Tvådimensionella material, som grafen, är attraktiva för både konventionella halvledarapplikationer och begynnande applikationer inom flexibel elektronik.Den höga draghållfastheten hos grafen resulterar dock i sprickbildning vid låg töjning, vilket gör det utmanande att dra fördel 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 multilayer graphene/graphene scrolls (MGG).Under belastning överbryggade några rullar de fragmenterade domänerna av grafen för att upprätthålla ett perkolerande nätverk som möjliggjorde utmärkt ledningsförmåga vid höga spänningar.Treskikts MGGs stödda på elastomerer behöll 65 % av sin ursprungliga konduktans vid 100 % töjning, vilket är vinkelrät mot strömflödets riktning, medan treskiktsfilmer av grafen utan nanoscroll endast behöll 25 % av sin startkonduktans.En töjbar transistor i helt kol tillverkad med MGGs som elektroder uppvisade en transmittans på >90 % och bibehöll 60 % av sin ursprungliga strömutgång vid 120 % töjning (parallellt med laddningstransportriktningen).Dessa mycket töjbara och transparenta transistorer helt i kol kan möjliggöra sofistikerad töjbar optoelektronik.
Sträckbar transparent elektronik är ett växande område som har viktiga tillämpningar i avancerade biointegrerade system (1, 2) samt potentialen att integrera med sträckbar optoelektronik (3, 4) för att producera sofistikerad mjuk robotik och displayer.Grafen uppvisar mycket önskvärda egenskaper av atomtjocklek, hög transparens och hög konduktivitet, men dess implementering i sträckbara applikationer har hämmats av dess tendens att spricka vid små töjningar.Att övervinna grafenens mekaniska begränsningar kan möjliggöra ny funktionalitet i töjbara transparenta enheter.
De unika egenskaperna hos grafen gör det till en stark kandidat för nästa generation av transparenta ledande elektroder (5, 6).Jämfört med den mest använda transparenta ledaren, indiumtennoxid [ITO;100 ohm/kvadrat (kvadrat) vid 90 % transparens ], monolager grafen odlad genom kemisk ångavsättning (CVD) har en liknande kombination av arkresistans (125 ohm/kvadrat) och transparens (97,4%) (5).Dessutom har grafenfilmer extraordinär flexibilitet jämfört med ITO (7).Till exempel, på ett plastsubstrat, kan dess konduktans bibehållas 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) silvernanotrådar eller kolnanorör (CNT) (9–11).Dessutom har grafen använts som elektroder för blandade dimensionella 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 i töjbar elektronik begränsats av dess mekaniska egenskaper (17, 24, 25);grafen har en styvhet i planet på 340 N/m och en Youngs modul på 0,5 TPa ( 26).Det starka kol-kolnätverket tillhandahåller inga energiavledningsmekanismer för applicerad töjning och spricker därför lätt vid mindre än 5 % töjning.Till exempel kan CVD-grafen överförd till ett elastiskt polydimetylsiloxan (PDMS) substrat endast bibehålla sin ledningsförmåga 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 treskiktsgrafen är töjbar till 30 % töjning, och uppvisar resistansförändring 13 gånger mindre än den för monoskiktsgrafen (27).Denna töjbarhet är dock fortfarande betydligt sämre än de senaste töjbara ledarna (28, 29).
Transistorer är viktiga i töjbara applikationer 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 % påkänning (32), vilket är betydligt under minimikravet (~50 %) för bärbara hälsoövervakningssensorer och elektronisk hud ( 33, 34).Nyligen har ett grafen kirigami-tillvägagångssätt undersökts, och transistorn som spärras av en flytande elektrolyt kan sträckas till så mycket som 240% (35).Denna metod kräver dock suspenderad grafen, vilket komplicerar tillverkningsprocessen.
