Ultratransparent at stretchable graphene electrodes

Ang mga two-dimensional na materyales, tulad ng graphene, ay kaakit-akit para sa parehong kumbensyonal na semiconductor na mga aplikasyon at nascent na mga aplikasyon sa flexible electronics. Gayunpaman, ang mataas na tensile strength ng graphene ay nagreresulta sa fracturing sa mababang strain, na ginagawa itong hamon na samantalahin ang mga pambihirang electronic na katangian nito sa stretchable electronics. Upang paganahin ang mahusay na pagganap na umaasa sa strain ng mga transparent na graphene conductor, gumawa kami ng mga graphene nanoscroll sa pagitan ng mga stacked graphene layer, na tinutukoy bilang multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). Sa ilalim ng strain, ang ilang mga scroll ay nagtulay sa mga pira-pirasong domain ng graphene upang mapanatili ang isang percolating network na nagbibigay-daan sa mahusay na conductivity sa matataas na strain. Ang Trilayer MGGs na suportado sa mga elastomer ay nagpapanatili ng 65% ng kanilang orihinal na conductance sa 100% strain, na patayo sa direksyon ng kasalukuyang daloy, samantalang ang trilayer films ng graphene na walang nanoscrolls ay nagpapanatili lamang ng 25% ng kanilang panimulang conductance. Ang isang nababanat na all-carbon transistor na gawa gamit ang mga MGG bilang mga electrodes ay nagpakita ng transmittance na> 90% at napanatili ang 60% ng orihinal nitong kasalukuyang output sa 120% na strain (kaayon sa direksyon ng charge transport). Ang mga mataas na nababanat at transparent na all-carbon transistor ay maaaring paganahin ang mga sopistikadong nababanat na optoelectronics.
Ang stretchable transparent electronics ay isang lumalagong larangan na may mahahalagang aplikasyon sa mga advanced na biointegrated system (1, 2) pati na rin ang potensyal na isama sa stretchable optoelectronics (3, 4) upang makagawa ng mga sopistikadong soft robotics at display. Ang Graphene ay nagpapakita ng lubos na kanais-nais na mga katangian ng atomic na kapal, mataas na transparency, at mataas na kondaktibiti, ngunit ang pagpapatupad nito sa mga nababanat na aplikasyon ay napigilan ng pagkahilig nitong pumutok sa maliliit na mga strain. Ang pagtagumpayan sa mga mekanikal na limitasyon ng graphene ay maaaring paganahin ang bagong pag-andar sa mga nababanat na transparent na aparato.
Ang mga natatanging katangian ng graphene ay ginagawa itong isang malakas na kandidato para sa susunod na henerasyon ng mga transparent na conductive electrodes (5, 6). Kung ikukumpara sa pinakakaraniwang ginagamit na transparent conductor, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) sa 90% transparency ], ang monolayer graphene na pinalaki ng chemical vapor deposition (CVD) ay may katulad na kumbinasyon ng sheet resistance (125 ohms/sq) at transparency (97.4%) (5). Bilang karagdagan, ang mga pelikulang graphene ay may pambihirang kakayahang umangkop kumpara sa ITO (7). Halimbawa, sa isang plastic substrate, ang conductance nito ay maaaring mapanatili kahit para sa isang baluktot na radius ng curvature na kasing liit ng 0.8 mm (8). Upang higit pang mapahusay ang pagganap ng elektrikal nito bilang isang transparent na nababaluktot na konduktor, ang mga nakaraang gawa ay nakabuo ng mga graphene hybrid na materyales na may isang -dimensional (1D) na silver nanowires o carbon nanotubes (CNTs) (9–11). Bukod dito, ang graphene ay ginamit bilang mga electrodes 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).
Kahit na ang graphene ay nagpakita ng mga magagandang resulta para sa nababaluktot na electronics, ang aplikasyon nito sa stretchable electronics ay nalimitahan ng mga mekanikal na katangian nito (17, 24, 25); Ang graphene ay may in-plane stiffness na 340 N/m at isang Young's modulus na 0.5 TPa (26). Ang malakas na network ng carbon-carbon ay hindi nagbibigay ng anumang mga mekanismo sa pag-alis ng enerhiya para sa inilapat na strain at samakatuwid ay madaling pumutok sa mas mababa sa 5% na strain. Halimbawa, ang CVD graphene na inilipat sa isang polydimethylsiloxane (PDMS) na elastic na substrate ay maaari lamang mapanatili ang conductivity nito sa mas mababa sa 6% na strain (8). Ang mga teoretikal na kalkulasyon ay nagpapakita na ang crumpling at interplay sa pagitan ng iba't ibang mga layer ay dapat na lubos na bawasan ang higpit (26). Sa pamamagitan ng pag-stack ng graphene sa maraming layer, iniulat na ang bi- o trilayer na graphene na ito ay nababanat hanggang 30% na strain, na nagpapakita ng pagbabago ng resistensya ng 13 beses na mas maliit kaysa sa monolayer graphene (27). Gayunpaman, ang stretchability na ito ay mas mababa pa rin sa state-of-the-art na stretchable c onductor (28, 29).
