Bahan dua dimensi, seperti grafena, menarik untuk aplikasi semikonduktor konvensional dan aplikasi baharu dalam elektronik fleksibel. Walau bagaimanapun, kekuatan tegangan grafena yang tinggi mengakibatkan keretakan pada ketegangan rendah, menjadikannya sukar untuk memanfaatkan sifat elektroniknya yang luar biasa dalam elektronik boleh regang. Untuk membolehkan prestasi konduktor grafena lutsinar yang bergantung kepada ketegangan yang sangat baik, kami mencipta nanoskrol grafena di antara lapisan grafena yang disusun, yang dirujuk sebagai skrol grafena/grafena berbilang lapisan (MGG). Di bawah ketegangan, sesetengah skrol merapatkan domain grafena yang berpecah-belah untuk mengekalkan rangkaian perkolasi yang membolehkan kekonduksian yang sangat baik pada ketegangan yang tinggi. MGG trilapisan yang disokong pada elastomer mengekalkan 65% daripada kekonduksian asalnya pada ketegangan 100%, yang berserenjang dengan arah aliran arus, manakala filem trilapisan grafena tanpa nanoskrol hanya mengekalkan 25% daripada kekonduksian permulaannya. Transistor karbon penuh yang boleh diregangkan yang dibuat menggunakan MGG sebagai elektrod mempamerkan transmisi >90% dan mengekalkan 60% daripada output arus asalnya pada regangan 120% (selari dengan arah pengangkutan cas). Transistor karbon penuh yang sangat boleh diregangkan dan lutsinar ini boleh membolehkan optoelektronik boleh diregangkan yang canggih.
Elektronik lutsinar yang boleh diregangkan merupakan bidang yang semakin berkembang yang mempunyai aplikasi penting dalam sistem biointegrasi termaju (1, 2) serta potensi untuk disepadukan dengan optoelektronik yang boleh diregangkan (3, 4) untuk menghasilkan robotik dan paparan lembut yang canggih. Grafena mempamerkan sifat ketebalan atom, ketelusan yang tinggi dan kekonduksian yang tinggi yang sangat diingini, tetapi pelaksanaannya dalam aplikasi yang boleh diregangkan telah dihalang oleh kecenderungannya untuk retak pada regangan kecil. Mengatasi batasan mekanikal grafen boleh membolehkan fungsi baharu dalam peranti lutsinar yang boleh diregangkan.
Sifat unik grafena menjadikannya calon yang kuat untuk elektrod konduktif lutsinar generasi akan datang (5, 6). Berbanding dengan konduktor lutsinar yang paling biasa digunakan, indium timah oksida [ITO; 100 ohm/persegi (persegi) pada ketelusan 90%], grafena monolayer yang ditumbuhkan melalui pemendapan wap kimia (CVD) mempunyai kombinasi rintangan kepingan (125 ohm/persegi) dan ketelusan (97.4%) (5). Di samping itu, filem grafena mempunyai fleksibiliti yang luar biasa berbanding ITO (7). Contohnya, pada substrat plastik, kekonduksiannya boleh dikekalkan walaupun untuk jejari kelengkungan lenturan sekecil 0.8 mm (8). Untuk meningkatkan lagi prestasi elektriknya sebagai konduktor fleksibel lutsinar, kajian terdahulu telah membangunkan bahan hibrid grafena dengan wayar nano perak satu dimensi (1D) atau tiub nano karbon (CNT) (9–11). Tambahan pula, grafena telah digunakan sebagai elektrod untuk semikonduktor heterostruktur dimensi campuran (seperti Si pukal 2D, nanowayar/nanotube 1D dan titik kuantum 0D) (12), transistor fleksibel, sel suria dan diod pemancar cahaya (LED) (13–23).
Walaupun grafena telah menunjukkan hasil yang memberangsangkan untuk elektronik fleksibel, aplikasinya dalam elektronik boleh regang telah dihadkan oleh sifat mekanikalnya (17, 24, 25); grafena mempunyai kekakuan dalam satah 340 N/m dan modulus Young 0.5 TPa (26). Rangkaian karbon-karbon yang kuat tidak menyediakan sebarang mekanisme pelesapan tenaga untuk regangan yang dikenakan dan oleh itu mudah retak pada regangan kurang daripada 5%. Contohnya, grafena CVD yang dipindahkan ke substrat elastik polidimetilsiloksana (PDMS) hanya boleh mengekalkan kekonduksiannya pada regangan kurang daripada 6% (8). Pengiraan teori menunjukkan bahawa keruntuhan dan interaksi antara lapisan yang berbeza sepatutnya mengurangkan kekakuan dengan kuat (26). Dengan menyusun grafena ke dalam berbilang lapisan, dilaporkan bahawa grafena dwi- atau tri-lapisan ini boleh regang hingga regangan 30%, menunjukkan perubahan rintangan 13 kali lebih kecil daripada grafena monolayer (27). Walau bagaimanapun, kebolehuluran ini masih jauh lebih rendah berbanding konduktor bolehulur yang canggih (28, 29).