Här uppnår vi mycket töjbara grafenenheter genom att interkalera grafenrullar (~1 till 20 μm långa, ~0,1 till 1 μm breda och ~10 till 100 nm höga) mellan grafenskikten.Vi antar att dessa grafenrullar skulle kunna tillhandahålla ledande banor för att överbrygga sprickor i grafenarken, och på så sätt bibehålla hög ledningsförmåga under belastning.Grafenrullarna kräver ingen ytterligare syntes eller process;de bildas naturligt under våtöverföringsproceduren.Genom att använda flerlagers G/G (grafen/grafen) rullar (MGGs) grafensträckbara elektroder (source/drain och gate) och halvledande CNT:er kunde vi demonstrera mycket transparenta och mycket töjbara koltransistorer, som kan sträckas till 120 % töjning (parallellt med laddningstransportriktningen) och bibehåller 60 % av sin ursprungliga strömutgång.Detta är den mest töjbara transparenta kolbaserade transistorn hittills, och den ger tillräcklig ström för att driva en oorganisk lysdiod.
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 bildar G/Cu/G-strukturer.För att överföra grafen, snurrade vi först ett tunt lager av poly(metylmetakrylat) (PMMA) för att skydda ena sidan av grafenen, som vi kallade grafen på ovansidan (vice versa för den andra sidan av grafenen), och därefter hela filmen (PMMA/topgrafen/Cu/bottengrafen) blötlades i (NH4)2S2O8-lösning för att etsa bort Cu-folien.Undersidans grafen utan PMMA-beläggning kommer oundvikligen att ha sprickor och defekter som gör att ett etsmedel kan tränga igenom (36, 37).Som illustreras i Fig. 1A, under inverkan av ytspänning, rullades de frigjorda grafendomänerna upp i rullar och fästes därefter på den återstående top-G/PMMA-filmen.Topp-G/G-rullarna kan överföras till vilket substrat som helst, såsom SiO2/Si, glas eller mjuk polymer.Att upprepa denna överföringsprocess flera gånger på samma substrat ger MGG-strukturer.
(A) Schematisk illustration av tillverkningsproceduren för MGGs som en töjbar elektrod.Under grafenöverföringen bröts baksidans grafen på Cu-folie vid gränser och defekter, rullades ihop till godtyckliga former och fästes tätt på de övre filmerna och bildade nanoscrolls.Den fjärde tecknade filmen visar den staplade MGG-strukturen.(B och C) Högupplösta TEM-karakteriseringar av en monolager MGG, med fokus på monolager grafen (B) respektive scroll (C) regionen.Insättningen av (B) är en bild med låg förstoring som visar den övergripande morfologin för monolager MGG på TEM-nätet.Insättningar av (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) AFM-sektionsbild av monolager G/G-rullar med en höjdprofil längs den gula streckade linjen.(F till I) Optisk mikroskopi och AFM-bilder av trilager G utan (F och H) och med rullningar (G och I) på 300 nm tjocka SiO2/Si-substrat, respektive.Representativa rullar och rynkor märktes för att framhäva deras skillnader.
För att verifiera att rullarna är av rullad grafen till sin natur, genomförde vi högupplösta transmissionselektronmikroskopi (TEM) och elektronenergiförlust (EEL) spektroskopistudier på monolager topp-G/G rullstrukturer.Figur 1B visar den hexagonala strukturen av en monolagergrafen, och insättningen är en övergripande morfologi av filmen täckt av ett enda kolhål i TEM-nätet.Enskiktsgrafenen spänner över det mesta av rutnätet, och några grafenflingor i närvaro av flera staplar av sexkantiga ringar uppträder (Fig. 1B).Genom att zooma in i 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 rullas upp slumpmässigt 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 rullarna är mycket grafitiska.
Optisk mikroskopi och atomkraftmikroskopi (AFM) bilder ger insikt i fördelningen av grafen nanoscrolls i MGGs (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 till knutar och uppvisar ojämna höjder inom 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 rynkorna, vilket leder till ett mycket grövre gränssnitt mellan grafenskikten.