Mahalaga ang mga transistor sa mga nababanat na application dahil pinapagana nila ang sopistikadong pagbabasa ng sensor at pagsusuri ng signal (30, 31). Ang mga transistor sa PDMS na may multilayer graphene bilang source/drain electrodes at channel material ay maaaring mapanatili ang electrical function hanggang 5% strain (32), na Malaking mababa sa minimum na kinakailangang halaga (~50%) para sa mga naisusuot na health-monitoring sensor at electronic skin ( 33, 34). Kamakailan, ang isang graphene kirigami na diskarte ay na-explore, at ang transistor na may gate ng isang likidong electrolyte ay maaaring ma-stretch hanggang sa 240% (35). Gayunpaman, ang pamamaraang ito ay nangangailangan ng nasuspinde na graphene, na nagpapalubha sa proseso ng paggawa.
Dito, nakakamit namin ang lubos na nababanat na mga graphene device sa pamamagitan ng intercalating graphene scrolls (~ 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. Ini-hypothesize namin na ang mga graphene scroll na ito ay maaaring magbigay ng mga conductive path upang i-bridge ang mga bitak sa mga graphene sheet, kaya pinapanatili ang mataas na conductivity sa ilalim ng strain. Ang mga graphene scroll ay hindi nangangailangan ng karagdagang synthesis o proseso; sila ay natural na nabuo sa panahon ng wet transfer procedure. Sa pamamagitan ng paggamit ng multilayer G/G (graphene/graphene) scrolls (MGGs) graphene stretchable electrodes (source/drain and gate) at semiconducting CNTs, nagawa naming ipakita ang napakalinaw at lubos na nababanat na all-carbon transistors, na maaaring i-stretch hanggang 120 % strain (parallel sa direksyon ng charge transport) at panatilihin ang 60 % ng kanilang orihinal na kasalukuyang output. Ito ang pinaka-nababanat na transparent na carbon-based transistor sa ngayon, at nagbibigay ito ng sapat na kasalukuyang para magmaneho ng inorganic na LED.
Upang paganahin ang malalaking lugar na transparent stretchable graphene electrodes, pinili namin ang CVD-grown graphene sa Cu foil. Ang Cu foil ay sinuspinde sa gitna ng isang CVD quartz tube upang payagan ang paglaki ng graphene sa magkabilang panig, na bumubuo ng mga istrukturang G/Cu/G . Upang ilipat ang graphene, pinahiran muna namin ang isang manipis na layer ng poly(methyl methacrylate) (PMMA) upang protektahan ang isang bahagi ng graphene, na pinangalanan naming topside graphene (vice versa para sa kabilang panig ng graphene), at pagkatapos, ang ang buong pelikula (PMMA/top graphene/Cu/bottom graphene) ay ibinabad sa (NH4)2S2O8 solution upang maalis ang Cu foil. Ang bottom-side graphene na walang PMMA coating ay hindi maiiwasang magkaroon ng mga bitak at mga depekto na nagpapahintulot sa isang etchant na tumagos (36, 37). Tulad ng inilalarawan sa Fig. 1A, sa ilalim ng epekto ng pag-igting sa ibabaw, ang inilabas na mga domain ng graphene ay pinagsama sa mga scroll at kasunod na nakakabit sa natitirang top-G/PMMA na pelikula. 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 proseso ng paglipat na ito nang maraming beses sa parehong substrate ay nagbibigay ng mga istruktura ng MGG.
(A) Schematic na paglalarawan ng pamamaraan ng katha para sa mga MGG bilang isang nababanat na elektrod. Sa panahon ng paglilipat ng graphene, ang likod na graphene sa Cu foil ay nasira sa mga hangganan at mga depekto, na pinagsama sa mga arbitrary na hugis, at mahigpit na nakakabit sa itaas na mga pelikula, na bumubuo ng mga nanoscroll. Ang ika-apat na cartoon ay naglalarawan sa nakasalansan na istraktura ng MGG. (B at C) High-resolution na TEM characterization ng isang monolayer MGG, na tumutuon sa monolayer graphene (B) at sa scroll (C) na rehiyon, ayon sa pagkakabanggit. Ang inset ng (B) ay isang mababang-magnification na imahe na nagpapakita ng pangkalahatang morpolohiya ng mga monolayer na MGG sa TEM grid. Ang mga inset ng (C) ay ang mga profile ng intensity na kinuha kasama ang mga parihabang kahon na ipinahiwatig sa imahe, kung saan ang mga distansya sa pagitan ng mga atomic na eroplano ay 0.34 at 0.41 nm. (D ) Carbon K-edge EEL spectrum na may label na katangiang graphitic na π* at σ* peak. (E) Sectional AFM na imahe ng monolayer G/G scrolls na may taas na profile sa kahabaan ng dilaw na tuldok na linya. (F to 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-thick SiO2/Si substrates, ayon sa pagkakabanggit. Ang mga kinatawan ng scroll at wrinkles ay nilagyan ng label upang i-highlight ang kanilang mga pagkakaiba.
