Tvådimensionella material, såsom grafen, är attraktiva för både konventionella halvledartillämpningar och nya tillämpningar inom flexibel elektronik. Grafens höga draghållfasthet resulterar dock i sprickbildning vid låg töjning, vilket gör det utmanande att dra nytta av dess extraordinära elektroniska egenskaper i töjbar elektronik. För att möjliggöra utmärkt töjningsberoende prestanda hos transparenta grafenledare skapade vi grafen-nanoscrolls mellan staplade grafenlager, kallade flerskiktsgrafen/grafen-scrolls (MGG). Under töjning överbryggade vissa rullar de fragmenterade domänerna i grafen för att upprätthålla ett perkolerande nätverk som möjliggjorde utmärkt konduktivitet vid höga töjningar. Treskikts-MGG:er burna på elastomerer behöll 65 % av sin ursprungliga konduktans vid 100 % töjning, vilket är vinkelrätt mot strömmens flödesriktning, medan treskiktsfilmer av grafen utan nanoscrolls endast behöll 25 % av sin startkonduktans. En töjbar helkoltransistor tillverkad med MGG:er som elektroder uppvisade en transmittans på >90 % och behöll 60 % av sin ursprungliga strömutgång vid 120 % töjning (parallellt med laddningstransportriktningen). Dessa mycket töjbara och transparenta helkoltransistorer skulle kunna möjliggöra sofistikerad töjbar optoelektronik.
Töjbar transparent elektronik är ett växande område som har viktiga tillämpningar inom avancerade biointegrerade system (1, 2) samt potential att integrera med töjbar optoelektronik (3, 4) för att producera sofistikerad mjuk robotik och displayer. Grafen uppvisar mycket önskvärda egenskaper vad gäller atomtjocklek, hög transparens och hög konduktivitet, men dess implementering i töjbara tillämpningar har hämmats av dess tendens att spricka vid små töjningar. Att övervinna grafens mekaniska begränsningar skulle kunna möjliggöra ny funktionalitet i töjbara transparenta enheter.
Grafens unika egenskaper gör den till en stark kandidat för nästa generations transparenta ledande elektroder (5, 6). Jämfört med den vanligast använda transparenta ledaren, indiumtennoxid [ITO; 100 ohm/kvadrat (kvadrat) vid 90 % transparens], har monolagergrafen som odlats genom kemisk ångavsättning (CVD) en liknande kombination av arkresistans (125 ohm/kvadrat) och transparens (97,4 %) (5). Dessutom har grafenfilmer extraordinär flexibilitet jämfört med ITO (7). Till exempel kan dess konduktans bibehållas på ett plastsubstrat även för en böjningsradie så liten som 0,8 mm (8). För att ytterligare förbättra dess elektriska prestanda som en transparent flexibel ledare har tidigare arbeten utvecklat grafenhybridmaterial med endimensionella (1D) silver-nanotrådar eller kolnanorör (CNT) (9–11). Dessutom har grafen använts som elektroder för blanddimensionella heterostrukturella halvledare (såsom 2D bulk Si, 1D nanotrådar/nanorör och 0D kvantprickar) (12), flexibla transistorer, solceller och lysdioder (LED) (13–23).
Även om grafen har visat lovande resultat för flexibel elektronik har dess tillämpning inom töjbar elektronik begränsats av dess mekaniska egenskaper (17, 24, 25); grafen har en planstyvhet på 340 N/m och en Youngs modul på 0,5 TPa (26). Det starka kol-kol-nätverket tillhandahåller inga energiförlustmekanismer för applicerad töjning och spricker därför lätt vid mindre än 5 % töjning. Till exempel kan CVD-grafen överförd på ett elastiskt substrat av polydimetylsiloxan (PDMS) endast bibehålla sin konduktivitet vid mindre än 6 % töjning (8). Teoretiska beräkningar visar att skrynkling och samspel mellan olika lager kraftigt bör minska styvheten (26). Genom att stapla grafen i flera lager rapporteras det att denna två- eller trelagersgrafen är töjbar till 30 % töjning, och uppvisar en resistansförändring som är 13 gånger mindre än den för monolagergrafen (27). Denna töjbarhet är dock fortfarande betydligt sämre än toppmoderna töjbara ledare (28, 29).