För att mäta de elektriska egenskaperna mönstrade vi grafenfilmer med eller utan rullningsstrukturer och staplade lager i 300 μm breda och 2000 μm långa remsor med fotolitografi.Två-sondsresistanser som en funktion av töjning mättes under omgivande förhållanden.Närvaron av rullar minskade resistiviteten för monolagergrafen med 80 % med endast en 2,2 % minskning av transmittansen (fig. S4).Detta bekräftar att nanoscroll, som har en hög strömtäthet upp till 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), ger ett mycket positivt elektriskt bidrag till MGG.Bland alla mono-, bi- och trilagers vanlig grafen och MGG har trelager MGG den bästa konduktansen med en transparens på nästan 90 %.För att jämföra med andra källor till grafen som rapporterats i litteraturen, mätte vi också resistanser med fyra sönder ark (fig. S5) och listade dem som en funktion av transmittans vid 550 nm (fig. S6) i fig. 2A.MGG visar jämförbar eller högre ledningsförmåga och transparens än artificiellt staplad flerlagers vanlig grafen och reducerad grafenoxid (RGO) (6, 8, 18).Observera att arkresistanserna för artificiellt staplad flerlagers vanlig grafen från litteraturen är något högre än för vår MGG, förmodligen på grund av deras ooptimerade tillväxtförhållanden och överföringsmetod.
(A) Fyra-sonds arkresistans kontra transmittans vid 550 nm för flera typer av grafen, där svarta rutor betecknar mono-, bi- och trilayer MGGs;röda cirklar och blå trianglar motsvarar flerskikts vanlig grafen som odlats på Cu och Ni från studier av Li et al.(6) och Kim et al.(8) respektive och överfördes därefter till SiO2/Si eller kvarts;och gröna trianglar är värden för RGO i olika reducerande grader från studien av Bonaccorso et al.(18).(B och C) Normaliserad resistansförändring av mono-, två- och treskikts MGG och G som en funktion av vinkelrät (B) och parallell (C) töjning mot strömriktningen.(D) Normaliserad resistansförändring av dubbelskiktet G (röd) och MGG (svart) under cyklisk belastning upp till 50 % vinkelrät töjning.(E) Normaliserad resistansförändring av treskikts G (röd) och MGG (svart) under cyklisk belastning upp till 90 % parallell belastning.(F) Normaliserad kapacitansförändring av mono-, två- och trilager G och två- och trelagers MGGs som en töjningsfunktion.Insättningen är kondensatorstrukturen, där polymersubstratet är SEBS och det dielektriska polymerskiktet är det 2 μm tjocka SEBS.
För att utvärdera MGG:s stamberoende prestanda överförde vi grafen till termoplastiska elastomer styren-etylen-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 strömriktningen (Fig. 2, B och C).Det spänningsberoende elektriska beteendet förbättrades med införandet av nanoscrolls och ökande antal grafenlager.Till exempel, när töjningen är vinkelrät mot strömflödet, för monoskiktsgrafen, ökade tillsatsen av rullar töjningen vid elektriskt brott från 5 till 70 %.Töjningstoleransen för treskiktsgrafen är också avsevärt förbättrad jämfört med monoskiktsgrafen.Med nanoscrolls, vid 100 % vinkelrät töjning, ökade motståndet hos treskikts MGG-strukturen endast med 50 %, jämfört med 300 % för treskiktsgrafen utan rullar.Resistansförändring under cyklisk töjningsbelastning undersöktes.Som jämförelse (Fig. 2D), ökade motstånden för en vanlig tvåskiktsgrafenfilm cirka 7,5 gånger efter ~700 cykler vid 50% vinkelrät belastning och fortsatte att öka med belastningen i varje cykel.Å andra sidan ökade motståndet hos en MGG med två skikt endast cirka 2,5 gånger efter ~700 cykler.Genom att applicera upp till 90 % påkänning längs den parallella riktningen ökade motståndet hos treskiktsgrafen ~100 gånger efter 1000 cykler, medan det bara är ~8 gånger i en treskikts MGG (Fig. 2E).Cykelresultat visas i fig.S7.Den relativt snabbare ökningen av motstånd längs den parallella töjningsriktningen beror på att orienteringen av sprickor är vinkelrät mot strömriktningen.Motståndsavvikelsen under belastning och avlastning beror på den viskoelastiska återhämtningen av SEBS-elastomersubstrat.Det mer stabila motståndet hos MGG-remsorna under cykling beror på förekomsten av stora rullar som kan överbrygga de spruckna delarna av grafenet (som observerats av AFM), vilket hjälper till att upprätthålla en genomträngande väg.Detta fenomen med att bibehålla konduktiviteten genom en perkoleringsväg har rapporterats tidigare för spruckna metall- eller halvledarfilmer på elastomersubstrat (40, 41).