Upang ma-verify na ang mga scroll ay pinagsama-samang graphene sa kalikasan, nagsagawa kami ng high-resolution na transmission electron microscopy (TEM) at electron energy loss (EEL) spectroscopy na pag-aaral sa monolayer top-G/G scroll structures. Ipinapakita ng Figure 1B ang hexagonal na istraktura ng isang monolayer graphene, at ang inset ay isang pangkalahatang morpolohiya ng pelikula na sakop sa iisang carbon hole ng TEM grid. Ang monolayer graphene ay sumasaklaw sa karamihan ng grid, at ang ilang graphene flakes sa pagkakaroon ng maraming stack ng hexagonal ring ay lilitaw (Fig. 1B). Sa pamamagitan ng pag-zoom sa isang indibidwal na scroll (Larawan 1C), napansin namin ang isang malaking halaga ng graphene lattice fringes, na may lattice spacing sa hanay na 0.34 hanggang 0.41 nm. Iminumungkahi ng mga sukat na ito na ang mga natuklap ay random na pinagsama at hindi perpektong grapayt, na may lattice spacing na 0.34 nm sa "ABAB" na layer stacking. Ipinapakita ng Figure 1D ang carbon K-edge EEL spectrum, kung saan ang peak sa 285 eV ay nagmula sa π* orbital at ang isa pa sa paligid ng 290 eV ay dahil sa paglipat ng σ* orbital. Makikita na ang sp2 bonding ay nangingibabaw sa istrukturang ito, na nagpapatunay na ang mga scroll ay lubos na grapiko.
Ang optical microscopy at atomic force microscopy (AFM) na mga imahe ay nagbibigay ng insight sa pamamahagi ng mga graphene nanoscroll sa mga MGG (Fig. 1, E hanggang G, at fig. S1 at S2). Ang mga scroll ay random na ipinamamahagi sa ibabaw, at ang kanilang in -plane density ay tumataas nang proporsyonal sa bilang ng mga nakasalansan na layer. Maraming mga scroll ang nagkakabuhol-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 mga sukat ng kanilang mga paunang graphene flakes. Tulad ng ipinapakita sa Fig. 1 (H at I), ang mga scroll ay may makabuluhang mas malalaking sukat kaysa sa mga wrinkles, na humahantong sa isang mas magaspang na interface sa pagitan ng mga layer ng graphene.
Upang sukatin ang mga de-koryenteng katangian, nag-pattern kami ng mga graphene film na mayroon o walang mga scroll structure at layer stacking sa 300-μm-wide at 2000-μm-long strips gamit ang photolithography. Ang mga resistensya ng dalawang-probe bilang isang function ng strain ay sinusukat sa ilalim ng mga kondisyon ng kapaligiran. Ang pagkakaroon ng mga scroll ay nagbawas ng 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 kasalukuyang density hanggang sa 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), ay gumagawa ng isang napakapositibong kontribusyon sa elektrikal sa mga MGG. Sa lahat ng mono-, bi-, at trilayer na plain graphene at MGG, ang trilayer MGG ay may pinakamahusay na conductance na may transparency na halos 90%. Upang ihambing sa iba pang mga mapagkukunan ng graphene na iniulat sa panitikan, sinukat din namin ang mga resistensya ng apat na probe sheet (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 multila yer plain graphene at pinababang graphene oxide (RGO) (6, 8, 18). Tandaan na ang mga resistensya ng sheet ng artipisyal na nakasalansan na multilayer plain graphene mula sa panitikan ay bahagyang mas mataas kaysa sa aming MGG, marahil dahil sa kanilang hindi na-optimize na mga kondisyon ng paglago at paraan ng paglipat .
(A) Four-probe sheet resistances versus transmittance sa 550 nm para sa ilang uri ng graphene, kung saan ang mga itim na parisukat ay tumutukoy sa mga mono-, bi-, at trilayer na MGG; ang mga pulang bilog at asul na tatsulok ay tumutugma sa multilayer plain graphene na lumago sa Cu at Ni mula sa mga pag-aaral ng Li et al. (6) at Kim et al. (8), ayon sa pagkakabanggit, at pagkatapos ay inilipat sa SiO2/Si o quartz; at berdeng tatsulok ay mga halaga para sa RGO sa iba't ibang pagbabawas ng antas mula sa pag-aaral ng Bonaccorso et al. ( 18). (B at C) Normalized na pagbabago ng resistensya ng mono-, bi- at ​​trilayer MGG at G bilang isang function ng perpendicular (B) at parallel (C) strain sa direksyon ng kasalukuyang daloy. (D) Normalized resistance change ng bilayer G (pula) at MGG (black) sa ilalim ng cyclic strain loading hanggang 50% perpendicular strain. (E) Normalized resistance change ng trilayer G (red) at MGG (black) sa ilalim ng cyclic strain loading hanggang 90% parallel strain. ( F ) Normalized capacitance change ng mono-, bi- at ​​trilayer G at bi- at ​​trilayer MGGs bilang isang function ng strain. Ang inset ay ang capacitor structure, kung saan ang polymer substrate ay SEBS at ang polymer dielectric layer ay ang 2-μm-thick SEBS.