Transistorer är viktiga i töjbara tillämpningar eftersom de möjliggör sofistikerad sensoravläsning och signalanalys (30, 31). Transistorer på PDMS med flerskiktsgrafen som käll-/dräneringselektroder och kanalmaterial kan bibehålla elektrisk funktion upp till 5 % töjning (32), vilket är betydligt lägre än det lägsta erforderliga värdet (~50 %) för bärbara hälsoövervakningssensorer och elektronisk hud (33, 34). Nyligen har en grafen-kirigami-metod utforskats, och transistorn som styrs av en flytande elektrolyt kan töjas till så mycket som 240 % (35). Denna metod kräver dock suspenderad grafen, vilket komplicerar tillverkningsprocessen.
Här uppnår vi mycket töjbara grafenkomponenter genom att interkalera grafenrullar (~1 till 20 μm långa, ~0,1 till 1 μm breda och ~10 till 100 nm höga) mellan grafenlagren. Vi antar att dessa grafenrullar kan tillhandahålla ledande vägar för att överbrygga sprickor i grafenarken, och därmed bibehålla hög konduktivitet under belastning. Grafenrullarna kräver ingen ytterligare syntes eller process; de bildas naturligt under våtöverföringsprocessen. Genom att använda flerskiktade G/G (grafen/grafen) rullar (MGG), grafentöjbara elektroder (source/drain och gate) och halvledande CNT:er kunde vi demonstrera mycket transparenta och mycket töjbara hel-kol-transistorer, som kan töjas till 120 % töjning (parallellt med laddningstransportens riktning) och behålla 60 % av sin ursprungliga strömutgång. Detta är den mest töjbara transparenta kolbaserade transistorn hittills, och den ger tillräckligt med ström för att driva en oorganisk LED.
För att möjliggöra transparenta, töjbara grafenelektroder med stor yta valde vi CVD-odlad grafen på Cu-folie. Cu-folien hängdes upp i mitten av ett CVD-kvartsrör för att möjliggöra tillväxt av grafen på båda sidor, vilket bildade G/Cu/G-strukturer. För att överföra grafen spinnbelagde vi först ett tunt lager poly(metylmetakrylat) (PMMA) för att skydda ena sidan av grafenet, vilket vi kallade grafen på ovansidan (vice versa för den andra sidan av grafenet), och därefter indränktes hela filmen (PMMA/toppgrafen/Cu/bottengrafen) i (NH4)2S2O8-lösning för att etsa bort Cu-folien. Den nedre grafenen utan PMMA-beläggningen kommer oundvikligen att ha sprickor och defekter som gör att ett etsmedel kan tränga igenom (36, 37). Som illustreras i figur 1A rullades de frigjorda grafendomänerna upp till rullar under inverkan av ytspänning och fästes därefter på den återstående topp-G/PMMA-filmen. Top-G/G-rullarna kan överföras till vilket substrat som helst, såsom SiO2/Si, glas eller mjuk polymer. Genom att upprepa denna överföringsprocess flera gånger på samma substrat får man MGG-strukturer.
(A) Schematisk illustration av tillverkningsproceduren för MGG:er som en töjbar elektrod. Under grafenöverföringen bröts baksidan av grafen på Cu-folie vid gränser och defekter, rullades ihop till godtyckliga former och fästes tätt på de övre filmerna, vilket bildade nanoscrolls. Den fjärde teckningen visar den staplade MGG-strukturen. (B och C) Högupplösta TEM-karakteriseringar av ett monolager-MGG, med fokus på monolagergrafenet (B) respektive scroll-regionen (C). Infällningen i (B) är en bild med låg förstoring som visar den övergripande morfologin hos monolager-MGG:er på TEM-rutnätet. Infällningar i (C) är intensitetsprofilerna tagna längs de rektangulära rutorna som anges i bilden, där avstånden mellan atomplanen är 0,34 och 0,41 nm. (D) Kol K-kant EEL-spektrum med de karakteristiska grafitiska π*- och σ*-topparna märkta. (E) Sektions-AFM-bild av monolager-G/G-scrolls med en höjdprofil längs den gula prickade linjen. (F till I) Optiska mikroskopi- och AFM-bilder av trelagers G utan (F och H) respektive med rullar (G och I) på 300 nm tjocka SiO2/Si-substrat. Representativa rullar och veck märktes för att markera deras skillnader.
