Mga ultratransparent at nababanat na graphene electrodes

Ang mga two-dimensional na materyales, tulad ng graphene, ay kaakit-akit para sa parehong mga kumbensyonal na aplikasyon ng semiconductor at mga bagong aplikasyon sa flexible electronics. Gayunpaman, ang mataas na tensile strength ng graphene ay nagreresulta sa fracturing sa mababang strain, na ginagawang mahirap na samantalahin ang mga pambihirang katangian nito sa electronics na nababanat. Upang paganahin ang mahusay na strain-dependent performance ng mga transparent graphene conductor, lumikha kami ng mga graphene nanoscroll sa pagitan ng mga stacked graphene layer, na tinutukoy bilang multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). Sa ilalim ng strain, pinagdugtong ng ilang scroll ang mga pira-pirasong domain ng graphene upang mapanatili ang isang percolating network na nagbibigay-daan sa mahusay na conductivity sa mataas na strain. Ang mga Trilayer MGG na sinusuportahan ng mga elastomer ay nagpapanatili ng 65% ng kanilang orihinal na conductance sa 100% strain, na patayo sa direksyon ng daloy ng kuryente, samantalang ang mga trilayer film ng graphene na walang nanoscrolls ay nagpapanatili lamang ng 25% ng kanilang panimulang conductance. Ang isang stretchable all-carbon transistor na ginawa gamit ang mga MGG bilang mga electrode ay nagpakita ng transmittance na >90% at napanatili ang 60% ng orihinal nitong current output sa 120% strain (kahanay sa direksyon ng charge transport). Ang mga highly stretchable at transparent all-carbon transistors na ito ay maaaring magbigay-daan sa sopistikadong stretchable optoelectronics.
Ang stretchable transparent electronics ay isang lumalagong larangan na may mahahalagang aplikasyon sa mga advanced biointegrated system (1, 2) pati na rin ang potensyal na maisama sa stretchable optoelectronics (3, 4) upang makagawa ng sopistikadong soft robotics at mga display. Ang Graphene ay nagpapakita ng lubos na kanais-nais na mga katangian ng atomic thickness, mataas na transparency, at mataas na conductivity, ngunit ang implementasyon nito sa mga stretchable application ay napigilan ng tendensiya nitong pumutok sa maliliit na strain. Ang pagtagumpayan sa mga mekanikal na limitasyon ng graphene ay maaaring magbigay-daan sa mga bagong functionality sa mga stretchable transparent device.
Ang mga natatanging katangian ng graphene ay ginagawa itong isang matibay na kandidato para sa susunod na henerasyon ng mga transparent conductive electrodes (5, 6). Kung ikukumpara sa pinakakaraniwang ginagamit na transparent conductor, ang indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) sa 90% transparency], ang monolayer graphene na pinatubo sa pamamagitan ng chemical vapor deposition (CVD) ay may katulad na kombinasyon ng sheet resistance (125 ohms/sq) at transparency (97.4%) (5). Bilang karagdagan, ang mga graphene film ay may pambihirang flexibility kumpara sa ITO (7). Halimbawa, sa isang plastic substrate, ang conductance nito ay maaaring mapanatili kahit na sa isang bending radius of curvature na kasing liit ng 0.8 mm (8). Upang higit pang mapahusay ang electrical performance nito bilang isang transparent flexible conductor, ang mga nakaraang pag-aaral ay nakabuo ng mga graphene hybrid material na may one-dimensional (1D) silver nanowires o carbon nanotubes (CNTs) (9–11). Bukod dito, ang graphene ay ginamit bilang mga electrode para sa mixed dimensional heterostructural semiconductors (tulad ng 2D bulk Si, 1D nanowires/nanotubes, at 0D quantum dots) (12), flexible transistors, solar cells, at light-emitting diodes (LEDs) (13–23).
Bagama't nagpakita ang graphene ng magagandang resulta para sa mga flexible electronics, ang aplikasyon nito sa mga stretchable electronics ay limitado ng mga mekanikal na katangian nito (17, 24, 25); ang graphene ay may in-plane stiffness na 340 N/m at Young's modulus na 0.5 TPa (26). Ang malakas na carbon-carbon network ay hindi nagbibigay ng anumang mekanismo ng energy dissipation para sa inilapat na strain at samakatuwid ay madaling mabasag sa mas mababa sa 5% strain. Halimbawa, ang CVD graphene na inilipat sa isang polydimethylsiloxane (PDMS) elastic substrate ay maaari lamang mapanatili ang conductivity nito sa mas mababa sa 6% strain (8). Ipinapakita ng mga teoretikal na kalkulasyon na ang crumpling at interplay sa pagitan ng iba't ibang layer ay dapat na lubos na makabawas sa stiffness (26). Sa pamamagitan ng pagsasama-sama ng graphene sa maraming layer, naiulat na ang bi- o trilayer graphene na ito ay stretchable hanggang 30% strain, na nagpapakita ng resistance change na 13 beses na mas maliit kaysa sa monolayer graphene (27). Gayunpaman, ang kakayahang mabatak na ito ay mas mababa pa rin nang malaki kaysa sa mga makabagong mabatak na konduktor (28, 29).