Upang suriin ang pagganap na umaasa sa strain ng MGG, inilipat namin ang graphene sa thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) substrates (~ 2 cm ang lapad at ~ 5 cm ang haba), at ang conductivity ay sinusukat habang ang substrate ay nakaunat. (tingnan ang Mga Materyales at Paraan) parehong patayo at kahanay sa direksyon ng kasalukuyang daloy (Larawan 2, B at C). Ang pag-uugali ng elektrikal na umaasa sa strain ay napabuti sa pagsasama ng mga nanoscroll at pagtaas ng bilang ng mga layer ng graphene. Halimbawa, kapag ang strain ay patayo sa kasalukuyang daloy, para sa monolayer graphene, ang pagdaragdag ng mga scroll ay nagpapataas ng strain sa electrical breakage mula 5 hanggang 70%. Ang strain tolerance ng trilayer graphene ay makabuluhang napabuti kumpara sa monolayer graphene. Sa mga nanoscroll, sa 100% perpendicular strain, ang paglaban ng trilayer MGG na istraktura ay tumaas lamang ng 50%, kung ihahambing sa 300% para sa trilayer graphene na walang mga scroll. Ang pagbabago ng paglaban sa ilalim ng cyclic strain load ing ay sinisiyasat. Para sa paghahambing (Larawan 2D), ang mga resistensya ng isang plain bilayer graphene film ay tumaas nang humigit-kumulang 7.5 beses pagkatapos ng ~700 cycle sa 50% perpendicular strain at patuloy na tumataas nang may strain sa bawat cycle. Sa kabilang banda, ang paglaban ng isang bilayer MGG ay tumaas lamang ng halos 2.5 beses pagkatapos ng ~ 700 na mga siklo. Ang paglalapat ng hanggang 90% na strain kasama ang parallel na direksyon, ang resistensya ng trilayer graphene ay tumaas ~100 beses pagkatapos ng 1000 cycle, samantalang ito ay ~8 beses lamang sa isang trilayer MGG (Fig. 2E). Ang mga resulta ng pagbibisikleta ay ipinapakita sa fig. S7. Ang medyo mas mabilis na pagtaas ng paglaban sa kahabaan ng parallel na direksyon ng strain ay dahil ang oryentasyon ng mga bitak ay patayo sa direksyon ng kasalukuyang daloy. Ang paglihis ng paglaban sa panahon ng paglo-load at pagbabawas ng strain ay dahil sa viscoelastic recovery ng SEBS elastomer substrate. Ang mas matatag na resistensya ng MGG strips sa panahon ng pagbibisikleta ay dahil sa pagkakaroon ng malalaking scroll na maaaring tulay sa mga basag na bahagi ng graphene (tulad ng naiisip ng AFM), na tumutulong na mapanatili ang isang percolating pathway. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ng pagpapanatili ng conductivity sa pamamagitan ng isang percolating pathway ay naiulat na dati para sa mga basag na metal o semiconductor na pelikula sa mga substrate ng elastomer (40, 41).
Upang suriin ang mga pelikulang ito na nakabatay sa graphene bilang mga electrodes ng gate sa mga nababanat na aparato, tinakpan namin ang layer ng graphene na may isang SEBS dielectric layer (2 μm ang kapal) at sinusubaybayan ang pagbabago ng dielectric capacitance bilang isang function ng strain (tingnan ang Fig. 2F at ang Mga Karagdagang Materyal para sa mga detalye). Napansin 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 kaibahan, ang mga capacitance na naka-gate ng MGG pati na rin ang plain trilayer graphene ay nagpakita ng pagtaas ng capacitance na may strain, na inaasahan dahil sa pagbawas sa dielectric na kapal na may strain. Ang inaasahang pagtaas sa kapasidad ay tumugma nang mahusay sa istraktura ng MGG (fig. S8). Ito ay nagpapahiwatig na ang MGG ay angkop bilang isang gate electrode para sa stretchable transistors.