Transistor penting dalam aplikasi yang boleh diregangkan kerana ia membolehkan pembacaan sensor dan analisis isyarat yang canggih (30, 31). Transistor pada PDMS dengan grafena berbilang lapisan sebagai elektrod sumber/saliran dan bahan saluran boleh mengekalkan fungsi elektrik sehingga 5% regangan (32), yang jauh di bawah nilai minimum yang diperlukan (~50%) untuk sensor pemantauan kesihatan yang boleh dipakai dan kulit elektronik (33, 34). Baru-baru ini, pendekatan kirigami grafena telah diterokai, dan transistor yang dijaga oleh elektrolit cecair boleh diregangkan sehingga 240% (35). Walau bagaimanapun, kaedah ini memerlukan grafena terampai, yang merumitkan proses fabrikasi.
Di sini, kami mencapai peranti grafena yang sangat boleh diregangkan dengan menyelitkan skrol grafena (~1 hingga 20 μm panjang, ~0.1 hingga 1 μm lebar, dan ~10 hingga 100 nm tinggi) di antara lapisan grafena. Kami membuat hipotesis bahawa skrol grafena ini boleh menyediakan laluan konduktif untuk merapatkan retakan pada kepingan grafena, sekali gus mengekalkan kekonduksian yang tinggi di bawah tekanan. Skrol grafena tidak memerlukan sintesis atau proses tambahan; ia terbentuk secara semula jadi semasa prosedur pemindahan basah. Dengan menggunakan skrol G/G berbilang lapisan (grafena/grafena) (MGG) elektrod boleh diregangkan grafena (sumber/saliran dan get) dan CNT separa konduktif, kami dapat menunjukkan transistor semua karbon yang sangat lutsinar dan sangat boleh diregangkan, yang boleh diregangkan kepada 120% ketegangan (selari dengan arah pengangkutan cas) dan mengekalkan 60% daripada output arus asalnya. Ini adalah transistor berasaskan karbon lutsinar yang paling boleh diregangkan setakat ini, dan ia menyediakan arus yang mencukupi untuk memacu LED bukan organik.
Untuk membolehkan elektrod grafena lutsinar yang boleh diregangkan di kawasan yang luas, kami memilih grafena yang ditumbuhkan CVD pada kerajang Cu. Kerajang Cu digantung di tengah tiub kuarza CVD untuk membolehkan pertumbuhan grafena di kedua-dua belah pihak, membentuk struktur G/Cu/G. Untuk memindahkan grafena, pertama sekali kami menyalut lapisan nipis poli(metil metakrilat) (PMMA) dengan putaran untuk melindungi satu sisi grafena, yang kami namakan grafena bahagian atas (sebaliknya untuk sisi grafena yang lain), dan seterusnya, keseluruhan filem (PMMA/grafena atas/Cu/grafena bawah) direndam dalam larutan (NH4)2S2O8 untuk menanggalkan kerajang Cu. Grafena bahagian bawah tanpa salutan PMMA pasti akan mempunyai retakan dan kecacatan yang membolehkan pengetsa menembusi (36, 37). Seperti yang digambarkan dalam Rajah 1A, di bawah kesan tegangan permukaan, domain grafena yang dilepaskan digulung menjadi skrol dan seterusnya dilekatkan pada filem G/PMMA atas yang tinggal. Skrol G/G atas boleh dipindahkan ke mana-mana substrat, seperti SiO2/Si, kaca atau polimer lembut. Mengulangi proses pemindahan ini beberapa kali ke atas substrat yang sama menghasilkan struktur MGG.
(A) Ilustrasi skematik prosedur fabrikasi untuk MGG sebagai elektrod yang boleh diregangkan. Semasa pemindahan grafena, grafena bahagian belakang pada kerajang Cu dipecahkan pada sempadan dan kecacatan, digulung menjadi bentuk sewenang-wenangnya, dan dilekatkan rapat pada filem atas, membentuk nanoskrol. Kartun keempat menggambarkan struktur MGG yang disusun. (B dan C) Pencirian TEM resolusi tinggi MGG monolayer, masing-masing memberi tumpuan kepada grafena monolayer (B) dan kawasan skrol (C). Sisipan (B) ialah imej pembesaran rendah yang menunjukkan morfologi keseluruhan MGG monolayer pada grid TEM. Sisipan (C) ialah profil keamatan yang diambil di sepanjang kotak segi empat tepat yang ditunjukkan dalam imej, di mana jarak antara satah atom ialah 0.34 dan 0.41 nm. (D) Spektrum EEL tepi-K karbon dengan puncak grafit ciri π* dan σ* yang dilabel. (E) Imej AFM keratan skrol G/G monolayer dengan profil ketinggian di sepanjang garis putus-putus kuning. (F hingga I) Mikroskopi optik dan imej AFM bagi trilapisan G tanpa (F dan H) dan dengan skrol (G dan I) pada substrat SiO2/Si setebal 300 nm. Skrol dan kedutan perwakilan dilabelkan untuk menonjolkan perbezaannya.