Mahalaga ang mga transistor sa mga aplikasyong maaaring iunat dahil nagbibigay-daan ang mga ito sa sopistikadong pagbasa ng sensor at pagsusuri ng signal (30, 31). Ang mga transistor sa PDMS na may multilayer graphene bilang mga electrode ng pinagmulan/drain at materyal ng channel ay maaaring mapanatili ang electrical function hanggang 5% strain (32), na mas mababa nang malaki sa minimum na kinakailangang halaga (~50%) para sa mga wearable health-monitoring sensor at electronic skin (33, 34). Kamakailan lamang, isang graphene kirigami approach ang na-explore, at ang transistor na may gating liquid electrolyte ay maaaring iunat hanggang 240% (35). Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng suspended graphene, na nagpapakomplikado sa proseso ng paggawa.
Dito, nakakamit namin ang mga highly stretchable graphene device sa pamamagitan ng pagpapasok ng mga graphene scroll (~1 hanggang 20 μm ang haba, ~0.1 hanggang 1 μm ang lapad, at ~10 hanggang 100 nm ang taas) sa pagitan ng mga layer ng graphene. Ipinapalagay namin na ang mga graphene scroll na ito ay maaaring magbigay ng mga conductive path upang tulayin ang mga bitak sa mga graphene sheet, kaya napapanatili ang mataas na conductivity sa ilalim ng strain. Ang mga graphene scroll ay hindi nangangailangan ng karagdagang synthesis o proseso; natural silang nabubuo sa panahon ng wet transfer procedure. Sa pamamagitan ng paggamit ng multilayer G/G (graphene/graphene) scrolls (MGGs), graphene stretchable electrodes (source/drain at gate) at semiconducting CNTs, naipakita namin ang mga highly transparent at highly stretchable all-carbon transistors, na maaaring i-stretch hanggang 120% strain (parallel sa direksyon ng charge transport) at mapanatili ang 60% ng kanilang orihinal na current output. Ito ang pinaka-stretchable transparent carbon-based transistor sa ngayon, at nagbibigay ito ng sapat na current upang magmaneho ng isang inorganic LED.
Para magamit ang mga malawak na lugar na transparent at nababanat na graphene electrodes, pinili namin ang CVD-grown graphene sa Cu foil. Ang Cu foil ay nakabitin sa gitna ng isang CVD quartz tube upang payagan ang paglaki ng graphene sa magkabilang panig, na bumubuo ng mga istrukturang G/Cu/G. Para mailipat ang graphene, pinahiran muna namin ng manipis na layer ng poly(methyl methacrylate) (PMMA) upang protektahan ang isang bahagi ng graphene, na pinangalanan naming topside graphene (kabaligtaran naman ng kabilang bahagi ng graphene), at kasunod nito, ang buong film (PMMA/top graphene/Cu/bottom graphene) ay ibinabad sa (NH4)2S2O8 solution upang matanggal ang Cu foil. Ang bottom-side graphene na walang PMMA coating ay hindi maiiwasang magkaroon ng mga bitak at depekto na nagpapahintulot sa isang etchant na tumagos (36, 37). Gaya ng inilalarawan sa Fig. 1A, sa ilalim ng epekto ng surface tension, ang mga inilabas na graphene domain ay gumulong at naging mga scroll at pagkatapos ay ikinakabit sa natitirang top-G/PMMA film. Ang mga top-G/G scroll ay maaaring ilipat sa anumang substrate, tulad ng SiO2/Si, salamin, o malambot na polimer. Ang pag-uulit ng prosesong ito ng paglipat nang ilang beses sa parehong substrate ay nagbibigay ng mga istrukturang MGG.
(A) Eskematikong ilustrasyon ng pamamaraan ng paggawa para sa mga MGG bilang isang nababanat na elektrod. Sa panahon ng paglilipat ng graphene, ang likurang graphene sa Cu foil ay binasag sa mga hangganan at depekto, pinagsama sa mga arbitraryong hugis, at mahigpit na ikinabit sa mga pang-itaas na pelikula, na bumubuo ng mga nanoscroll. Ang pang-apat na kartun ay naglalarawan ng nakasalansan na istruktura ng MGG. (B at C) Mga katangian ng TEM na may mataas na resolusyon ng isang monolayer MGG, na nakatuon sa monolayer graphene (B) at sa rehiyon ng scroll (C), ayon sa pagkakabanggit. Ang inset ng (B) ay isang low-magnification na imahe na nagpapakita ng pangkalahatang morpolohiya ng mga monolayer MGG sa TEM grid. Ang mga inset ng (C) ay ang mga profile ng intensity na kinuha sa mga parihabang kahon na ipinahiwatig sa imahe, kung saan ang mga distansya sa pagitan ng mga atomic plane ay 0.34 at 0.41 nm. (D) Carbon K-edge EEL spectrum na may katangiang graphitic π* at σ* na mga peak na may label. (E) Sectional AFM na imahe ng mga monolayer G/G scroll na may profile ng taas sa dilaw na tuldok-tuldok na linya. (F hanggang I) Optical microscopy at AFM image s ng trilayer G na walang (F at H) at may mga scroll (G at I) sa 300-nm-kapal na SiO2/Si substrates, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga representatibong scroll at wrinkles ay nilagyan ng label upang i-highlight ang kanilang mga pagkakaiba.