Upang higit pang maimbestigahan ang papel ng 1D graphene scroll sa strain tolerance ng electrical conductivity at mas mahusay na kontrolin ang paghihiwalay sa pagitan ng mga layer ng graphene, ginamit namin ang mga spray-coated na CNT upang palitan ang mga graphene scroll (tingnan ang Mga Pandagdag na Materyal). Upang gayahin ang mga istruktura ng MGG, nagdeposito kami ng tatlong densidad ng mga CNT (iyon ay, CNT1
(A hanggang C) mga larawan ng AFM ng tatlong magkakaibang densidad ng mga CNT (CNT1
Upang higit pang maunawaan ang kanilang kakayahan bilang mga electrodes para sa stretchable electronics, sistematikong sinisiyasat namin ang mga morpolohiya ng MGG at G-CNT-G sa ilalim ng strain. Ang optical microscopy at scanning electron microscopy (SEM) ay hindi epektibong paraan ng characterization dahil parehong kulang ang contrast ng kulay at ang SEM ay napapailalim sa mga artifact ng imahe sa panahon ng electron scanning kapag ang graphene ay nasa polymer substrates (fig. S9 at S10). Upang obserbahan sa lugar ang ibabaw ng graphene sa ilalim ng strain, nakolekta namin ang mga sukat ng AFM sa trilayer MGG at plain graphene pagkatapos ilipat sa napaka manipis (~ 0.1 mm makapal ) 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 paglipat, ang mga bitak ay hindi maaaring hindi mabuo sa strained graphene, at sa pagtaas ng strain, ang mga bitak ay naging mas siksik (Larawan 4, A hanggang D). Depende sa stacking structure ng carbon-based electrodes, ang mga bitak ay nagpapakita ng iba't ibang morpolohiya (fig. S11) (27). Ang density ng crack area (tinukoy bilang crack area/analyzed area) 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 sinusunod upang tulay ang mga bitak, na nagbibigay ng karagdagang conductive pathway sa strained film. Halimbawa, tulad ng naka-label sa larawan ng Fig. 4B, isang malawak na scroll ang tumawid sa isang crack sa trilayer MGG, ngunit walang scroll na naobserbahan sa plain graphene (Fig. 4, E hanggang H). Katulad nito, ang mga CNT ay nagtulay din sa mga bitak sa graphene (fig. S11). Ang density ng crack area, density ng scroll area, at kagaspangan ng mga pelikula ay ibinubuod sa Fig. 4K.
(A to H) In situ AFM na mga larawan ng trilayer G/G scrolls (A to D) at trilayer G structures (E to H) sa isang napakanipis na SEBS (~0.1 mm ang kapal) elastomer sa 0, 20, 60, at 100 % strain. Ang mga kinatawan ng mga bitak at mga scroll ay itinuturo ng mga arrow. Ang lahat ng mga larawan ng AFM ay nasa isang lugar na 15 μm × 15 μm, gamit ang parehong color scale bar bilang may label. (I) Simulation geometry ng patterned monolayer graphene electrodes sa SEBS substrate. (J) Simulation contour map ng pinakamataas na principal logarithmic strain sa monolayer graphene at ang SEBS substrate sa 20% external strain. (K) Paghahambing ng density ng crack area (pulang column), scroll area density (dilaw na column), at pagkamagaspang sa ibabaw (asul na column) para sa iba't ibang istruktura ng graphene.
Kapag ang mga pelikulang MGG ay nakaunat, mayroong isang mahalagang karagdagang mekanismo na maaaring tulay ng mga scroll ang mga basag na rehiyon ng graphene, na nagpapanatili ng isang percolating network. Ang mga graphene scroll ay may pag-asa dahil ang mga ito ay maaaring sampu-sampung micrometer ang haba at samakatuwid ay nakakapag-bridge ng mga bitak na karaniwang hanggang micrometer scale. Higit pa rito, dahil ang mga scroll ay binubuo ng mga multilayer ng graphene, inaasahang magkakaroon sila ng mababang resistensya. Sa paghahambing, ang medyo siksik (mas mababang transmittance) na mga network ng CNT ay kinakailangan na magbigay ng maihahambing na conductive bridging na kakayahan, dahil ang mga CNT ay mas maliit (karaniwang ilang micrometer ang haba) at mas mababa ang conductive kaysa sa mga scroll. Sa kabilang banda, tulad ng ipinapakita sa fig. S12, samantalang ang graphene ay pumuputok sa panahon ng pag-uunat 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 pumutok ay malamang dahil sa pinagsama-samang istraktura, na binubuo ng maraming layer ng graphene (~ 1 hanggang 2 0 μm ang haba, ~ 0.1 hanggang 1 μm ang lapad, at ~ 10 hanggang 100 nm ang taas), na mayroong isang mas mataas na epektibong modulus kaysa sa single-layer graphene. Tulad ng iniulat ng Green at Hersam (42), ang mga network ng metal na CNT (diameter ng tubo na 1.0 nm) ay maaaring makamit ang mababang resistensya ng sheet <100 ohms/sq sa kabila ng malaking paglaban ng junction sa pagitan ng mga CNT. Isinasaalang-alang na ang aming mga graphene scroll ay may mga lapad na 0.1 hanggang 1 μm at ang mga G/G scroll ay may mas malaking contact area kaysa sa mga CNT, ang contact resistance at contact area sa pagitan ng graphene at graphene scrolls ay hindi dapat nililimitahan ang mga 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 higpit ng graphene na beses ang kapal nito ay maihahambing sa substrate (43, 44), na nagreresulta sa isang katamtamang rigid-island effect. Ginawa namin ang pagpapapangit ng isang 1-nm-makapal na graphene sa isang SEBS substrate (tingnan ang Mga Pandagdag na Materyal 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 eksperimentong obserbasyon (tingnan ang fig. S13) . Inihambing namin ang strain sa patterned graphene at substrate na mga rehiyon gamit ang optical microscopy at natagpuan ang strain sa substrate region na hindi bababa sa dalawang beses ang strain sa graphene region. Ipinapahiwatig nito na ang strain na inilapat sa mga pattern ng graphene electrode ay maaaring makabuluhang makulong, na bumubuo ng mga graphene stiff na isla sa tuktok ng SEBS (26, 43, 44).