Untuk mengesahkan bahawa skrol-skrol tersebut adalah grafena yang digulung secara semula jadi, kami menjalankan kajian spektroskopi mikroskopi elektron penghantaran (TEM) resolusi tinggi dan kehilangan tenaga elektron (EEL) pada struktur skrol atas-G/G monolayer. Rajah 1B menunjukkan struktur heksagon bagi grafena monolayer, dan sisipannya ialah morfologi keseluruhan filem yang dilitupi pada lubang karbon tunggal grid TEM. Grafena monolayer merangkumi sebahagian besar grid, dan beberapa kepingan grafena muncul dengan kehadiran berbilang susunan cincin heksagon (Rajah 1B). Dengan mengezum ke dalam skrol individu (Rajah 1C), kami memerhatikan sejumlah besar pinggir kekisi grafena, dengan jarak kekisi dalam julat 0.34 hingga 0.41 nm. Pengukuran ini menunjukkan bahawa kepingan-kepingan tersebut digulung secara rawak dan bukan grafit yang sempurna, yang mempunyai jarak kekisi 0.34 nm dalam susunan lapisan "ABAB". Rajah 1D menunjukkan spektrum EEL tepi-K karbon, di mana puncak pada 285 eV berasal dari orbital π* dan puncak yang satu lagi sekitar 290 eV adalah disebabkan oleh peralihan orbital σ*. Dapat dilihat bahawa ikatan sp2 mendominasi dalam struktur ini, mengesahkan bahawa skrol-skrol tersebut sangat grafit.
Imej mikroskopi optik dan mikroskopi daya atom (AFM) memberikan gambaran tentang taburan nanoskrol grafena dalam MGG (Rajah 1, E hingga G, dan rajah S1 dan S2). Skrol diagihkan secara rawak ke atas permukaan, dan ketumpatan dalam satahnya meningkat secara berkadaran dengan bilangan lapisan yang disusun. Banyak skrol kusut menjadi simpulan dan mempamerkan ketinggian yang tidak seragam dalam julat 10 hingga 100 nm. Panjangnya 1 hingga 20 μm dan lebar 0.1 hingga 1 μm, bergantung pada saiz kepingan grafena awalnya. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 (H dan I), skrol mempunyai saiz yang jauh lebih besar daripada kedutan, yang membawa kepada antara muka yang lebih kasar di antara lapisan grafena.
Untuk mengukur sifat elektrik, kami mencorakkan filem grafena dengan atau tanpa struktur skrol dan susunan lapisan menjadi jalur selebar 300 μm dan sepanjang 2000 μm menggunakan fotolitografi. Rintangan dua probe sebagai fungsi terikan diukur di bawah keadaan ambien. Kehadiran skrol mengurangkan kerintangan untuk grafena monolayer sebanyak 80% dengan hanya penurunan 2.2% dalam transmisi (rajah S4). Ini mengesahkan bahawa nanoskrol, yang mempunyai ketumpatan arus tinggi sehingga 5 × 107 A/cm2 (38, 39), memberikan sumbangan elektrik yang sangat positif kepada MGG. Antara semua grafena dan MGG biasa mono-, dwi-, dan trilayer, MGG trilayer mempunyai kekonduksian terbaik dengan ketelusan hampir 90%. Untuk membandingkan dengan sumber grafena lain yang dilaporkan dalam literatur, kami juga mengukur rintangan kepingan empat-probe (rajah S5) dan menyenaraikannya sebagai fungsi transmisi pada 550 nm (rajah S6) dalam Rajah 2A. MGG menunjukkan kekonduksian dan ketelusan yang setanding atau lebih tinggi daripada grafena polos berbilang lapisan yang disusun secara buatan dan oksida grafena terkurang (RGO) (6, 8, 18). Perhatikan bahawa rintangan kepingan grafena polos berbilang lapisan yang disusun secara buatan daripada literatur adalah sedikit lebih tinggi daripada MGG kami, mungkin kerana keadaan pertumbuhan dan kaedah pemindahannya yang tidak dioptimumkan.
(A) Rintangan helaian empat probe berbanding transmisi pada 550 nm untuk beberapa jenis grafena, di mana segi empat sama hitam menandakan MGG mono-, dwi-, dan trilapisan; bulatan merah dan segi tiga biru sepadan dengan grafena polos berbilang lapisan yang ditanam pada Cu dan Ni daripada kajian Li et al. (6) dan Kim et al. (8), masing-masing, dan seterusnya dipindahkan ke SiO2/Si atau kuarza; dan segi tiga hijau ialah nilai untuk RGO pada darjah pengurangan yang berbeza daripada kajian Bonaccorso et al. (18). (B dan C) Perubahan rintangan ternormalisasi MGG mono-, dwi- dan trilapisan dan G sebagai fungsi terikan serenjang (B) dan selari (C) kepada arah aliran arus. (D) Perubahan rintangan ternormalisasi dwilapisan G (merah) dan MGG (hitam) di bawah beban terikan kitaran sehingga 50% terikan serenjang. (E) Perubahan rintangan ternormalisasi trilapisan G (merah) dan MGG (hitam) di bawah beban terikan kitaran sehingga 90% terikan selari. (F) Perubahan kapasitans ternormalisasi bagi G mono-, dwi- dan trilapisan serta MGG dwi- dan trilapisan sebagai fungsi terikan. Sisipannya ialah struktur kapasitor, di mana substrat polimer ialah SEBS dan lapisan dielektrik polimer ialah SEBS setebal 2 μm.