Upang mapatunayan na ang mga scroll ay likas na nakarolyong graphene, nagsagawa kami ng mga pag-aaral gamit ang high-resolution transmission electron microscopy (TEM) at electron energy loss (EEL) spectroscopy sa mga istruktura ng monolayer top-G/G scroll. Ipinapakita ng Figure 1B ang hexagonal na istruktura ng isang monolayer graphene, at ang inset ay ang pangkalahatang morpolohiya ng pelikulang natatakpan sa isang carbon hole ng TEM grid. Sinasaklaw ng monolayer graphene ang halos buong grid, at lumilitaw ang ilang graphene flakes sa presensya ng maraming stack ng hexagonal rings (Fig. 1B). Sa pamamagitan ng pag-zoom in sa isang indibidwal na scroll (Fig. 1C), naobserbahan namin ang isang malaking bilang ng mga graphene lattice fringes, na may lattice spacing na nasa hanay na 0.34 hanggang 0.41 nm. Ang mga sukat na ito ay nagmumungkahi na ang mga flakes ay random na nakarolyo at hindi perpektong graphite, na may lattice spacing na 0.34 nm sa "ABAB" layer stacking. Ipinapakita ng Figure 1D ang carbon K-edge EEL spectrum, kung saan ang peak sa 285 eV ay nagmumula sa π* orbital at ang isa pa sa paligid ng 290 eV ay dahil sa transisyon ng σ* orbital. Makikita na nangingibabaw ang sp2 bonding sa istrukturang ito, na nagpapatunay na ang mga scroll ay lubos na grapiko.
Ang mga imahe ng optical microscopy at atomic force microscopy (AFM) ay nagbibigay ng pananaw sa distribusyon ng mga graphene nanoscroll sa mga MGG (Fig. 1, E hanggang G, at figs. S1 at S2). Ang mga scroll ay sapalarang ipinamamahagi sa ibabaw, at ang kanilang in-plane density ay tumataas nang proporsyonal sa bilang ng mga nakasalansan na layer. Maraming scroll ang gusot sa mga buhol at nagpapakita ng hindi pare-parehong taas sa hanay na 10 hanggang 100 nm. Ang mga ito ay 1 hanggang 20 μm ang haba at 0.1 hanggang 1 μm ang lapad, depende sa laki ng kanilang mga unang graphene flakes. Gaya ng ipinapakita sa Fig. 1 (H at I), ang mga scroll ay may mas malalaking sukat kaysa sa mga kulubot, na humahantong sa isang mas magaspang na interface sa pagitan ng mga graphene layer.
Upang masukat ang mga katangiang elektrikal, nag-pattern kami ng mga graphene film na mayroon o walang mga scroll structure at layer stacking sa mga strip na may lapad na 300-μm at haba na 2000-μm gamit ang photolithography. Ang two-probe resistances bilang function ng strain ay sinukat sa ilalim ng mga kondisyon sa paligid. Ang presensya ng mga scroll ay nagbawas sa resistivity para sa monolayer graphene ng 80% na may 2.2% na pagbaba lamang sa transmittance (fig. S4). Kinukumpirma nito na ang mga nanoscroll, na may mataas na current density hanggang 5 × 107 A/cm2 (38, 39), ay may napakapositibong kontribusyon sa kuryente sa mga MGG. Sa lahat ng mono-, bi-, at trilayer plain graphene at MGG, ang trilayer MGG ang may pinakamahusay na conductance na may transparency na halos 90%. Upang maihambing sa iba pang mga pinagmumulan ng graphene na naiulat sa literatura, sinukat din namin ang mga four-probe sheet resistances (fig. S5) at inilista ang mga ito bilang isang function ng transmittance sa 550 nm (fig. S6) sa Fig. 2A. Ang MGG ay nagpapakita ng maihahambing o mas mataas na conductivity at transparency kaysa sa artipisyal na nakasalansan na multilayer plain graphene at reduced graphene oxide (RGO) (6, 8, 18). Tandaan na ang mga sheet resistance ng artipisyal na nakasalansan na multilayer plain graphene mula sa literatura ay bahagyang mas mataas kaysa sa aming MGG, marahil dahil sa kanilang hindi na-optimize na mga kondisyon ng paglago at paraan ng paglilipat.
(A) Mga resistensya ng four-probe sheet laban sa transmittance sa 550 nm para sa ilang uri ng graphene, kung saan ang mga itim na parisukat ay tumutukoy sa mono-, bi-, at trilayer MGGs; ang mga pulang bilog at asul na tatsulok ay tumutugma sa multilayer plain graphene na lumaki sa Cu at Ni mula sa mga pag-aaral nina Li et al. (6) at Kim et al. (8), ayon sa pagkakabanggit, at kasunod na inilipat sa SiO2/Si o quartz; at ang mga berdeng tatsulok ay mga halaga para sa RGO sa iba't ibang reducing degrees mula sa pag-aaral nina Bonaccorso et al. (18). (B at C) Na-normalize na pagbabago ng resistensya ng mono-, bi- at ​​trilayer MGGs at G bilang isang function ng perpendicular (B) at parallel (C) strain sa direksyon ng daloy ng kuryente. (D) Na-normalize na pagbabago ng resistensya ng bilayer G (pula) at MGG (itim) sa ilalim ng cyclic strain loading hanggang 50% perpendicular strain. (E) Na-normalize na pagbabago ng resistensya ng trilayer G (pula) at MGG (itim) sa ilalim ng cyclic strain loading hanggang 90% parallel strain. (F) Normalisadong pagbabago ng capacitance ng mono-, bi- at ​​trilayer G at bi- at ​​trilayer MGG bilang isang function ng strain. Ang inset ay ang istruktura ng capacitor, kung saan ang polymer substrate ay SEBS at ang polymer dielectric layer ay ang 2-μm-thick na SEBS.