Samakatuwid, ang kakayahan ng mga electrodes ng MGG 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 tulay sa mga nakadiskonektang rehiyon upang mapanatili ang isang conductive percolation pathway, at (ii) ang multilayer graphene sheets/elastomer ay maaaring mag-slide sa bawat isa, na nagreresulta sa pagbawas ng strain sa mga graphene electrodes. Para sa maraming mga layer ng inilipat na graphene sa elastomer, ang mga layer ay hindi mahigpit na nakakabit sa isa't isa, na maaaring mag-slide bilang tugon sa strain (27). Pinataas din ng mga scroll ang pagkamagaspang ng mga layer ng graphene, na maaaring makatulong upang mapataas ang paghihiwalay sa pagitan ng mga layer ng graphene at samakatuwid ay paganahin ang pag-slide ng mga layer ng graphene.
Ang mga all-carbon device ay masigasig na hinahabol dahil sa mababang gastos at mataas na throughput. Sa aming kaso, ang all-carbon transistor ay ginawa gamit ang isang bottom graphene gate, isang top graphene source/drain contact, isang pinagsunod-sunod na CNT semiconductor, at SEBS bilang isang 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 network ng CNT ay nangangailangan ng mas malaking kapal at, dahil dito, mas mababang optical transmittance upang makamit ang mga resistensya ng sheet na katulad ng sa graphene (fig. S4). Ipinapakita ng Figure 5 (C at D) ang paglilipat ng kinatawan at mga curve ng output bago ang strain para sa isang transistor na ginawa gamit ang mga electrodes ng bilayer na MGG. Ang lapad ng channel at haba ng unstrained transistor ay 800 at 100 μm, ayon sa pagkakabanggit. Ang sinusukat na on/off ratio ay mas malaki kaysa sa 103 na may on at off na mga alon sa mga antas na 10−5 at 10−8 A, ayon sa pagkakabanggit. Ang output curve ay nagpapakita ng perpektong linear at sa turasyon na rehimen na may malinaw na gate-voltage dependence, na nagpapahiwatig ng perpektong 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 isang dielectric layer. Ang karagdagang pagpapabuti sa kadaliang mapakilos ay posible sa na-optimize na density ng tubo at iba pang uri ng mga tubo (46).
(A) Scheme ng graphene-based stretchable transistor. Mga SWNT, single-walled carbon nanotube. (B) Larawan ng mga nababanat na transistor na gawa sa graphene electrodes (itaas) at CNT electrodes (ibaba). Ang pagkakaiba sa transparency ay malinaw na kapansin-pansin. ( C at D) Paglipat at output curves ng graphene-based transistor sa SEBS bago strain. (E at F) Maglipat ng mga curve, on at off current, on/off ratio, at mobility ng graphene-based transistor sa iba't ibang strain.
Kapag ang transparent, all-carbon na aparato ay nakaunat sa direksyon na kahanay sa direksyon ng transportasyon ng singil, ang minimal na pagkasira ay naobserbahan hanggang sa 120% na strain. Sa panahon ng stretching, ang mobility ay patuloy na bumaba mula 5.6 cm2/Vs sa 0% strain hanggang 2.5 cm2/Vs sa 120% strain (Fig. 5F). Inihambing din namin ang pagganap ng transistor para sa iba't ibang mga haba ng channel (tingnan ang talahanayan S1). Kapansin-pansin, sa isang strain na kasing laki ng 105%, ang lahat ng mga transistor na ito ay nagpakita pa rin ng mataas na on/off ratio (>103) at mobility (>3 cm2/Vs). Bilang karagdagan, ibinubuod namin ang lahat ng kamakailang gawain sa all-carbon transistors (tingnan ang talahanayan 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 mga all-carbon transistor ay nagpapakita ng mahusay na pagganap sa mga tuntunin ng kadaliang kumilos at hysteresis pati na rin ang pagiging lubhang nababanat.