För att verifiera att rullarna till sin natur är rullad grafen utförde vi högupplösta transmissionselektronmikroskopi (TEM) och elektronenergiförlust (EEL) spektroskopistudier på monolager top-G/G rullstrukturer. Figur 1B visar den hexagonala strukturen hos en monolagergrafen, och infällningen är en övergripande morfologi av filmen täckt på ett enda kolhål i TEM-rutnätet. Monolagergrafenet spänner över större delen av rutnätet, och några grafenflingor i närvaro av flera staplar av hexagonala ringar visas (Fig. 1B). Genom att zooma in på en enskild rullning (Fig. 1C) observerade vi en stor mängd grafengitterfransar, med gitteravståndet i intervallet 0,34 till 0,41 nm. Dessa mätningar tyder på att flingorna är slumpmässigt rullade upp och inte är perfekt grafit, som har ett gitteravstånd på 0,34 nm i "ABAB"-lagerstapling. Figur 1D visar kolets K-kants EEL-spektrum, där toppen vid 285 eV härrör från π*-orbitalen och den andra runt 290 eV beror på övergången av σ*-orbitalen. Det kan ses att sp2-bindning dominerar i denna struktur, vilket verifierar att spiralerna är starkt grafitiska.
Bilder tagna med optisk mikroskopi och atomkraftsmikroskopi (AFM) ger insikt i fördelningen av grafen-nanorullar i MGG:erna (Fig. 1, E till G, och fig. S1 och S2). Rullarna är slumpmässigt fördelade över ytan, och deras densitet i planet ökar proportionellt mot antalet staplade lager. Många rullar är trassliga ihop till knutar och uppvisar ojämna höjder i intervallet 10 till 100 nm. De är 1 till 20 μm långa och 0,1 till 1 μm breda, beroende på storleken på deras ursprungliga grafenflingor. Som visas i Fig. 1 (H och I) har rullarna betydligt större storlekar än vecken, vilket leder till ett mycket grövre gränssnitt mellan grafenlagren.
För att mäta de elektriska egenskaperna mönstrade vi grafenfilmer med eller utan rullstrukturer och lagerstapling till 300 μm breda och 2000 μm långa remsor med hjälp av fotolitografi. Tvåprobsresistanser som funktion av töjning mättes under omgivande förhållanden. Närvaron av rullar minskade resistiviteten för monolagergrafen med 80 % med endast en minskning av transmittansen på 2,2 % (fig. S4). Detta bekräftar att nanorullar, som har en hög strömtäthet upp till 5 × 107 A/cm2 (38, 39), ger ett mycket positivt elektriskt bidrag till MGG:erna. Bland alla mono-, bi- och trelagers grafen och MGG:er har trelagers-MGG:n den bästa konduktansen med en transparens på nästan 90 %. För att jämföra med andra grafenkällor som rapporterats i litteraturen mätte vi även arkresistanser med fyra prober (fig. S5) och listade dem som en funktion av transmittans vid 550 nm (fig. S6) i figur 2A. MGG uppvisar jämförbar eller högre konduktivitet och transparens än artificiellt staplad flerskiktad vanlig grafen och reducerad grafenoxid (RGO) (6, 8, 18). Observera att arkresistanserna för artificiellt staplad flerskiktad vanlig grafen från litteraturen är något högre än för vår MGG, troligen på grund av deras ooptimerade tillväxtförhållanden och överföringsmetod.
(A) Fyra-probsskiktsresistanser kontra transmittans vid 550 nm för flera typer av grafen, där svarta kvadrater betecknar mono-, bi- och treskikts-MGG; röda cirklar och blå trianglar motsvarar flerskiktsgrafen odlad på Cu och Ni från studierna av Li et al. (6) respektive Kim et al. (8), och därefter överförd till SiO2/Si eller kvarts; och gröna trianglar är värden för RGO vid olika reduktionsgrader från studien av Bonaccorso et al. (18). (B och C) Normaliserad resistansförändring av mono-, bi- och treskikts-MGG och G som en funktion av vinkelrät (B) och parallell (C) töjning mot strömflödets riktning. (D) Normaliserad resistansförändring av biskikt G (rött) och MGG (svart) under cyklisk töjningsbelastning upp till 50 % vinkelrät töjning. (E) Normaliserad resistansförändring av treskikt G (rött) och MGG (svart) under cyklisk töjningsbelastning upp till 90 % parallell töjning. (F) Normaliserad kapacitansförändring för mono-, bi- och trilager G och bi- och trilager MGG som funktion av töjning. Infällningen visar kondensatorstrukturen, där polymersubstratet är SEBS och det dielektriska polymerskiktet är det 2 μm tjocka SEBS.