Upang masuri ang strain-dependent performance ng MGG, inilipat namin ang graphene sa mga thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) substrates (~2 cm ang lapad at ~5 cm ang haba), at ang conductivity ay sinukat habang ang substrate ay iniunat (tingnan ang Mga Materyales at Paraan) kapwa patayo at parallel sa direksyon ng daloy ng kuryente (Fig. 2, B at C). Ang strain-dependent electrical behavior ay bumuti sa pagsasama ng mga nanoscroll at pagtaas ng bilang ng mga graphene layer. Halimbawa, kapag ang strain ay patayo sa daloy ng kuryente, para sa monolayer graphene, ang pagdaragdag ng mga scroll ay nagpataas ng strain sa electrical breakage mula 5 hanggang 70%. Ang strain tolerance ng trilayer graphene ay bumuti rin nang malaki kumpara sa monolayer graphene. Sa mga nanoscroll, sa 100% perpendicular strain, ang resistensya ng trilayer MGG structure ay tumaas lamang ng 50%, kumpara sa 300% para sa trilayer graphene na walang scroll. Sinuri ang pagbabago ng resistensya sa ilalim ng cyclic strain loading. Para sa paghahambing (Fig. 2D), ang resistensya ng isang plain bilayer graphene film ay tumaas ng humigit-kumulang 7.5 beses pagkatapos ng ~700 cycle sa 50% perpendicular strain at patuloy na tumataas kasabay ng strain sa bawat cycle. Sa kabilang banda, ang resistensya ng isang bilayer MGG ay tumaas lamang ng humigit-kumulang 2.5 beses pagkatapos ng ~700 cycle. Sa paglalapat ng hanggang 90% strain sa parallel direction, ang resistensya ng trilayer graphene ay tumaas ng ~100 beses pagkatapos ng 1000 cycle, samantalang ito ay ~8 beses lamang sa isang trilayer MGG (Fig. 2E). Ang mga resulta ng cycling ay ipinapakita sa fig. S7. Ang medyo mas mabilis na pagtaas ng resistensya sa parallel strain direction ay dahil ang oryentasyon ng mga bitak ay perpendicular sa direksyon ng daloy ng kuryente. Ang paglihis ng resistensya habang naglo-load at nag-aalis ng strain ay dahil sa viscoelastic recovery ng SEBS elastomer substrate. Ang mas matatag na resistensya ng mga MGG strip habang nag-cycling ay dahil sa pagkakaroon ng malalaking scroll na maaaring mag-tulay sa mga bitak na bahagi ng graphene (gaya ng naobserbahan ng AFM), na tumutulong upang mapanatili ang isang percolating pathway. Ang penomenong ito ng pagpapanatili ng kondaktibiti sa pamamagitan ng isang percolating pathway ay naiulat na noon para sa mga basag na metal o semiconductor film sa mga elastomer substrate (40, 41).
Upang masuri ang mga graphene-based film na ito bilang mga gate electrode sa mga stretchable device, tinakpan namin ang graphene layer ng isang SEBS dielectric layer (2 μm ang kapal) at minanmanan ang pagbabago ng dielectric capacitance bilang function ng strain (tingnan ang Fig. 2F at ang Supplementary Materials para sa mga detalye). Naobserbahan namin na ang mga capacitance na may plain monolayer at bilayer graphene electrodes ay mabilis na nabawasan dahil sa pagkawala ng in-plane conductivity ng graphene. Sa kabaligtaran, ang mga capacitance na naka-gated ng mga MGG pati na rin ang plain trilayer graphene ay nagpakita ng pagtaas ng capacitance na may strain, na inaasahan dahil sa pagbawas ng dielectric thickness na may strain. Ang inaasahang pagtaas ng capacitance ay lubos na tumutugma sa istruktura ng MGG (fig. S8). Ipinapahiwatig nito na ang MGG ay angkop bilang isang gate electrode para sa mga stretchable transistor.