För att utvärdera dessa grafenbaserade filmer som grindelektroder i sträckbara enheter täckte vi grafenskiktet med ett SEBS dielektriskt skikt (2 μm tjockt) och övervakade den dielektriska kapacitansförändringen som en funktion av töjning (se Fig. 2F och tilläggsmaterialen för detaljer).Vi observerade att kapacitanser med vanliga monolager och dubbellager grafenelektroder snabbt minskade på grund av förlusten av ledningsförmåga i planet hos grafen.Däremot visade kapacitanser grindade av MGGs såväl som vanlig treskiktsgrafen 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 med MGG-strukturen (fig. S8).Detta indikerar att MGG är lämplig som grindelektrod för sträckbara transistorer.
För att ytterligare undersöka 1D-grafensrullens roll på spänningstoleransen för elektrisk ledningsförmåga och bättre kontrollera separationen mellan grafenskikten använde vi spraybelagda CNT:er för att ersätta grafenrullarna (se tilläggsmaterial).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 (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 föremål för bildartefakter under elektronskanning när grafen finns på polymersubstrat (fig. S9 och S10).För att observera grafenytan under spänning in situ, samlade vi 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 oundvikligen sprickor på den ansträngda 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).Sprickareadensitet (definierad som sprickarea/analyserad area) för flerskiktsgrafen är mindre än för monolagergrafen efter töjning, vilket är förenligt med ökningen av elektrisk ledningsförmåga för MGG.Å andra sidan observeras ofta rullar som överbryggar sprickorna, vilket ger ytterligare ledande banor i den spända filmen.Till exempel, som märkt i bilden i fig. 4B, korsade en bred rullning över en spricka i treskikts-MGG, men ingen rullning observerades i vanlig grafen (fig. 4, E till H).På samma sätt överbryggade CNTs också sprickorna i grafen (fig. S11).Sprickområdestätheten, rullareadensiteten och grovheten hos filmerna sammanfattas i Fig. 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 (~0,1 mm tjock) elastomer vid 0, 20, 60 och 100 % töjning.Representativa sprickor och rullar är spetsade med pilar.Alla AFM-bilder är i ett område av 15 μm × 15 μm, med samma färgskala som märkt.(I) Simuleringsgeometri av mönstrade monolagergrafenelektroder på SEBS-substratet.(J) Simuleringskonturkarta av den maximala huvudsakliga logaritmiska stammen i monolagergrafen och SEBS-substratet vid 20% extern stam.(K) Jämförelse av sprickareadensitet (röd kolumn), rullareadensitet (gul kolumn) och ytjämnhet (blå kolumn) för olika grafenstrukturer.
När MGG-filmerna sträcks, finns det en viktig ytterligare mekanism som gör att rullarna kan överbrygga spruckna områden av grafen och upprätthålla ett genomströmmande nätverk.Grafenrullarna är lovande eftersom de kan vara tiotals mikrometer långa och därför kan överbrygga sprickor som vanligtvis är upp till mikrometerskala.Dessutom, eftersom rullarna består av flera lager av grafen, förväntas de ha lågt motstånd.Som jämförelse krävs relativt täta (lägre transmittans) CNT-nätverk för att tillhandahålla jämförbar ledningsbryggningsförmåga, eftersom CNT:er är mindre (typiskt några mikrometer långa) och mindre ledande än rullar.Å andra sidan, såsom visas i fig.S12, medan grafenet spricker under sträckning för att ta emot töjning, spricker inte rullarna, vilket indikerar att den senare kan glida på den underliggande grafenen.Anledningen till att de inte spricker beror troligen på den hoprullade strukturen, som består av många lager av grafen (~1 till 2 0 μm långa, ~0,1 till 1 μm breda och ~10 till 100 nm höga), som har en högre effektiv modul än enskiktsgrafen.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 korsningsmotståndet mellan CNT.Med tanke på att våra grafenrullar har bredder på 0,1 till 1 μm och att G/G-rullar har mycket större kontaktytor än CNT:er, bör kontaktmotståndet och kontaktytan mellan grafen- och grafenrullar inte vara begränsande faktorer för att upprätthålla hög konduktivitet.