Untuk menilai prestasi MGG yang bergantung kepada terikan, kami memindahkan grafena ke atas substrat elastomer termoplastik stirena-etilena-butadiena-stirena (SEBS) (~2 cm lebar dan ~5 cm panjang), dan kekonduksian diukur apabila substrat diregangkan (lihat Bahan dan Kaedah) secara serenjang dan selari dengan arah aliran arus (Rajah 2, B dan C). Tingkah laku elektrik yang bergantung kepada terikan bertambah baik dengan penggabungan nanoskrol dan peningkatan bilangan lapisan grafena. Contohnya, apabila terikan berserenjang dengan aliran arus, untuk grafena monolayer, penambahan skrol meningkatkan terikan pada kerosakan elektrik daripada 5 kepada 70%. Toleransi terikan grafena trilayer juga bertambah baik dengan ketara berbanding dengan grafena monolayer. Dengan nanoskrol, pada terikan serenjang 100%, rintangan struktur MGG trilayer hanya meningkat sebanyak 50%, berbanding 300% untuk grafena trilayer tanpa skrol. Perubahan rintangan di bawah beban terikan kitaran telah disiasat. Sebagai perbandingan (Rajah 2D), rintangan filem grafena dwilapisan biasa meningkat kira-kira 7.5 kali ganda selepas ~700 kitaran pada regangan serenjang 50% dan terus meningkat dengan regangan dalam setiap kitaran. Sebaliknya, rintangan MGG dwilapisan hanya meningkat kira-kira 2.5 kali ganda selepas ~700 kitaran. Dengan mengenakan regangan sehingga 90% sepanjang arah selari, rintangan grafena trilapisan meningkat ~100 kali ganda selepas 1000 kitaran, manakala ia hanya ~8 kali ganda dalam MGG trilapisan (Rajah 2E). Keputusan kitaran ditunjukkan dalam rajah S7. Peningkatan rintangan yang agak pantas sepanjang arah regangan selari adalah kerana orientasi retakan adalah serenjang dengan arah aliran arus. Penyimpangan rintangan semasa pemuatan dan pemunggahan regangan adalah disebabkan oleh pemulihan viskoelastik substrat elastomer SEBS. Rintangan jalur MGG yang lebih stabil semasa kitaran adalah disebabkan oleh kehadiran skrol besar yang boleh merapatkan bahagian retak grafena (seperti yang diperhatikan oleh AFM), membantu mengekalkan laluan perkolasi. Fenomena mengekalkan kekonduksian melalui laluan perkolasi ini telah dilaporkan sebelum ini untuk filem logam retak atau semikonduktor pada substrat elastomer (40, 41).
Untuk menilai filem berasaskan grafena ini sebagai elektrod get dalam peranti boleh regang, kami menutup lapisan grafena dengan lapisan dielektrik SEBS (tebal 2 μm) dan memantau perubahan kapasitans dielektrik sebagai fungsi terikan (lihat Rajah 2F dan Bahan Tambahan untuk butiran lanjut). Kami memerhatikan bahawa kapasitans dengan elektrod grafena monolayer dan dwilayer biasa berkurangan dengan cepat kerana kehilangan kekonduksian dalam satah grafena. Sebaliknya, kapasitans yang dijaga oleh MGG serta grafena trilayer biasa menunjukkan peningkatan kapasitans dengan terikan, yang dijangkakan kerana pengurangan ketebalan dielektrik dengan terikan. Peningkatan kapasitans yang dijangkakan sepadan dengan struktur MGG (rajah S8). Ini menunjukkan bahawa MGG sesuai sebagai elektrod get untuk transistor boleh regang.