Upang higit pang maimbestigahan ang papel ng 1D graphene scroll sa strain tolerance ng electrical conductivity at mas mahusay na makontrol ang paghihiwalay sa pagitan ng mga layer ng graphene, gumamit kami ng spray-coated CNTs upang palitan ang mga graphene scroll (tingnan ang Mga Supplementary Materials). Upang gayahin ang mga istruktura ng MGG, nagdeposito kami ng tatlong densidad ng CNTs (ibig sabihin, CNT1
(A hanggang C) Mga imahe ng AFM ng tatlong magkakaibang densidad ng mga CNT (CNT1
Upang higit pang maunawaan ang kanilang kakayahan bilang mga electrode para sa mga stretchable electronics, sistematiko naming sinuri ang mga morpolohiya ng MGG at G-CNT-G sa ilalim ng strain. Ang optical microscopy at scanning electron microscopy (SEM) ay hindi epektibong mga pamamaraan ng paglalarawan dahil parehong kulang sa contrast ng kulay at ang SEM ay napapailalim sa mga artifact ng imahe habang nasa electron scanning kapag ang graphene ay nasa mga substrate ng polymer (mga fig. S9 at S10). Upang maobserbahan in situ ang ibabaw ng graphene sa ilalim ng strain, nangolekta kami ng mga sukat ng AFM sa mga trilayer MGG at plain graphene pagkatapos ilipat sa napakanipis (~0.1 mm ang kapal) at nababanat na mga substrate ng SEBS. Dahil sa mga intrinsic na depekto sa CVD graphene at extrinsic na pinsala sa panahon ng proseso ng paglilipat, ang mga bitak ay hindi maiiwasang mabubuo sa strained graphene, at sa pagtaas ng strain, ang mga bitak ay naging mas siksik (Fig. 4, A hanggang D). Depende sa istruktura ng stacking ng mga carbon-based electrode, ang mga bitak ay nagpapakita ng iba't ibang morpolohiya (fig. S11) (27). Ang densidad ng lugar ng bitak (tinukoy bilang lugar ng bitak/nasuring lugar) ng multilayer graphene ay mas mababa kaysa sa monolayer graphene pagkatapos ng strain, na naaayon sa pagtaas ng electrical conductivity para sa mga MGG. Sa kabilang banda, ang mga scroll ay madalas na naoobserbahan na nagtatali sa mga bitak, na nagbibigay ng karagdagang mga conductive pathway sa strained film. Halimbawa, gaya ng naka-label sa larawan ng Fig. 4B, isang malawak na scroll ang tumawid sa isang bitak sa trilayer MGG, ngunit walang scroll ang naobserbahan sa plain graphene (Fig. 4, E hanggang H). Katulad nito, ang mga CNT ay nagtali rin sa mga bitak sa graphene (fig. S11). Ang densidad ng lugar ng bitak, densidad ng lugar ng scroll, at pagkamagaspang ng mga pelikula ay nakabuod sa Fig. 4K.
(A hanggang H) Mga in situ na larawan ng AFM ng mga trilayer G/G scroll (A hanggang D) at mga istrukturang trilayer G (E hanggang H) sa isang napakanipis na SEBS (~0.1 mm ang kapal) elastomer sa 0, 20, 60, at 100% strain. Ang mga representatibong bitak at scroll ay nakaturo gamit ang mga arrow. Lahat ng mga larawan ng AFM ay nasa isang lawak na 15 μm × 15 μm, gamit ang parehong color scale bar na may label. (I) Simulation geometry ng mga patterned monolayer graphene electrodes sa SEBS substrate. (J) Simulation contour map ng maximal principal logarithmic strain sa monolayer graphene at SEBS substrate sa 20% external strain. (K) Paghahambing ng crack area density (pulang column), scroll area density (dilaw na column), at surface roughness (asul na column) para sa iba't ibang istruktura ng graphene.
Kapag ang mga MGG film ay iniunat, mayroong isang mahalagang karagdagang mekanismo kung saan ang mga scroll ay maaaring magdugtong sa mga basag na rehiyon ng graphene, na nagpapanatili ng isang percolating network. Ang mga graphene scroll ay nangangako dahil maaari silang umabot ng sampu-sampung micrometer ang haba at samakatuwid ay kayang magdugtong sa mga bitak na karaniwang hanggang sa sukat ng micrometer. Bukod pa rito, dahil ang mga scroll ay binubuo ng maraming patong ng graphene, inaasahang magkakaroon sila ng mababang resistensya. Sa paghahambing, ang medyo siksik (mas mababang transmittance) na mga CNT network ay kinakailangan upang magbigay ng maihahambing na kakayahan sa conductive bridging, dahil ang mga CNT ay mas maliit (karaniwang ilang micrometer ang haba) at hindi gaanong konduktibo kaysa sa mga scroll. Sa kabilang banda, tulad ng ipinapakita sa fig. S12, samantalang ang graphene ay pumuputok habang iniuunat upang mapaunlakan ang strain, ang mga scroll ay hindi pumuputok, na nagpapahiwatig na ang huli ay maaaring dumudulas sa pinagbabatayan na graphene. Ang dahilan kung bakit hindi sila nababasag ay malamang dahil sa istrukturang nakarolyo, na binubuo ng maraming patong ng graphene (~1 hanggang 20 μm ang haba, ~0.1 hanggang 1 μm ang lapad, at ~10 hanggang 100 nm ang taas), na may mas mataas na epektibong modulus kaysa sa single-layer graphene. Gaya ng iniulat nina Green at Hersam (42), ang mga metallic CNT network (diameter ng tubo na 1.0 nm) ay maaaring makamit ang mababang sheet resistances na <100 ohms/sq sa kabila ng malaking junction resistance sa pagitan ng mga CNT. Kung isasaalang-alang na ang ating mga graphene scroll ay may lapad na 0.1 hanggang 1 μm at ang mga G/G scroll ay may mas malalaking contact area kaysa sa mga CNT, ang contact resistance at contact area sa pagitan ng graphene at graphene scrolls ay hindi dapat maging mga limitasyon salik upang mapanatili ang mataas na conductivity.