För att utvärdera den töjningsberoende prestandan hos MGG:n överförde vi grafen till termoplastiska elastomerer styren-eten-butadien-styren (SEBS)-substrat (~2 cm breda och ~5 cm långa), och konduktiviteten mättes när substratet sträcktes (se Material och metoder) både vinkelrätt och parallellt med strömflödesriktningen (Fig. 2, B och C). Det töjningsberoende elektriska beteendet förbättrades med införandet av nanoscrolls och ett ökande antal grafenlager. Till exempel, när töjningen är vinkelrät mot strömflödet, ökade tillsatsen av scrolls för monolagergrafen töjningen vid elektriskt brott från 5 till 70%. Töjningstoleransen för trelagergrafen förbättras också avsevärt jämfört med monolagergrafen. Med nanoscrolls, vid 100 % vinkelrät töjning, ökade resistansen hos trelager-MGG-strukturen endast med 50 %, jämfört med 300 % för trelagergrafen utan scrolls. Resistansförändring under cyklisk töjningsbelastning undersöktes. Som jämförelse (Fig. 2D) ökade resistansen hos en vanlig tvåskiktsgrafenfilm cirka 7,5 gånger efter ~700 cykler vid 50 % vinkelrät töjning och fortsatte att öka med töjningen i varje cykel. Å andra sidan ökade resistansen hos en tvåskikts-MGG endast cirka 2,5 gånger efter ~700 cykler. Vid applicering av upp till 90 % töjning längs den parallella riktningen ökade resistansen hos treskiktsgrafen ~100 gånger efter 1000 cykler, medan den bara är ~8 gånger i en treskikts-MGG (Fig. 2E). Cykelresultat visas i fig. S7. Den relativt snabbare ökningen av resistansen längs den parallella töjningsriktningen beror på att sprickornas orientering är vinkelrät mot strömmens flödesriktning. Avvikelsen i resistans under belastnings- och urladdningsspänning beror på den viskoelastiska återhämtningen av SEBS-elastomersubstratet. Den mer stabila resistansen hos MGG-remsorna under cykling beror på närvaron av stora spiraler som kan överbrygga de spruckna delarna av grafenet (observerat med AFM), vilket hjälper till att upprätthålla en perkolerande väg. Detta fenomen att bibehålla konduktiviteten genom en perkolerande väg har tidigare rapporterats för spruckna metall- eller halvledarfilmer på elastomersubstrat (40, 41).
För att utvärdera dessa grafenbaserade filmer som grindelektroder i töjbara enheter täckte vi grafenlagret med ett SEBS dielektriskt lager (2 μm tjockt) och övervakade förändringen i den dielektriska kapacitansen som en funktion av töjning (se figur 2F och kompletterande material för detaljer). Vi observerade att kapacitanserna med enkla monolager- och tvålagergrafenelektroder snabbt minskade på grund av förlusten av grafenets planledningsförmåga. Däremot visade kapacitanser styrda av MGG:er såväl som enkla trelagergrafen en ökning av kapacitansen med töjning, vilket förväntas på grund av minskning av dielektrisk tjocklek med töjning. Den förväntade ökningen av kapacitansen matchade mycket väl MGG-strukturen (figur S8). Detta indikerar att MGG är lämplig som grindelektrod för töjbara transistorer.