Grafenen har en mycket högre modul än SEBS-substratet.Även om den effektiva tjockleken på grafenelektroden är mycket lägre än substratets, är grafenens 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 tilläggsmaterial för detaljer).Enligt simuleringsresultaten, när 20% töjning appliceras på SEBS-substratet externt, är den genomsnittliga töjningen i grafen ~6,6% (fig. 4J och fig. S13D), vilket överensstämmer med experimentella observationer (se fig. S13). .Vi jämförde stammen i de mönstrade grafen- och substratregionerna med hjälp av optisk mikroskopi och fann att stammen i substratregionen var minst dubbelt så stor som stammen i grafenregionen.Detta indikerar att belastningen som appliceras på grafenelektrodmönster kan vara avsevärt begränsad och bilda grafenstyva öar ovanpå SEBS (26, 43, 44).
Därför möjliggörs troligen MGG-elektrodernas förmåga att bibehålla hög ledningsförmåga under hög belastning av två huvudmekanismer: (i) rullarna kan överbrygga frånkopplade regioner för att upprätthålla en ledande perkolationsväg, och (ii) de flerskiktiga grafenarken/elastomeren kan glida över varandra, vilket resulterar i minskad belastning på grafenelektroder.För flera lager av överförd grafen på elastomer är lagren inte starkt fästa med varandra, vilket kan glida som svar på påkänning (27).Rullarna ökade också grovheten hos grafenlagren, vilket kan bidra till att öka separationen mellan grafenlagren och därför möjliggöra glidningen av grafenlagren.
Koldioxidenheter eftersträvas entusiastiskt på grund av låg kostnad och hög genomströmning.I vårt fall tillverkades helt koltransistorer med användning av en bottengrafenport, en övre grafenkälla/dräneringskontakt, en sorterad CNT-halvledare och SEBS som dielektrikum (Fig. 5A).Såsom visas i Fig. 5B är en helt kol-enhet med CNTs som source/drain och gate (nedre enheten) mer ogenomskinlig än enheten med grafenelektroder (övre enheten).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 gjord med tvåskikts MGG-elektroder.Kanalbredden och längden på den otränade transistorn var 800 respektive 100 μm.Det uppmätta på/av-förhållandet är större än 103 med till- och frånströmmar på nivåerna 10−5 respektive 10−8 A.Utgångskurvan uppvisar idealiska linjära och mättade regimer med tydligt gate-spänningsberoende, vilket indikerar idealisk kontakt mellan CNTs och grafenelektroder (45).Kontaktresistansen med grafenelektroder observerades vara lägre än den med förångad Au-film (se fig. S14).Mättnadsrörligheten för den sträckbara transistorn är cirka 5,6 cm2/Vs, liknande den för samma polymersorterade CNT-transistorer på styva Si-substrat med 300 nm SiO2 som ett dielektriskt skikt.Ytterligare förbättring av rörligheten är möjlig med optimerad rördensitet och andra typer av rör ( 46).
(A) Schema för grafenbaserad töjbar transistor.SWNTs, 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 spänning.(E och F) Överföringskurvor, på och av ström, på/av-förhållande och rörlighet för den grafenbaserade transistorn vid olika stammar.
När den genomskinliga anordningen helt i kol sträcktes i riktningen parallell med laddningstransportriktningen observerades minimal nedbrytning upp till 120 % töjning.Under stretching minskade rörligheten kontinuerligt från 5,6 cm2/Vs vid 0 % töjning till 2,5 cm2/Vs vid 120 % töjning (Fig. 5F).Vi jämförde också transistorns prestanda för olika kanallängder (se tabell S1).Noterbart, vid en spänning så stor som 105 %, uppvisade alla dessa transistorer fortfarande ett högt på/av-förhållande (>103) och rörlighet (>3 cm2/Vs).Dessutom sammanfattade vi allt det senaste arbetet med koltransistorer (se tabell S2) (47–52).Genom att optimera enhetstillverkningen på elastomerer och använda MGGs som kontakter, visar våra helt koltransistorer goda prestanda vad gäller rörlighet och hysteres samt är mycket töjbara.