Ang graphene ay may mas mataas na modulus kaysa sa SEBS substrate. Bagama't ang epektibong kapal ng graphene electrode ay mas mababa kaysa sa substrate, ang stiffness ng graphene na pinarami ng kapal nito ay maihahambing sa substrate (43, 44), na nagreresulta sa isang katamtamang rigid-island effect. Ginaya namin ang deformation ng isang 1-nm-thick na graphene sa isang SEBS substrate (tingnan ang Supplementary Materials para sa mga detalye). Ayon sa mga resulta ng simulation, kapag ang 20% ​​strain ay inilapat sa SEBS substrate sa labas, ang average na strain sa graphene ay ~6.6% (Fig. 4J at fig. S13D), na naaayon sa mga obserbasyon sa eksperimento (tingnan ang fig. S13). Inihambing namin ang strain sa mga patterned graphene at substrate region gamit ang optical microscopy at natagpuan ang strain sa substrate region na hindi bababa sa doble ng strain sa graphene region. Ipinapahiwatig nito na ang strain na inilapat sa mga graphene electrode pattern ay maaaring maging lubhang limitado, na bumubuo ng mga graphene stiff island sa ibabaw ng SEBS (26, 43, 44).
Samakatuwid, ang kakayahan ng mga MGG electrode na mapanatili ang mataas na conductivity sa ilalim ng mataas na strain ay malamang na pinagana ng dalawang pangunahing mekanismo: (i) Ang mga scroll ay maaaring magdugtong sa mga hindi nakakonektang rehiyon upang mapanatili ang isang conductive percolation pathway, at (ii) ang mga multilayer graphene sheet/elastomer ay maaaring dumulas sa isa't isa, na nagreresulta sa nabawasang strain sa mga graphene electrode. Para sa maraming layer ng inilipat na graphene sa elastomer, ang mga layer ay hindi mahigpit na nakakabit sa isa't isa, na maaaring dumulas bilang tugon sa strain (27). Ang mga scroll ay nagpataas din ng roughness ng mga graphene layer, na maaaring makatulong upang mapataas ang paghihiwalay sa pagitan ng mga graphene layer at samakatuwid ay nagbibigay-daan sa pag-slide ng mga graphene layer.
Masigasig na hinahangad ang mga all-carbon device dahil sa mababang gastos at mataas na throughput. Sa aming kaso, ang mga all-carbon transistor ay ginawa gamit ang isang bottom graphene gate, isang top graphene source/drain contact, isang sorted CNT semiconductor, at SEBS bilang dielectric (Fig. 5A). Gaya ng ipinapakita sa Fig. 5B, ang isang all-carbon device na may mga CNT bilang source/drain at gate (bottom device) ay mas opaque kaysa sa device na may graphene electrodes (top device). Ito ay dahil ang mga CNT network ay nangangailangan ng mas malalaking kapal at, dahil dito, mas mababang optical transmittances upang makamit ang mga sheet resistance na katulad ng sa graphene (fig. S4). Ipinapakita ng Figure 5 (C at D) ang mga representatibong transfer at output curve bago ang strain para sa isang transistor na gawa sa bilayer MGG electrodes. Ang lapad at haba ng channel ng unstrained transistor ay 800 at 100 μm, ayon sa pagkakabanggit. Ang nasukat na on/off ratio ay mas malaki sa 103 na may on at off currents sa mga antas na 10−5 at 10−8 A, ayon sa pagkakabanggit. Ang output curve ay nagpapakita ng mga ideal na linear at saturation regimes na may malinaw na gate-voltage dependence, na nagpapahiwatig ng ideal na contact sa pagitan ng mga CNT at graphene electrodes (45). Ang contact resistance sa mga graphene electrodes ay naobserbahang mas mababa kaysa sa evaporated Au film (tingnan ang fig. S14). Ang saturation mobility ng stretchable transistor ay humigit-kumulang 5.6 cm2/Vs, katulad ng sa parehong polymer-sorted CNT transistors sa matibay na Si substrates na may 300-nm SiO2 bilang dielectric layer. Posible ang karagdagang pagpapabuti sa mobility gamit ang na-optimize na tube density at iba pang uri ng tubes (46).
(A) Iskema ng graphene-based stretchable transistor. SWNTs, single-walled carbon nanotubes. (B) Larawan ng stretchable transistors na gawa sa graphene electrodes (itaas) at CNT electrodes (ibaba). Malinaw na kapansin-pansin ang pagkakaiba sa transparency. (C at D) Mga kurba ng transfer at output ng graphene-based transistor sa SEBS bago ang strain. (E at F) Mga kurba ng transfer, on at off current, on/off ratio, at mobility ng graphene-based transistor sa iba't ibang strain.
Nang ang transparent, all-carbon device ay iniunat sa direksyon na parallel sa direksyon ng charge transport, minimal na degradation ang naobserbahan hanggang 120% strain. Habang iniuunat, ang mobility ay patuloy na bumababa mula 5.6 cm2/Vs sa 0% strain hanggang 2.5 cm2/Vs sa 120% strain (Fig. 5F). Inihambing din namin ang performance ng transistor para sa iba't ibang haba ng channel (tingnan ang table S1). Kapansin-pansin, sa isang strain na kasinglaki ng 105%, lahat ng transistor na ito ay nagpakita pa rin ng mataas na on/off ratio (>103) at mobility (>3 cm2/Vs). Bukod pa rito, binuod namin ang lahat ng kamakailang gawain sa all-carbon transistors (tingnan ang table S2) (47–52). Sa pamamagitan ng pag-optimize ng paggawa ng device sa mga elastomer at paggamit ng mga MGG bilang mga contact, ang aming all-carbon transistors ay nagpapakita ng mahusay na performance sa mga tuntunin ng mobility at hysteresis pati na rin ang pagiging lubos na nababaluktot.