För att ytterligare undersöka rollen av 1D-grafenrullen på töjningstoleransen för elektrisk ledningsförmåga och bättre kontrollera separationen mellan grafenskikten, använde vi spraybelagda CNT för att ersätta grafenrullarna (se kompletterande material). För att efterlikna MGG-strukturer deponerade vi tre densiteter av CNT (det vill säga CNT1
(A till C) AFM-bilder av tre olika densiteter av CNT:er (CNT1
För att ytterligare förstå deras förmåga som elektroder för töjbar elektronik undersökte vi systematiskt morfologierna hos MGG och G-CNT-G under belastning. Optisk mikroskopi och svepelektronmikroskopi (SEM) är inte effektiva karakteriseringsmetoder eftersom båda saknar färgkontrast och SEM är utsatt för bildartefakter under elektronskanning när grafen är på polymersubstrat (fig. S9 och S10). För att observera grafenytan in situ under belastning samlade vi in AFM-mätningar på trelagers-MGG och vanlig grafen efter överföring till mycket tunna (~0,1 mm tjocka) och elastiska SEBS-substrat. På grund av de inneboende defekterna i CVD-grafen och yttre skador under överföringsprocessen genereras sprickor oundvikligen på den spända grafenen, och med ökande belastning blev sprickorna tätare (fig. 4, A till D). Beroende på staplingsstrukturen hos de kolbaserade elektroderna uppvisar sprickorna olika morfologier (fig. S11) (27). Sprickareatätheten (definierad som sprickarea/analyserad area) för flerskiktsgrafen är mindre än för monoskiktsgrafen efter töjning, vilket överensstämmer med ökningen av elektrisk ledningsförmåga för MGG. Å andra sidan observeras ofta rullar överbrygga sprickorna, vilket ger ytterligare ledande vägar i den töjda filmen. Till exempel, som markerats i bilden i figur 4B, korsade en bred rulla en spricka i treskikts-MGG, men ingen rullning observerades i den enkla grafenen (figur 4, E till H). På liknande sätt överbryggade även CNT:er sprickorna i grafen (figur S11). Sprickareatätheten, rullareatätheten och filmernas ojämnhet sammanfattas i figur 4K.
(A till H) In situ AFM-bilder av trelagers-G/G-rullar (A till D) och trelagers-G-strukturer (E till H) på en mycket tunn SEBS-elastomer (~0,1 mm tjock) vid 0, 20, 60 och 100 % töjning. Representativa sprickor och rullar är markerade med pilar. Alla AFM-bilder är i ett område på 15 μm × 15 μm, med samma färgskala som den som anges. (I) Simuleringsgeometri för mönstrade monolager-grafenelektroder på SEBS-substratet. (J) Simuleringskonturkarta över den maximala principiella logaritmiska töjningen i monolager-grafenet och SEBS-substratet vid 20 % extern töjning. (K) Jämförelse av sprickareatäthet (röd kolumn), rullareatäthet (gul kolumn) och ytjämnhet (blå kolumn) för olika grafenstrukturer.
När MGG-filmerna sträcks finns det en viktig ytterligare mekanism där rullarna kan överbrygga spruckna områden i grafen och upprätthålla ett perkolerande nätverk. Grafenrullarna är lovande eftersom de kan vara tiotals mikrometer långa och därför kunna överbrygga sprickor som vanligtvis är upp till mikrometerskala. Eftersom rullarna består av flera lager av grafen förväntas de dessutom ha låg resistans. Som jämförelse krävs relativt täta (lägre transmittans) CNT-nätverk för att ge jämförbar ledande bryggkapacitet, eftersom CNT:er är mindre (vanligtvis några mikrometer långa) och mindre ledande än rullar. Å andra sidan, som visas i fig. S12, medan grafenet spricker under sträckning för att hantera töjning, spricker inte rullarna, vilket indikerar att den senare kan glida på den underliggande grafenen. Anledningen till att de inte spricker beror sannolikt på den ihoprullade strukturen, som består av många lager grafen (~1 till 20 μm lång, ~0,1 till 1 μm bred och ~10 till 100 nm hög), vilken har en högre effektiv modul än grafen med ett enda lager. Som rapporterats av Green och Hersam (42) kan metalliska CNT-nätverk (rördiameter på 1,0 nm) uppnå låga arkresistanser <100 ohm/kvadrat trots det stora övergångsmotståndet mellan CNT:er. Med tanke på att våra grafenrullar har bredder på 0,1 till 1 μm och att G/G-rullarna har mycket större kontaktytor än CNT:er, bör kontaktmotståndet och kontaktytan mellan grafen och grafenrullar inte vara begränsande faktorer för att bibehålla hög konduktivitet.
Grafenet har en mycket högre modul än SEBS-substratet. Även om grafenelektrodens effektiva tjocklek är mycket lägre än substratets, är grafenets styvhet gånger dess tjocklek jämförbar med substratets (43, 44), vilket resulterar i en måttlig styv-ö-effekt. Vi simulerade deformationen av en 1 nm tjock grafen på ett SEBS-substrat (se kompletterande material för detaljer). Enligt simuleringsresultaten är den genomsnittliga töjningen i grafenet ~6,6 % (fig. 4J och fig. S13D) när 20 % töjning appliceras externt på SEBS-substratet, vilket överensstämmer med experimentella observationer (se fig. S13). Vi jämförde töjningen i de mönstrade grafen- och substratregionerna med hjälp av optisk mikroskopi och fann att töjningen i substratregionen var minst dubbelt så stor som töjningen i grafenregionen. Detta indikerar att töjningen som applicerades på grafenelektrodmönster kan begränsas avsevärt och bilda grafenstyva öar ovanpå SEBS (26, 43, 44).