Som en tillämpning av den helt transparenta och töjbara transistorn använde vi den för att styra en lysdiods omkoppling (Fig. 6A).Som visas i fig. 6B kan den gröna lysdioden ses tydligt genom den töjbara helt kol-anordningen placerad direkt ovanför.Medan den sträcker sig till ~100 % (fig. 6, C och D), ändras inte LED-ljusintensiteten, vilket är förenligt med transistorns prestanda som beskrivs ovan (se film S1).Detta är den första rapporten om töjbara styrenheter gjorda med grafenelektroder, som visar en ny möjlighet för töjbar grafenelektronik.
(A) Krets av en transistor för att driva LED.GND, mark.(B) Foto av den töjbara och genomskinliga transistorn helt i kol vid 0 % spänning monterad ovanför en grön lysdiod.(C) Den genomskinliga och töjbara transistorn i helt kol som används för att byta lysdioden monteras ovanför lysdioden vid 0% (vänster) och ~100% töjning (höger).Vita pilar pekar som de gula markörerna på enheten för att visa avståndsändringen som sträcks ut.(D) Sidovy av den sträckta transistorn, med lysdioden intryckt i elastomeren.
Sammanfattningsvis har vi utvecklat en transparent ledande grafenstruktur som bibehåller hög ledningsförmåga under stora påkänningar som töjbara elektroder, möjliggjort av grafennanoscroll mellan staplade grafenlager.Dessa två- och treskiktiga MGG-elektrodstrukturer på en elastomer kan bibehålla 21 respektive 65 % av sina 0 % töjningskonduktiviteter vid en töjning så hög som 100 %, jämfört med fullständig förlust av ledningsförmåga vid 5 % töjning för typiska enskiktsgrafenelektroder .De ytterligare ledande banorna för grafensrullar samt den svaga interaktionen mellan de överförda lagren bidrar till den överlägsna konduktivitetsstabiliteten under påfrestningar.Vi tillämpade ytterligare denna grafenstruktur för att tillverka töjbara transistorer i helt kol.Hittills är detta den mest töjbara grafenbaserade transistorn med den bästa transparensen utan att använda buckling.Även om den aktuella studien genomfördes för att möjliggöra grafen för töjbar elektronik, tror vi att detta tillvägagångssätt kan utökas till andra 2D-material för att möjliggöra töjbar 2D-elektronik.
Storarea CVD-grafen odlades på suspenderade Cu-folier (99,999%; Alfa Aesar) under ett konstant tryck på 0,5 mtorr med 50–SCCM (standard kubikcentimeter per minut) CH4 och 20–SCCM H2 som prekursorer vid 1000°C.Båda sidorna av Cu-folien täcktes av enskiktsgrafen.Ett tunt lager av PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) spinnbelades på ena sidan av Cu-folien, vilket bildade en PMMA/G/Cu-folie/G-struktur.därefter blötlades hela filmen i 0,1 M ammoniumpersulfat [(NH4)2S2O8]-lösning i cirka 2 timmar för att etsa bort Cu-folien.Under denna process slets först den oskyddade baksidans grafen längs korngränserna och rullades sedan upp till rullar på grund av ytspänning.Rullarna fästes på den PMMA-stödda övre grafenfilmen och bildade PMMA/G/G-rullar.Filmerna tvättades därefter i avjoniserat vatten flera gånger och lades på ett målsubstrat, såsom ett styvt SiO2/Si- eller plastsubstrat.Så snart den fästa filmen torkat på substratet, blöts provet i tur och ordning i aceton, 1:1 aceton/IPA (isopropylalkohol) och IPA i 30 s vardera för att avlägsna PMMA.Filmerna upphettades vid 100°C under 15 minuter eller hölls i vakuum över natten för att fullständigt avlägsna det infångade vattnet innan ytterligare ett lager av G/G-rulle överfördes till den.Detta steg var att undvika att grafenfilm lossnar från substratet och säkerställa full täckning av MGGs under frisättningen av PMMA-bärarskiktet.