Untuk mengkaji dengan lebih lanjut peranan skrol grafena 1D terhadap toleransi terikan kekonduksian elektrik dan mengawal pemisahan antara lapisan grafena dengan lebih baik, kami menggunakan CNT bersalut semburan untuk menggantikan skrol grafena (lihat Bahan Tambahan). Untuk meniru struktur MGG, kami memendapkan tiga ketumpatan CNT (iaitu, CNT1
(A hingga C) Imej AFM bagi tiga ketumpatan CNT yang berbeza (CNT1
Untuk lebih memahami keupayaannya sebagai elektrod untuk elektronik yang boleh diregangkan, kami secara sistematik mengkaji morfologi MGG dan G-CNT-G di bawah tekanan. Mikroskopi optik dan mikroskopi elektron imbasan (SEM) bukanlah kaedah pencirian yang berkesan kerana kedua-duanya kekurangan kontras warna dan SEM tertakluk kepada artifak imej semasa pengimbasan elektron apabila grafena berada pada substrat polimer (rajah S9 dan S10). Untuk memerhatikan in situ permukaan grafena di bawah tekanan, kami mengumpul ukuran AFM pada MGG trilapisan dan grafena biasa selepas dipindahkan ke substrat SEBS yang sangat nipis (tebal ~0.1 mm) dan elastik. Disebabkan oleh kecacatan intrinsik dalam grafena CVD dan kerosakan ekstrinsik semasa proses pemindahan, retakan pasti akan terhasil pada grafena yang tegang, dan dengan peningkatan tekanan, retakan menjadi lebih padat (Rajah 4, A hingga D). Bergantung pada struktur susunan elektrod berasaskan karbon, retakan mempamerkan morfologi yang berbeza (rajah S11) (27). Ketumpatan kawasan retak (ditakrifkan sebagai kawasan retak/kawasan yang dianalisis) grafena berbilang lapisan adalah kurang daripada grafena monolayer selepas terikan, yang konsisten dengan peningkatan kekonduksian elektrik untuk MGG. Sebaliknya, skrol sering diperhatikan untuk merapatkan retakan, menyediakan laluan konduktif tambahan dalam filem terikan. Contohnya, seperti yang dilabelkan dalam imej Rajah 4B, skrol lebar melintasi retakan dalam MGG trilayer, tetapi tiada skrol diperhatikan dalam grafena biasa (Rajah 4, E hingga H). Begitu juga, CNT juga merapatkan retakan dalam grafena (rajah S11). Ketumpatan kawasan retak, ketumpatan kawasan skrol dan kekasaran filem diringkaskan dalam Rajah 4K.
(A hingga H) Imej AFM in situ bagi skrol G/G trilapisan (A hingga D) dan struktur G trilapisan (E hingga H) pada elastomer SEBS (tebal ~0.1 mm) yang sangat nipis pada regangan 0, 20, 60, dan 100%. Retakan dan skrol perwakilan ditunjukkan dengan anak panah. Semua imej AFM berada dalam kawasan seluas 15 μm × 15 μm, menggunakan bar skala warna yang sama seperti yang dilabelkan. (I) Geometri simulasi elektrod grafena monolapisan bercorak pada substrat SEBS. (J) Peta kontur simulasi regangan logaritma utama maksimum dalam grafena monolapisan dan substrat SEBS pada regangan luaran 20%. (K) Perbandingan ketumpatan kawasan retak (lajur merah), ketumpatan kawasan skrol (lajur kuning), dan kekasaran permukaan (lajur biru) untuk struktur grafena yang berbeza.
Apabila filem MGG diregangkan, terdapat mekanisme tambahan yang penting di mana skrol boleh merapatkan kawasan rekahan grafena, mengekalkan rangkaian perkolasi. Skrol grafena menjanjikan kerana panjangnya boleh mencapai puluhan mikrometer dan oleh itu mampu merapatkan retakan yang biasanya sehingga skala mikrometer. Tambahan pula, kerana skrol terdiri daripada berbilang lapisan grafena, ia dijangka mempunyai rintangan yang rendah. Sebagai perbandingan, rangkaian CNT yang agak padat (transmitansi yang lebih rendah) diperlukan untuk menyediakan keupayaan penyambungan konduktif yang setanding, kerana CNT lebih kecil (biasanya beberapa mikrometer panjang) dan kurang konduktif daripada skrol. Sebaliknya, seperti yang ditunjukkan dalam rajah S12, manakala grafena retak semasa regangan untuk menampung regangan, skrol tidak retak, menunjukkan bahawa grafena mungkin meluncur pada grafena di bawahnya. Sebab ia tidak retak mungkin disebabkan oleh struktur yang digulung, yang terdiri daripada banyak lapisan grafena (~1 hingga 20 μm panjang, ~0.1 hingga 1 μm lebar, dan ~10 hingga 100 nm tinggi), yang mempunyai modulus berkesan yang lebih tinggi daripada grafena lapisan tunggal. Seperti yang dilaporkan oleh Green dan Hersam (42), rangkaian CNT logam (diameter tiub 1.0 nm) boleh mencapai rintangan kepingan rendah <100 ohm/sq walaupun rintangan simpang yang besar antara CNT. Memandangkan skrol grafena kami mempunyai lebar 0.1 hingga 1 μm dan skrol G/G mempunyai kawasan sentuhan yang jauh lebih besar daripada CNT, rintangan sentuhan dan kawasan sentuhan antara skrol grafena dan grafena tidak sepatutnya menjadi faktor pengehad untuk mengekalkan kekonduksian yang tinggi.
