. Alle rjochten foarbehâlden. AAAS is in partner fan HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef en COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Pleatsingstiid: 28 jannewaris 2021