Morfologin hos MGG-strukturen observerades med användning av ett optiskt mikroskop (Leica) och ett svepelektronmikroskop (1 kV; FEI).Ett atomkraftsmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) användes i tappläge för att observera detaljerna i G-rullarna.Filmgenomskinlighet testades med en ultraviolett-synlig spektrometer (Agilent Cary 6000i).För testerna när töjningen var längs den vinkelräta riktningen av strömflödet, användes fotolitografi och O2-plasma för att mönstra grafenstrukturer till remsor (~300 μm breda och ~2000 μm långa), och Au (50 nm) elektroder termiskt deponerades med hjälp av skuggmasker i båda ändarna av långsidan.Grafenremsorna sattes sedan i kontakt med en SEBS-elastomer (~2 cm bred och ~5 cm lång), med remsornas långa axel parallell med kortsidan av SEBS följt av BOE (buffrad oxidetch) (HF:H2O) 1:6) etsning och eutektiskt galliumindium (EGaIn) som elektriska kontakter.För parallella töjningstester överfördes omönstrade grafenstrukturer (~5 × 10 mm) till SEBS-substrat, med långa axlar parallella med långsidan av SEBS-substratet.För båda fallen sträcktes hela G (utan G-rullar)/SEBS längs långsidan av elastomeren i en manuell apparat, och in situ mätte vi deras resistansförändringar under belastning på en sondstation med en halvledaranalysator (Keithley 4200) -SCS).
De mycket töjbara och transparenta transistorerna helt i kol på ett elastiskt substrat tillverkades genom följande förfaranden för att undvika skador på organiska lösningsmedel på polymerdielektrikumet och substratet.MGG-strukturer överfördes till SEBS som grindelektroder.För att erhålla ett enhetligt dielektriskt skikt av tunnfilmspolymer (2 μm tjockt) spinnbelades en SEBS-toluen-lösning (80 mg/ml) på ett oktadecyltriklorsilan (OTS)-modifierat SiO2/Si-substrat vid 1000 rpm i 1 min.Den tunna dielektriska filmen kan enkelt överföras från den hydrofoba OTS-ytan till SEBS-substratet täckt med grafenen som framställts.En kondensator skulle kunna tillverkas genom att deponera en vätskeformig metall (EGaIn; Sigma-Aldrich) toppelektrod för att bestämma kapacitansen som en funktion av töjningen med hjälp av en LCR-mätare (induktans, kapacitans, motstånd) (Agilent).Den andra delen av transistorn bestod av polymersorterade halvledande CNT, enligt de procedurer som rapporterats tidigare (53).De mönstrade käll-/dräneringselektroderna tillverkades på styva SiO2/Si-substrat.Därefter laminerades de två delarna, dielektriska/G/SEBS och CNTs/mönstrade G/SiO2/Si, till varandra och blötlades 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 sträckningsuppsättning som ovannämnda metod.
Kompletterande material till den här artikeln finns tillgängligt på http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fikon.S1.Optiska mikroskopibilder av monolager MGG på SiO2/Si-substrat vid olika förstoringar.
fikon.S4.Jämförelse av resistanser och transmittanser med två probar vid 550 nm av enkel-, två- och treskiktsgrafen (svarta rutor), MGG (röda cirklar) och CNT (blå triangel).
fikon.S7.Normaliserad resistansförändring av mono- och dubbelskikts MGG (svart) och G (röd) under ~1000 cyklisk belastning upp till 40 respektive 90% parallell töjning.
fikon.S10.SEM-bild av treskikts MGG på SEBS-elastomer efter töjning, som visar ett långt rullkors över flera sprickor.
fikon.S12.AFM-bild av treskikts MGG på mycket tunn SEBS-elastomer vid 20 % töjning, som visar att en rullning korsade en spricka.
tabell S1.Rörligheter för dubbellagers MGG-enväggiga kolnanorörstransistorer vid olika kanallängder före och efter töjning.
Detta är en artikel med öppen tillgång som distribueras under villkoren i Creative Commons Attribution-NonCommercial-licensen, som tillåter användning, distribution och reproduktion i vilket medium som helst, så länge som den resulterande användningen inte är för kommersiella fördelar och förutsatt att originalverket är korrekt citerad.
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 registrerar ingen e-postadress.
Den här frågan är till för att testa om du är en mänsklig besökare eller inte och för att förhindra automatiska skräppostmeddelanden.
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 förbehållna.AAAS är partner till HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef och COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Posttid: 2021-jan-28