Bilang aplikasyon ng ganap na transparent at stretchable transistor, ginamit namin ito upang kontrolin ang switching ng isang LED (Fig. 6A). Gaya ng ipinapakita sa Fig. 6B, ang berdeng LED ay malinaw na makikita sa pamamagitan ng stretchable all-carbon device na direktang nakalagay sa itaas. Habang umaabot sa ~100% (Fig. 6, C at D), ang intensity ng liwanag ng LED ay hindi nagbabago, na naaayon sa performance ng transistor na inilarawan sa itaas (tingnan ang pelikulang S1). Ito ang unang ulat ng mga stretchable control unit na ginawa gamit ang mga graphene electrode, na nagpapakita ng isang bagong posibilidad para sa mga stretchable electronics ng graphene.
(A) Sirkito ng isang transistor para paandarin ang LED. GND, ground. (B) Larawan ng nababanat at transparent na all-carbon transistor sa 0% strain na nakakabit sa ibabaw ng berdeng LED. (C) Ang all-carbon transparent at nababanat na transistor na ginagamit para ilipat ang LED ay nakakabit sa itaas ng LED sa 0% (kaliwa) at ~100% strain (kanan). Ang mga puting arrow ay nakaturo bilang mga dilaw na marker sa device upang ipakita ang pagbabago ng distansya na nababanat. (D) Gilid na tanaw ng nababanat na transistor, kasama ang LED na nakatulak papasok sa elastomer.
Bilang konklusyon, nakabuo kami ng isang transparent na konduktibong istruktura ng graphene na nagpapanatili ng mataas na konduktibidad sa ilalim ng malalaking strain bilang mga stretchable electrodes, na pinapagana ng mga graphene nanoscroll sa pagitan ng mga nakapatong na layer ng graphene. Ang mga bi- at ​​trilayer na istrukturang MGG electrode na ito sa isang elastomer ay maaaring mapanatili ang 21 at 65%, ayon sa pagkakabanggit, ng kanilang 0% strain conductivities sa isang strain na kasingtaas ng 100%, kumpara sa kumpletong pagkawala ng conductivity sa 5% strain para sa mga tipikal na monolayer graphene electrodes. Ang mga karagdagang conductive path ng mga graphene scroll pati na rin ang mahinang interaksyon sa pagitan ng mga inilipat na layer ay nakakatulong sa superior na katatagan ng conductivity sa ilalim ng strain. Higit pa naming inilapat ang istrukturang graphene na ito upang gumawa ng mga all-carbon stretchable transistors. Sa ngayon, ito ang pinaka-stretchable graphene-based transistor na may pinakamahusay na transparency nang hindi gumagamit ng buckling. Bagama't ang kasalukuyang pag-aaral ay isinagawa upang paganahin ang graphene para sa mga stretchable electronics, naniniwala kami na ang pamamaraang ito ay maaaring palawigin sa iba pang mga 2D na materyales upang paganahin ang mga stretchable 2D electronics.
Ang large-area CVD graphene ay pinatubo sa mga nakabitin na Cu foil (99.999%; Alfa Aesar) sa ilalim ng constant pressure na 0.5 mtorr na may 50–SCCM (standard cubic centimeter per minute) CH4 at 20–SCCM H2 bilang precursors sa 1000°C. Ang magkabilang gilid ng Cu foil ay binalutan ng monolayer graphene. Isang manipis na layer ng PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) ang pinahiran ng spin-coat sa isang gilid ng Cu foil, na bumuo ng PMMA/G/Cu foil/G structure. Kasunod nito, ang buong film ay ibinabad sa 0.1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] solution sa loob ng humigit-kumulang 2 oras upang matanggal ang Cu foil. Sa prosesong ito, ang hindi protektadong likurang graphene ay unang napunit sa mga hangganan ng grain at pagkatapos ay pinagsama-sama bilang mga scroll dahil sa surface tension. Ang mga scroll ay ikinabit sa PMMA-supported upper graphene film, na bumuo ng PMMA/G/G scrolls. Ang mga pelikula ay hinugasan sa deionized na tubig nang ilang beses at inilatag sa isang target na substrate, tulad ng isang matibay na SiO2/Si o plastik na substrate. Sa sandaling matuyo ang nakakabit na pelikula sa substrate, ang sample ay sunod-sunod na ibabad sa acetone, 1:1 acetone/IPA (isopropyl alcohol), at IPA sa loob ng 30 segundo bawat isa upang maalis ang PMMA. Ang mga pelikula ay pinainit sa 100°C sa loob ng 15 minuto o iniwan sa vacuum magdamag upang ganap na maalis ang nakulong na tubig bago ilipat ang isa pang layer ng G/G scroll dito. Ang hakbang na ito ay upang maiwasan ang pagkahiwalay ng graphene film mula sa substrate at matiyak ang buong saklaw ng mga MGG habang inilalabas ang PMMA carrier layer.