Därför möjliggörs sannolikt MGG-elektrodernas förmåga att bibehålla hög konduktivitet under hög belastning av två huvudmekanismer: (i) Rullarna kan överbrygga frånskilda områden för att upprätthålla en ledande perkoleringsväg, och (ii) flerskiktsgrafenarken/elastomeren kan glida över varandra, vilket resulterar i minskad belastning på grafenelektroderna. För flera lager av överförd grafen på elastomer är lagren inte starkt fästa vid varandra, vilket kan glida som svar på belastning (27). Rullarna ökade också grafenlagrens grovhet, vilket kan bidra till att öka separationen mellan grafenlagren och därmed möjliggöra glidning av grafenlagren.
Helkolbaserade komponenter eftersträvas entusiastiskt på grund av låg kostnad och hög genomströmning. I vårt fall tillverkades helkolbaserade transistorer med hjälp av en nedre grafengrind, en övre grafenkälla/dräneringskontakt, en sorterad CNT-halvledare och SEBS som dielektrikum (Fig. 5A). Som visas i Fig. 5B är en helkolbaserad komponent med CNT som source/drain och grind (nedre komponent) mer ogenomskinlig än komponenten med grafenelektroder (övre komponent). Detta beror på att CNT-nätverk kräver större tjocklekar och följaktligen lägre optiska transmittanser för att uppnå arkresistanser som liknar grafen (Fig. S4). Figur 5 (C och D) visar representativa överförings- och utgångskurvor före töjning för en transistor tillverkad med tvåskikts-MGG-elektroder. Kanalbredden och längden för den ospända transistorn var 800 respektive 100 μm. Det uppmätta på/av-förhållandet är större än 103 med på- och av-strömmar på nivåerna 10⁻⁶ respektive 10⁻⁶ A. Utgångskurvan uppvisar ideala linjära och mättnadsregimer med tydligt gate-spänningsberoende, vilket indikerar ideal kontakt mellan CNT:er och grafenelektroder (45). Kontaktresistansen med grafenelektroder observerades vara lägre än den med förångad Au-film (se fig. S14). Mättnadsmobiliteten hos den töjbara transistorn är cirka 5,6 cm2/Vs, liknande den för samma polymersorterade CNT-transistorer på styva Si-substrat med 300 nm SiO2 som dielektriskt skikt. Ytterligare förbättring av mobiliteten är möjlig med optimerad rördensitet och andra typer av rör (46).
(A) Schema av grafenbaserad töjbar transistor. SWNT:er, enkelväggiga kolnanorör. (B) Foto av de töjbara transistorerna gjorda av grafenelektroder (överst) och CNT-elektroder (nederst). Skillnaden i transparens är tydligt märkbar. (C och D) Överförings- och utgångskurvor för den grafenbaserade transistorn på SEBS före töjning. (E och F) Överföringskurvor, på- och avström, på/av-förhållande och mobilitet hos den grafenbaserade transistorn vid olika töjningar.
När den transparenta helkolskomponenten sträcktes i riktning parallellt med laddningstransportriktningen observerades minimal nedbrytning upp till 120 % töjning. Under sträckningen minskade mobiliteten kontinuerligt från 5,6 cm²/Vs vid 0 % töjning till 2,5 cm²/Vs vid 120 % töjning (Fig. 5F). Vi jämförde också transistorernas prestanda för olika kanallängder (se tabell S1). Det är värt att notera att vid en töjning så stor som 10⁴ % uppvisade alla dessa transistorer fortfarande ett högt på/av-förhållande (>10⁴) och mobilitet (>3 cm²/Vs). Dessutom sammanfattade vi allt nyligen utfört arbete med helkolstransistorer (se tabell S2) (47–52). Genom att optimera komponenttillverkningen på elastomerer och använda MGG:er som kontakter, visar våra helkolstransistorer god prestanda vad gäller mobilitet och hysteres samt att de är mycket töjbara.