Grafena mempunyai modulus yang jauh lebih tinggi daripada substrat SEBS. Walaupun ketebalan berkesan elektrod grafen jauh lebih rendah daripada substrat, kekakuan grafen darab ketebalannya adalah setanding dengan substrat (43, 44), menghasilkan kesan pulau tegar yang sederhana. Kami mensimulasikan ubah bentuk grafen setebal 1-nm pada substrat SEBS (lihat Bahan Tambahan untuk butiran lanjut). Menurut keputusan simulasi, apabila regangan 20% dikenakan pada substrat SEBS secara luaran, purata regangan dalam grafen ialah ~6.6% (Rajah 4J dan rajah S13D), yang selaras dengan pemerhatian eksperimen (lihat rajah S13). Kami membandingkan regangan dalam kawasan grafen dan substrat bercorak menggunakan mikroskop optik dan mendapati regangan di kawasan substrat sekurang-kurangnya dua kali ganda regangan di kawasan grafen. Ini menunjukkan bahawa regangan yang dikenakan pada corak elektrod grafen boleh dikurung dengan ketara, membentuk pulau tegar grafen di atas SEBS (26, 43, 44).
Oleh itu, keupayaan elektrod MGG untuk mengekalkan kekonduksian yang tinggi di bawah ketegangan yang tinggi mungkin didayakan oleh dua mekanisme utama: (i) Skrol boleh merapatkan kawasan yang terputus sambungan untuk mengekalkan laluan perkolasi konduktif, dan (ii) kepingan/elastomer grafena berbilang lapisan mungkin meluncur antara satu sama lain, mengakibatkan ketegangan yang berkurangan pada elektrod grafena. Bagi berbilang lapisan grafena yang dipindahkan pada elastomer, lapisan tersebut tidak melekat kuat antara satu sama lain, yang mungkin meluncur sebagai tindak balas kepada ketegangan (27). Skrol juga meningkatkan kekasaran lapisan grafena, yang boleh membantu meningkatkan pemisahan antara lapisan grafena dan oleh itu membolehkan lapisan grafena meluncur.
Peranti semua-karbon sedang giat diusahakan kerana kosnya yang rendah dan daya pemprosesan yang tinggi. Dalam kes kami, transistor semua-karbon telah difabrikasi menggunakan get grafena bawah, sentuhan sumber/saliran grafena atas, semikonduktor CNT yang disusun, dan SEBS sebagai dielektrik (Rajah 5A). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5B, peranti semua-karbon dengan CNT sebagai sumber/saliran dan get (peranti bawah) adalah lebih legap daripada peranti dengan elektrod grafena (peranti atas). Ini kerana rangkaian CNT memerlukan ketebalan yang lebih besar dan, akibatnya, transmisi optik yang lebih rendah untuk mencapai rintangan kepingan yang serupa dengan grafena (rajah S4). Rajah 5 (C dan D) menunjukkan lengkung pemindahan dan output yang mewakili sebelum terikan untuk transistor yang dibuat dengan elektrod MGG dwilapisan. Lebar dan panjang saluran transistor tak terikan masing-masing ialah 800 dan 100 μm. Nisbah hidup/mati yang diukur adalah lebih besar daripada 103 dengan arus hidup dan mati pada tahap 10−5 dan 10−8 A, masing-masing. Lengkung output mempamerkan rejim linear dan ketepuan yang ideal dengan kebergantungan voltan get yang jelas, menunjukkan sentuhan ideal antara CNT dan elektrod grafena (45). Rintangan sentuhan dengan elektrod grafena diperhatikan lebih rendah berbanding dengan filem Au yang tersejat (lihat rajah S14). Mobiliti ketepuan transistor boleh regang adalah kira-kira 5.6 cm2/Vs, sama dengan transistor CNT yang disusun polimer yang sama pada substrat Si tegar dengan SiO2 300-nm sebagai lapisan dielektrik. Penambahbaikan selanjutnya dalam mobiliti adalah mungkin dengan ketumpatan tiub yang dioptimumkan dan jenis tiub lain (46).
(A) Skema transistor boleh regang berasaskan grafena. SWNT, nanotube karbon berdinding tunggal. (B) Foto transistor boleh regang yang diperbuat daripada elektrod grafena (atas) dan elektrod CNT (bawah). Perbezaan dalam ketelusan jelas ketara. (C dan D) Lengkung pemindahan dan output transistor berasaskan grafena pada SEBS sebelum regangan. (E dan F) Lengkung pemindahan, arus hidup dan mati, nisbah hidup/mati dan mobiliti transistor berasaskan grafena pada regangan yang berbeza.
Apabila peranti lutsinar semua karbon diregangkan pada arah selari dengan arah pengangkutan cas, degradasi minimum diperhatikan sehingga 120% regangan. Semasa regangan, mobiliti menurun secara berterusan daripada 5.6 cm2/Vs pada regangan 0% kepada 2.5 cm2/Vs pada regangan 120% (Rajah 5F). Kami juga membandingkan prestasi transistor untuk panjang saluran yang berbeza (lihat jadual S1). Terutamanya, pada regangan sebesar 105%, semua transistor ini masih mempamerkan nisbah hidup/mati yang tinggi ( >103) dan mobiliti ( >3 cm2/Vs). Di samping itu, kami meringkaskan semua kerja terkini pada transistor semua karbon (lihat jadual S2) (47–52). Dengan mengoptimumkan fabrikasi peranti pada elastomer dan menggunakan MGG sebagai kenalan, transistor semua karbon kami menunjukkan prestasi yang baik dari segi mobiliti dan histeresis serta sangat boleh diregangkan.