Ang morpolohiya ng istrukturang MGG ay naobserbahan gamit ang isang optical microscope (Leica) at isang scanning electron microscope (1 kV; FEI). Isang atomic force microscope (Nanoscope III, Digital Instrument) ang pinatakbo sa tapping mode upang obserbahan ang mga detalye ng mga G scroll. Ang transparency ng pelikula ay sinubukan gamit ang isang ultraviolet-visible spectrometer (Agilent Cary 6000i). Para sa mga pagsubok kung saan ang strain ay nasa perpendicular na direksyon ng daloy ng kuryente, ginamit ang photolithography at O2 plasma upang i-pattern ang mga istrukturang graphene sa mga strip (~300 μm ang lapad at ~2000 μm ang haba), at ang mga Au (50 nm) electrode ay idineposito gamit ang mga shadow mask sa magkabilang dulo ng mahabang gilid. Ang mga graphene strip ay pagkatapos ay inilapat sa isang SEBS elastomer (~2 cm ang lapad at ~5 cm ang haba), kung saan ang mahabang axis ng mga strip ay parallel sa maikling gilid ng SEBS na sinusundan ng BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etching at eutectic gallium indium (EGaIn) bilang mga electrical contact. Para sa mga parallel strain test, ang mga unpatterned graphene structure (~5 × 10 mm) ay inilipat sa mga SEBS substrate, na may mahahabang axes na parallel sa mahabang bahagi ng SEBS substrate. Para sa parehong kaso, ang buong G (walang G scrolls)/SEBS ay iniunat sa mahabang bahagi ng elastomer sa isang manual apparatus, at in situ, sinukat namin ang kanilang mga pagbabago sa resistensya sa ilalim ng strain sa isang probe station gamit ang isang semiconductor analyzer (Keithley 4200-SCS).
Ang mga highly stretchable at transparent na all-carbon transistors sa isang elastic substrate ay ginawa gamit ang mga sumusunod na pamamaraan upang maiwasan ang pagkasira ng organic solvent ng polymer dielectric at substrate. Ang mga istruktura ng MGG ay inilipat sa SEBS bilang gate electrodes. Upang makakuha ng pare-parehong thin-film polymer dielectric layer (2 μm ang kapal), isang SEBS toluene (80 mg/ml) solution ang pinahiran ng spin-coat sa isang octadecyltrichlorosilane (OTS)–modified SiO2/Si substrate sa 1000 rpm sa loob ng 1 minuto. Ang manipis na dielectric film ay madaling mailipat mula sa hydrophobic OTS surface papunta sa SEBS substrate na natatakpan ng inihandang graphene. Ang isang capacitor ay maaaring gawin sa pamamagitan ng paglalagay ng liquid-metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) top electrode upang matukoy ang capacitance bilang function ng strain gamit ang isang LCR (inductance, capacitance, resistance) meter (Agilent). Ang iba pang bahagi ng transistor ay binubuo ng polymer-sorted semiconducting CNTs, kasunod ng mga pamamaraang naiulat dati (53). Ang mga patterned source/drain electrod ay ginawa sa mga matibay na SiO2/Si substrates. Kasunod nito, ang dalawang bahagi, dielectric/G/SEBS at CNTs/patterned G/SiO2/Si, ay pinagdikit sa isa't isa, at ibinabad sa BOE upang matanggal ang matibay na SiO2/Si substrate. Kaya, ginawa ang mga ganap na transparent at stretchable transistors. Ang electrical testing sa ilalim ng strain ay isinagawa sa isang manual stretching setup gaya ng nabanggit na pamamaraan.
Ang karagdagang materyal para sa artikulong ito ay makukuha sa http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Mga imahe ng optical microscopy ng monolayer na MGG sa mga substrate ng SiO2/Si sa iba't ibang magnipikasyon.
fig. S4. Paghahambing ng mga resistensya at transmittance ng two-probe sheet sa 550 nm ng mono-, bi- at ​​trilayer plain graphene (mga itim na parisukat), MGG (mga pulang bilog), at CNT (asul na tatsulok).
fig. S7. Normalisadong pagbabago ng resistensya ng mono- at bilayer MGGs (itim) at G (pula) sa ilalim ng ~1000 cyclic strain loading hanggang 40 at 90% parallel strain, ayon sa pagkakabanggit.
fig. S10. Larawan ng SEM ng trilayer MGG sa SEBS elastomer pagkatapos ng pilay, na nagpapakita ng mahabang scroll cross sa ibabaw ng ilang mga bitak.
fig. S12. Larawan ng AFM ng trilayer MGG sa napakanipis na SEBS elastomer sa 20% strain, na nagpapakita na ang isang scroll ay tumawid sa isang bitak.
talahanayan S1. Mga mobilidad ng bilayer MGG–single-walled carbon nanotube transistors sa iba't ibang haba ng channel bago at pagkatapos ng strain.
Ito ay isang artikulong open-access na ipinamamahagi sa ilalim ng mga tuntunin ng lisensyang Creative Commons Attribution-NonCommercial, na nagpapahintulot sa paggamit, pamamahagi, at pagpaparami sa anumang midyum, hangga't ang nagresultang paggamit ay hindi para sa komersyal na bentahe at sa kondisyon na ang orihinal na akda ay wastong binanggit.
PAALALA: Hinihingi lang namin ang iyong email address upang malaman ng taong irerekomenda mo ang pahina na gusto mong makita nila ito, at hindi ito junk mail. Wala kaming kinukuhang anumang email address.
Ang tanong na ito ay para sa pagsubok kung ikaw ay isang taong bisita o hindi at upang maiwasan ang mga awtomatikong spam na pagsusumite.
Ni 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
Ni 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. Lahat ng karapatan ay nakalaan. Ang AAAS ay kasosyo ng HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef at COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.