Som en tillämpning av den helt transparenta och töjbara transistorn använde vi den för att styra en LED-lampas omkoppling (Fig. 6A). Som visas i Fig. 6B kan den gröna lysdioden ses tydligt genom den töjbara helkolfiberkomponenten som är placerad direkt ovanför. Även om den sträcks till ~100 % (Fig. 6, C och D) ändras inte LED-ljusintensiteten, vilket överensstämmer med transistorns prestanda som beskrivs ovan (se film S1). Detta är den första rapporten om töjbara styrenheter tillverkade med grafenelektroder, vilket demonstrerar en ny möjlighet för grafentöjbar elektronik.
(A) Krets för en transistor för att driva lysdioden. GND, jord. (B) Foto av den töjbara och transparenta helkoltransistorn vid 0 % belastning monterad ovanför en grön lysdiod. (C) Den helkoltransparenta och töjbara transistorn som används för att slå på lysdioden monteras ovanför lysdioden vid 0 % (vänster) och ~100 % belastning (höger). Vita pilar pekar som gula markörer på enheten för att visa avståndsförändringen som sträcks. (D) Sidovy av den sträckta transistorn, med lysdioden intryckt i elastomeren.
Sammanfattningsvis har vi utvecklat en transparent ledande grafenstruktur som bibehåller hög konduktivitet under stora belastningar som töjbara elektroder, möjliggjord av grafen-nanoscrolls mellan staplade grafenlager. Dessa två- och trelagers MGG-elektrodstrukturer på en elastomer kan bibehålla 21 respektive 65 % av sin 0 % töjningskonduktivitet vid en töjning så hög som 100 %, jämfört med fullständig förlust av konduktivitet vid 5 % töjning för typiska monolagersgrafenelektroder. De ytterligare ledande banorna för grafenscrolls såväl som den svaga interaktionen mellan de överförda lagren bidrar till den överlägsna konduktivitetsstabiliteten under belastning. Vi tillämpade vidare denna grafenstruktur för att tillverka töjbara transistorer helt i kol. Hittills är detta den mest töjbara grafenbaserade transistorn med bäst transparens utan att använda buckling. Även om den föreliggande studien genomfördes för att möjliggöra grafen för töjbar elektronik, tror vi att denna metod kan utvidgas till andra 2D-material för att möjliggöra töjbar 2D-elektronik.
Storyta CVD-grafen odlades på suspenderade Cu-folier (99,999 %; Alfa Aesar) under ett konstant tryck på 0,5 mtorr med 50–SCCM (standardkubikcentimeter per minut) CH4 och 20–SCCM H2 som prekursorer vid 1000 °C. Båda sidor av Cu-folien täcktes av ett enda lager av grafen. Ett tunt lager PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) spinnbelades på ena sidan av Cu-folien, vilket bildade en PMMA/G/Cu-folie/G-struktur. Därefter indränktes hela filmen i 0,1 M ammoniumpersulfat [(NH4)2S2O8]-lösning i cirka 2 timmar för att etsa bort Cu-folien. Under denna process slets den oskyddade baksidan av grafenet först längs korngränserna och rullades sedan upp till rullar på grund av ytspänning. Rullarna fästes på den PMMA-stödda övre grafenfilmen, vilket bildade PMMA/G/G-rullar. Filmerna tvättades därefter flera gånger i avjoniserat vatten och lades på ett målsubstrat, såsom ett styvt SiO2/Si- eller plastsubstrat. Så snart den fästa filmen torkat på substratet, blötlades provet sekventiellt i aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalkohol) och IPA i 30 sekunder vardera för att avlägsna PMMA. Filmerna värmdes vid 100 °C i 15 minuter eller hölls i vakuum över natten för att helt avlägsna det instängda vattnet innan ett annat lager av G/G-scrollen överfördes på den. Detta steg var för att undvika att grafenfilmen lossnade från substratet och säkerställa full täckning av MGG:er under frisättningen av PMMA-bärarskiktet.