Sebagai aplikasi transistor yang lutsinar dan boleh diregangkan sepenuhnya, kami menggunakannya untuk mengawal pensuisan LED (Rajah 6A). Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6B, LED hijau boleh dilihat dengan jelas melalui peranti karbon semua boleh diregangkan yang diletakkan betul-betul di atas. Walaupun diregangkan sehingga ~100% (Rajah 6, C dan D), keamatan cahaya LED tidak berubah, yang selaras dengan prestasi transistor yang diterangkan di atas (lihat filem S1). Ini merupakan laporan pertama unit kawalan boleh diregangkan yang dibuat menggunakan elektrod grafena, menunjukkan kemungkinan baharu untuk elektronik boleh diregangkan grafena.
(A) Litar transistor untuk memacu LED. GND, pembumian. (B) Gambar transistor semua karbon yang boleh diregangkan dan lutsinar pada regangan 0% yang dipasang di atas LED hijau. (C) Transistor semua karbon yang lutsinar dan lutsinar yang digunakan untuk menukar LED sedang dipasang di atas LED pada regangan 0% (kiri) dan ~100% (kanan). Anak panah putih menunjukkan penanda kuning pada peranti untuk menunjukkan perubahan jarak yang diregangkan. (D) Pandangan sisi transistor yang diregangkan, dengan LED ditolak ke dalam elastomer.
Kesimpulannya, kami telah membangunkan struktur grafena konduktif lutsinar yang mengekalkan kekonduksian tinggi di bawah regangan besar sebagai elektrod boleh regang, yang didayakan oleh nanoskrol grafena di antara lapisan grafena yang disusun. Struktur elektrod MGG dwilapisan dan trilapisan pada elastomer ini masing-masing boleh mengekalkan 21 dan 65% daripada kekonduksian regangan 0% mereka pada regangan setinggi 100%, berbanding kehilangan kekonduksian sepenuhnya pada regangan 5% untuk elektrod grafena monolapisan biasa. Laluan konduktif tambahan skrol grafena serta interaksi lemah antara lapisan yang dipindahkan menyumbang kepada kestabilan kekonduksian yang unggul di bawah regangan. Kami selanjutnya menggunakan struktur grafena ini untuk menghasilkan transistor boleh regang semua karbon. Setakat ini, ini adalah transistor berasaskan grafena yang paling boleh regang dengan ketelusan terbaik tanpa menggunakan lengkokan. Walaupun kajian ini dijalankan untuk membolehkan grafena untuk elektronik boleh regang, kami percaya bahawa pendekatan ini boleh diperluaskan kepada bahan 2D lain untuk membolehkan elektronik 2D boleh regang.
Grafena CVD berluas luas telah ditumbuhkan pada kerajang Cu terampai (99.999%; Alfa Aesar) di bawah tekanan malar 0.5 mtorr dengan 50–SCCM (sentimeter padu piawai seminit) CH4 dan 20–SCCM H2 sebagai prekursor pada suhu 1000°C. Kedua-dua belah kerajang Cu telah dilitupi oleh grafena monolayer. Lapisan nipis PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) telah disalut dengan putaran pada satu sisi kerajang Cu, membentuk struktur kerajang PMMA/G/Cu/G. Seterusnya, keseluruhan filem telah direndam dalam larutan ammonium persulfat 0.1 M [(NH4)2S2O8] selama kira-kira 2 jam untuk menanggalkan kerajang Cu. Semasa proses ini, grafena bahagian belakang yang tidak dilindungi mula-mula mengoyak di sepanjang sempadan butiran dan kemudian digulung menjadi skrol kerana ketegangan permukaan. Skrol-skrol tersebut telah dilekatkan pada filem grafena atas yang disokong PMMA, membentuk skrol PMMA/G/G. Filem-filem tersebut kemudiannya dibasuh dalam air ternyahion beberapa kali dan diletakkan di atas substrat sasaran, seperti SiO2/Si tegar atau substrat plastik. Sebaik sahaja filem yang dilekatkan kering pada substrat, sampel direndam secara berurutan dalam aseton, 1:1 aseton/IPA (isopropil alkohol), dan IPA selama 30 saat setiap satu untuk menanggalkan PMMA. Filem-filem tersebut dipanaskan pada suhu 100°C selama 15 minit atau disimpan dalam vakum semalaman untuk menanggalkan sepenuhnya air yang terperangkap sebelum lapisan lain skrol G/G dipindahkan ke atasnya. Langkah ini adalah untuk mengelakkan filem grafena terkeluar daripada substrat dan memastikan liputan penuh MGG semasa pelepasan lapisan pembawa PMMA.