Bilang isang application ng ganap na transparent at stretchable transistor, ginamit namin ito upang kontrolin ang switching ng LED (Fig. 6A). Gaya ng ipinapakita sa Fig. 6B, ang berdeng LED ay makikita nang malinaw sa pamamagitan ng nababanat na all-carbon device na direktang nakalagay sa itaas. Habang umaabot hanggang ~100% (Larawan 6, C at D), hindi nagbabago ang intensity ng LED light, na naaayon sa pagganap ng transistor na inilarawan sa itaas (tingnan ang pelikula S1). Ito ang unang ulat ng mga stretchable control unit na ginawa gamit ang graphene electrodes, na nagpapakita ng bagong posibilidad para sa graphene stretchable electronics.
(A) Circuit ng isang transistor upang magmaneho ng LED. GND, lupa. (B) Larawan ng stretchable at transparent na all-carbon transistor sa 0% strain na naka-mount sa itaas ng berdeng LED. (C) Ang all-carbon transparent at stretchable transistor na ginamit upang ilipat ang LED ay ini-mount sa itaas ng LED sa 0% (kaliwa) at ~100% strain (kanan). Ang mga puting arrow ay tumuturo bilang mga dilaw na marker sa device upang ipakita ang pagbabago ng distansya na binanat. (D) Side view ng stretched transistor, na may LED na itinulak sa elastomer.
Sa konklusyon, nakagawa kami ng isang transparent na conductive graphene structure na nagpapanatili ng mataas na conductivity sa ilalim ng malalaking strain bilang stretchable electrodes, na pinagana ng graphene nanoscrolls sa pagitan ng mga stacked graphene layer. Ang bi- at ​​trilayer MGG na mga istrukturang electrode na ito sa isang elastomer ay maaaring magpanatili ng 21 at 65%, ayon sa pagkakabanggit, ng kanilang 0% strain conductivities sa isang strain na kasing taas ng 100%, kumpara sa kumpletong pagkawala ng conductivity sa 5% strain para sa tipikal na monolayer graphene electrodes . Ang karagdagang conductive path ng graphene scrolls pati na rin ang mahinang interaksyon sa pagitan ng mga inilipat na layer ay nakakatulong sa superior conductivity stability sa ilalim ng strain. Inilapat pa namin ang graphene structure na ito para gumawa ng all-carbon stretchable transistors. Sa ngayon, ito ang pinakanababanat na 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 stretchable electronics, naniniwala kami na ang diskarte na ito ay maaaring palawigin sa iba pang mga 2D na materyales upang paganahin ang stretchable 2D electronics.
Ang malaking-lugar na CVD graphene ay lumaki sa mga sinuspinde na Cu foil (99.999%; Alfa Aesar) sa ilalim ng pare-parehong presyon na 0.5 mtorr na may 50-SCCM (karaniwang cubic centimeter kada minuto) CH4 at 20-SCCM H2 bilang mga precursor sa 1000°C. Ang magkabilang panig ng Cu foil ay natatakpan ng monolayer graphene. Ang isang manipis na layer ng PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) ay pinahiran ng spin-coated sa isang gilid ng Cu foil, na bumubuo ng PMMA/G/Cu foil/G na istraktura. pagkatapos, ang buong pelikula ay ibinabad sa 0.1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] na solusyon sa loob ng halos 2 oras upang maalis ang Cu foil. Sa prosesong ito, ang hindi protektadong backside graphene ay unang napunit sa mga hangganan ng butil at pagkatapos ay gumulong sa mga scroll dahil sa pag-igting sa ibabaw. Ang mga scroll ay nakakabit sa itaas na graphene film na sinusuportahan ng PMMA, na bumubuo ng mga scroll ng PMMA/G/G. Ang mga pelikula ay kasunod na hugasan sa deionized na tubig nang maraming beses at inilagay sa isang target na substrate, tulad ng isang matibay na SiO2 / Si o plastic substrate. Sa sandaling matuyo ang nakakabit na pelikula sa substrate, ang sample ay sunud-sunod na ibinabad sa acetone, 1:1 acetone/IPA (isopropyl alcohol), at IPA nang 30 s bawat isa upang maalis ang PMMA. Ang mga pelikula ay pinainit sa 100°C sa loob ng 15 min o itinago sa isang vacuum magdamag upang ganap na maalis ang nakulong na tubig bago ang isa pang layer ng G/G scroll ay inilipat dito. Ang hakbang na ito ay upang maiwasan ang detatsment ng graphene film mula sa substrate at matiyak ang buong saklaw ng mga MGG sa panahon ng paglabas ng PMMA carrier layer.