Morfologin hos MGG-strukturen observerades med hjälp av ett optiskt mikroskop (Leica) och ett svepelektronmikroskop (1 kV; FEI). Ett atomkraftsmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) användes i tappningsläge för att observera detaljerna hos G-rullarna. Filmens transparens testades med en ultraviolett-synlig spektrometer (Agilent Cary 6000i). För testerna, när töjningen var längs strömmens vinkelräta riktning, användes fotolitografi och O2-plasma för att mönstra grafenstrukturer till remsor (~300 μm breda och ~2000 μm långa), och Au (50 nm)-elektroder termiskt avsattes med hjälp av skuggmasker i båda ändar av långsidan. Grafenremsorna placerades sedan i kontakt med en SEBS-elastomer (~2 cm bred och ~5 cm lång), med remsornas långa axel parallell med SEBS kortsida följt av BOE (buffrad oxidetsning) (HF:H2O 1:6)-etsning och eutektisk galliumindium (EGaIn) som elektriska kontakter. För parallella töjningstester överfördes omönstrade grafenstrukturer (~5 × 10 mm) till SEBS-substrat, med långa axlar parallella med SEBS-substratets långsida. I båda fallen sträcktes hela G (utan G-scrolls)/SEBS längs elastomerens långsida i en manuell apparat, och in situ mätte vi deras resistansförändringar under töjning på en probstation med en halvledaranalysator (Keithley 4200-SCS).
De mycket töjbara och transparenta helkoltransistorerna på ett elastiskt substrat tillverkades med följande procedurer för att undvika skador på polymerdielektrikumet och substratet orsakade av organiska lösningsmedel. MGG-strukturer överfördes till SEBS som grindelektroder. För att erhålla ett enhetligt tunnfilmspolymerdielektriskt lager (2 μm tjockt) spinnbelades en SEBS-toluenlösning (80 mg/ml) på ett oktadecyltriklorsilan (OTS)-modifierat SiO2/Si-substrat vid 1000 rpm i 1 minut. Den tunna dielektriska filmen kan enkelt överföras från den hydrofoba OTS-ytan till SEBS-substratet täckt med den framställda grafenen. En kondensator kunde tillverkas genom att avsätta en flytande metall (EGaIn; Sigma-Aldrich) toppelektrod för att bestämma kapacitansen som en funktion av töjning med hjälp av en LCR-mätare (induktans, kapacitans, resistans) (Agilent). Den andra delen av transistorn bestod av polymersorterade halvledande CNT:er, enligt de procedurer som rapporterats tidigare (53). De mönstrade käll-/dränelektroderna tillverkades på styva SiO2/Si-substrat. Därefter laminerades de två delarna, dielektrikum/G/SEBS och CNT/mönstrad G/SiO2/Si, till varandra och indränktes i BOE för att avlägsna det styva SiO2/Si-substratet. Således tillverkades de helt transparenta och töjbara transistorerna. Den elektriska testningen under belastning utfördes på en manuell sträckningsuppställning enligt ovan nämnda metod.
Kompletterande material till denna artikel finns tillgängligt på http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Optiska mikroskopibilder av monolager-MGG på SiO2/Si-substrat vid olika förstoringsgrader.
fig. S4. Jämförelse av resistanser och transmittanser hos tvåprobsskikt vid 550 nm för enkel-, två- och treskiktsgrafen (svarta rutor), MGG (röda cirklar) och CNT:er (blå triangel).
fig. S7. Normaliserad resistansförändring för mono- och bilager-MGG:er (svart) och G (röd) under ~1000 cyklisk töjningsbelastning upp till 40 respektive 90 % parallell töjning.
fig. S10. SEM-bild av trelagers-MGG på SEBS-elastomer efter töjning, som visar ett långt spiralkors över flera sprickor.
fig. S12. AFM-bild av trelagers-MGG på mycket tunn SEBS-elastomer vid 20 % töjning, som visar att en spiral korsat en spricka.
Tabell S1. Mobiliteter hos dubbelskiktade MGG – enkelväggiga kolnanorörstransistorer vid olika kanallängder före och efter töjning.
Detta är en artikel med öppen åtkomst som distribueras under villkoren i Creative Commons Attribution-NonCommercial-licensen, som tillåter användning, distribution och reproduktion i vilket medium som helst, så länge den resulterande användningen inte sker för kommersiella fördelar och förutsatt att originalverket citeras korrekt.
OBS: Vi ber bara om din e-postadress så att personen du rekommenderar sidan till vet att du ville att de skulle se den, och att det inte är skräppost. Vi samlar inte in någon e-postadress.
Den här frågan är till för att testa om du är en mänsklig besökare och för att förhindra automatiserade skräppostinskick.
Av 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
Av 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. Alla rättigheter reserverade. AAAS är partner till HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef och COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Publiceringstid: 28 januari 2021