Morfologi struktur MGG diperhatikan menggunakan mikroskop optik (Leica) dan mikroskop elektron imbasan (1 kV; FEI). Mikroskop daya atom (Nanoscope III, Instrumen Digital) dikendalikan dalam mod pengetatan untuk memerhatikan butiran skrol G. Ketelusan filem diuji oleh spektrometer ultraungu-nampak (Agilent Cary 6000i). Untuk ujian apabila regangan berada di sepanjang arah serenjang aliran arus, fotolitografi dan plasma O2 digunakan untuk membentuk struktur grafena menjadi jalur (~300 μm lebar dan ~2000 μm panjang), dan elektrod Au (50 nm) dimendapkan secara terma menggunakan topeng bayangan di kedua-dua hujung sisi panjang. Jalur grafena kemudiannya disentuh dengan elastomer SEBS (~2 cm lebar dan ~5 cm panjang), dengan paksi panjang jalur selari dengan sisi pendek SEBS diikuti oleh pengetsaan BOE (pengetsaan oksida penimbal) (HF:H2O 1:6) dan galium indium eutektik (EGaIn) sebagai sentuhan elektrik. Bagi ujian terikan selari, struktur grafena tanpa corak (~5 × 10 mm) telah dipindahkan ke substrat SEBS, dengan paksi panjang selari dengan sisi panjang substrat SEBS. Bagi kedua-dua kes, keseluruhan G (tanpa skrol G)/SEBS telah diregangkan di sepanjang sisi panjang elastomer dalam radas manual, dan in situ, kami mengukur perubahan rintangannya di bawah terikan pada stesen prob dengan penganalisis semikonduktor (Keithley 4200-SCS).
Transistor semua karbon yang sangat boleh diregangkan dan lutsinar pada substrat elastik telah dibuat melalui prosedur berikut untuk mengelakkan kerosakan pelarut organik pada dielektrik dan substrat polimer. Struktur MGG dipindahkan ke SEBS sebagai elektrod get. Untuk mendapatkan lapisan dielektrik polimer filem nipis yang seragam (tebal 2 μm), larutan toluena SEBS (80 mg/ml) disalut dengan putaran pada substrat SiO2/Si yang diubah suai – oktadesiltriklorosilana (OTS) pada 1000 rpm selama 1 minit. Filem dielektrik nipis boleh dipindahkan dengan mudah dari permukaan OTS hidrofobik ke substrat SEBS yang ditutup dengan grafena yang disediakan. Kapasitor boleh dibuat dengan mendapan elektrod atas logam cecair (EGaIn; Sigma-Aldrich) untuk menentukan kapasitans sebagai fungsi terikan menggunakan meter LCR (induktans, kapasitans, rintangan) (Agilent). Bahagian lain transistor terdiri daripada CNT semikonduktor yang disusun polimer, mengikut prosedur yang dilaporkan sebelum ini (53). Elektrod sumber/saliran bercorak telah dibuat pada substrat SiO2/Si tegar. Seterusnya, kedua-dua bahagian, dielektrik/G/SEBS dan CNT/G/SiO2/Si bercorak, telah dilaminasi antara satu sama lain, dan direndam dalam BOE untuk menanggalkan substrat SiO2/Si tegar. Oleh itu, transistor yang lutsinar dan boleh diregangkan sepenuhnya telah dibuat. Ujian elektrik di bawah terikan telah dilakukan pada persediaan regangan manual seperti kaedah yang dinyatakan di atas.
Bahan tambahan untuk artikel ini boleh didapati di http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
rajah S1. Imej mikroskopi optik MGG monolayer pada substrat SiO2/Si pada pembesaran berbeza.
rajah S4. Perbandingan rintangan dan transmisi kepingan dua-probe @550 nm bagi grafena polos mono-, dwi- dan trilapisan (segi empat sama hitam), MGG (bulatan merah), dan CNT (segi tiga biru).
rajah S7. Perubahan rintangan ternormalisasi MGG mono- dan dwilapisan (hitam) dan G (merah) di bawah ~1000 beban terikan kitaran sehingga 40 dan 90% terikan selari, masing-masing.
rajah S10. Imej SEM bagi trilayer MGG pada elastomer SEBS selepas terikan, menunjukkan salib tatal panjang di atas beberapa rekahan.
rajah S12. Imej AFM bagi MGG trilapisan pada elastomer SEBS yang sangat nipis pada ketegangan 20%, menunjukkan bahawa satu skrol melintasi retak.
jadual S1. Mobiliti transistor nanotube karbon berdinding tunggal MGG dwilapis pada panjang saluran yang berbeza sebelum dan selepas regangan.
Ini merupakan artikel akses terbuka yang diedarkan di bawah terma lesen Creative Commons Attribution-NonCommercial, yang membenarkan penggunaan, pengedaran dan penghasilan semula dalam sebarang medium, selagi penggunaan yang terhasil bukan untuk kelebihan komersial dan dengan syarat karya asal dipetik dengan betul.
NOTA: Kami hanya meminta alamat e-mel anda supaya orang yang anda cadangkan halaman tersebut tahu bahawa anda mahu mereka melihatnya, dan ia bukan e-mel sampah. Kami tidak merekodkan sebarang alamat e-mel.
Soalan ini adalah untuk menguji sama ada anda seorang pelawat manusia atau tidak dan untuk mencegah penyerahan spam automatik.
Oleh 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
Oleh 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. Semua hak terpelihara. AAAS ialah rakan kongsi HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dan COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Masa siaran: 28 Jan-2021