Ang morpolohiya ng istraktura ng MGG ay sinusunod gamit ang isang optical microscope (Leica) at isang scanning electron microscope (1 kV; FEI). Ang isang atomic force microscope (Nanoscope III, Digital Instrument) ay pinaandar sa tapping mode upang obserbahan ang mga detalye ng G scroll. Ang transparency ng pelikula ay sinubukan ng isang ultraviolet-visible spectrometer (Agilent Cary 6000i). Para sa mga pagsubok kapag ang strain ay nasa kahabaan ng perpendikular na direksyon ng kasalukuyang daloy, ginamit ang photolithography at O2 plasma upang i-pattern ang mga istruktura ng graphene sa mga piraso (~ 300 μm ang lapad at ~ 2000 μm ang haba), at ang Au (50 nm) na mga electrodes ay thermally na idineposito gamit ang mga maskara ng anino sa magkabilang dulo ng mahabang gilid. Ang mga graphene strips ay inilagay sa contact sa isang SEBS elastomer (~2 cm ang lapad at ~5 cm ang haba), na may mahabang axis ng mga strips na kahanay sa maikling bahagi ng SEBS na sinusundan ng BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etching at eutectic gallium indium (EGaIn) bilang electrical contact. Para sa mga parallel strain test, ang hindi naka-pattern na graphene structur es (~ 5 × 10 mm) ay inilipat sa mga substrate ng SEBS, na may mahabang axes na kahanay sa mahabang bahagi ng SEBS substrate. Para sa parehong mga kaso, ang buong G (nang walang G scroll) / SEBS ay nakaunat kasama ang mahabang bahagi ng elastomer sa isang manual apparatus, at sa lugar na iyon, sinukat namin ang kanilang mga pagbabago sa paglaban sa ilalim ng strain sa isang istasyon ng probe na may isang semiconductor analyzer (Keithley 4200 -SCS).
Ang lubos na nababanat at transparent na all-carbon transistors sa isang nababanat na substrate ay ginawa ng mga sumusunod na pamamaraan upang maiwasan ang pagkasira ng organikong solvent ng polymer dielectric at substrate. Ang mga istruktura ng MGG ay inilipat sa SEBS bilang mga electrodes ng gate. Upang makakuha ng isang pare-parehong thin-film polymer dielectric layer (2 μm ang kapal), isang SEBS toluene (80 mg/ml) na solusyon ay pinahiran ng spin-coated sa isang octadecyltrichlorosilane (OTS) -modified SiO2/Si substrate sa 1000 rpm para sa 1 min. Ang manipis na dielectric film ay madaling mailipat mula sa hydrophobic OTS surface papunta sa SEBS substrate na sakop ng as-prepared graphene. Ang isang kapasitor ay maaaring gawin sa pamamagitan ng pagdeposito ng isang likido-metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) sa itaas na elektrod upang matukoy ang kapasidad bilang isang 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 pamamaraan na iniulat dati (53). Ang patterned source/drain electrod es ay gawa-gawa sa matibay na SiO2/Si substrates. Kasunod nito, ang dalawang bahagi, dielectric / G / SEBS at CNTs / patterned G / SiO2 / Si, ay nakalamina sa isa't isa, at ibinabad sa BOE upang alisin ang matibay na SiO2 / Si substrate. Kaya, ang ganap na transparent at stretchable transistors ay gawa-gawa. Ang electrical testing sa ilalim ng strain ay isinagawa sa isang manual stretching setup bilang ang nabanggit na paraan.
Ang karagdagang materyal para sa artikulong ito ay makukuha sa http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Optical microscopy na mga imahe ng monolayer MGG sa SiO2/Si substrates sa iba't ibang mga magnification.
fig. S4. Paghahambing ng two-probe sheet resistances at transmittances @550 nm ng mono-, bi- at ​​trilayer plain graphene (black squares), MGG (red circles), at CNTs (blue triangle).
fig. S7. Normalized na pagbabago ng resistensya ng mono- at bilayer na MGG (itim) at G (pula) sa ilalim ng ~1000 cyclic strain na naglo-load ng hanggang 40 at 90% parallel strain, ayon sa pagkakabanggit.
fig. S10. SEM imahe ng trilayer MGG sa SEBS elastomer pagkatapos ng strain, na nagpapakita ng mahabang scroll cross sa ilang mga bitak.
fig. S12. AFM na imahe ng trilayer MGG sa napakanipis na SEBS elastomer sa 20% strain, na nagpapakita na ang isang scroll ay tumawid sa isang crack.
talahanayan S1. Mga kadaliang mapakilos ng bilayer MGG–single-walled carbon nanotube transistors sa iba't ibang haba ng channel bago at pagkatapos ng strain.
Ito ay isang open-access na artikulo na ipinamamahagi sa ilalim ng mga tuntunin ng Creative Commons Attribution-NonCommercial na lisensya, na nagpapahintulot sa paggamit, pamamahagi, at pagpaparami sa anumang medium, hangga't ang resulta ng paggamit ay hindi para sa komersyal na kalamangan at kung ang orihinal na gawa ay maayos. binanggit.
TANDAAN: Hinihiling lang namin ang iyong email address upang malaman ng taong inirerekomenda mo ang page na gusto mong makita nila ito, at hindi ito junk mail. Hindi kami kumukuha ng anumang email address.
Ang tanong na ito ay para sa pagsubok kung isa kang bisitang tao o hindi at upang maiwasan ang mga awtomatikong pagsusumite ng spam.
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.