Divdimensiju materiāli, piemēram, grafēns, ir pievilcīgi gan tradicionālajiem pusvadītāju pielietojumiem, gan jaunajiem pielietojumiem elastīgā elektronikā. Tomēr grafēna augstā stiepes izturība izraisa lūzumus pie zemas deformācijas, apgrūtinot tā ārkārtējo elektronisko īpašību izmantošanu stiepjamajā elektronikā. Lai nodrošinātu izcilu, no deformācijas atkarīgu caurspīdīgu grafēna vadītāju veiktspēju, mēs izveidojām grafēna nanospoles starp sakrautiem grafēna slāņiem, ko sauc par daudzslāņu grafēna/grafēna spirālēm (MGG). Spriegojuma ietekmē dažas spirāles savienoja grafēna fragmentētos domēnus, lai saglabātu perkolācijas tīklu, kas nodrošināja izcilu vadītspēju pie lielām deformācijām. Trīsslāņu MGG, kas balstīti uz elastomēriem, saglabāja 65% no savas sākotnējās vadītspējas pie 100% deformācijas, kas ir perpendikulāra strāvas plūsmas virzienam, savukārt trīsslāņu grafēna plēves bez nanospolēm saglabāja tikai 25% no savas sākotnējās vadītspējas. Stiepjams pilnībā no oglekļa izgatavots tranzistors, kas izgatavots, izmantojot MGG kā elektrodus, uzrādīja >90% caurlaidību un saglabāja 60% no savas sākotnējās strāvas izejas pie 120% deformācijas (paralēli lādiņa transporta virzienam). Šie ļoti izstiepjamie un caurspīdīgie pilnībā no oglekļa izgatavotie tranzistori varētu nodrošināt sarežģītu izstiepjamu optoelektroniku.
Stiepjama caurspīdīga elektronika ir augoša joma, kurai ir svarīgi pielietojumi progresīvās biointegrētās sistēmās (1, 2), kā arī potenciāls integrēties ar stiepjamo optoelektroniku (3, 4), lai radītu sarežģītu mīksto robotiku un displejus. Grafēnam piemīt ļoti vēlamas atomu biezuma, augstas caurspīdības un augstas vadītspējas īpašības, taču tā ieviešanu stiepjamās lietojumprogrammās ir kavējusi tā tendence plaisāt pie maziem spriegumiem. Grafēna mehānisko ierobežojumu pārvarēšana varētu nodrošināt jaunas funkcijas stiepjamās caurspīdīgās ierīcēs.
Grafēna unikālās īpašības padara to par spēcīgu kandidātu nākamās paaudzes caurspīdīgiem vadošiem elektrodiem (5, 6). Salīdzinot ar visbiežāk izmantoto caurspīdīgo vadītāju indija alvas oksīdu [ITO; 100 omi/kv. (sq) ar 90% caurspīdīgumu], ar ķīmiskās tvaiku pārklāšanas (CVD) metodi audzētam monoslāņa grafēnam ir līdzīga lokšņu pretestības (125 omi/kv.) un caurspīdīguma (97,4%) kombinācija (5). Turklāt grafēna plēvēm ir ārkārtēja elastība salīdzinājumā ar ITO (7). Piemēram, uz plastmasas substrāta tā vadītspēju var saglabāt pat tad, ja izliekuma rādiuss ir tik mazs kā 0,8 mm (8). Lai vēl vairāk uzlabotu tā elektrisko veiktspēju kā caurspīdīgam, elastīgam vadītājam, iepriekšējos darbos ir izstrādāti grafēna hibrīdmateriāli ar viendimensiju (1D) sudraba nanovadiem vai oglekļa nanocaurulītēm (CNT) (9–11). Turklāt grafēns ir izmantots kā elektrodi jauktas dimensijas heterostrukturāliem pusvadītājiem (piemēram, 2D tilpuma Si, 1D nanovadiem/nanocaurulītēm un 0D kvantu punktiem) (12), elastīgiem tranzistoriem, saules baterijām un gaismas diodēm (LED) (13–23).
Lai gan grafēns ir uzrādījis daudzsološus rezultātus elastīgā elektronikā, tā pielietojumu stiepjamajā elektronikā ierobežo tā mehāniskās īpašības (17, 24, 25); grafēna stingrība plaknē ir 340 N/m un Janga modulis ir 0,5 TPa (26). Spēcīgais oglekļa-oglekļa tīkls nenodrošina nekādus enerģijas izkliedes mehānismus pielietotajai deformācijai un tāpēc viegli plaisā pie deformācijas, kas mazāka par 5%. Piemēram, CVD grafēns, kas pārnests uz elastīga polidimetilsiloksāna (PDMS) substrāta, var saglabāt savu vadītspēju tikai pie deformācijas, kas mazāka par 6% (8). Teorētiskie aprēķini liecina, ka dažādu slāņu deformācijai un mijiedarbībai vajadzētu ievērojami samazināt stingrību (26). Sakraujot grafēnu vairākos slāņos, tiek ziņots, ka šis divu vai trīs slāņu grafēns ir stiepjams līdz 30% deformācijai, uzrādot 13 reizes mazāku pretestības izmaiņu nekā vienslāņa grafēnam (27). Tomēr šī stiepjamība joprojām ir ievērojami zemāka par modernākajiem stiepjamajiem vadītājiem (28, 29).
Tranzistori ir svarīgi izstiepjamās lietojumprogrammās, jo tie nodrošina sarežģītu sensoru nolasīšanu un signālu analīzi (30, 31). Tranzistori uz PDMS ar daudzslāņu grafēnu kā avota/noteces elektrodiem un kanāla materiālu var saglabāt elektrisko funkciju līdz 5% deformācijai (32), kas ir ievērojami zem minimālās nepieciešamās vērtības (~50%) valkājamiem veselības uzraudzības sensoriem un elektroniskai ādai (33, 34). Nesen tika izpētīta grafēna kirigami pieeja, un tranzistoru, ko ieslēdz šķidrs elektrolīts, var izstiept līdz pat 240% (35). Tomēr šī metode prasa suspendētu grafēnu, kas sarežģī ražošanas procesu.
Šeit mēs iegūstam ļoti stiepjamas grafēna ierīces, starp grafēna slāņiem ievietojot grafēna spirāļus (~1 līdz 20 μm garus, ~0,1 līdz 1 μm platus un ~10 līdz 100 nm augstus). Mēs izvirzām hipotēzi, ka šie grafēna spirāles varētu nodrošināt vadošus ceļus, lai pārvarētu plaisas grafēna loksnēs, tādējādi saglabājot augstu vadītspēju deformācijas laikā. Grafēna spirālēm nav nepieciešama papildu sintēze vai apstrāde; tās dabiski veidojas mitrās pārneses procedūras laikā. Izmantojot daudzslāņu G/G (grafēna/grafēna) spirāļus (MGG), grafēna stiepjamos elektrodus (avots/notece un vārti) un pusvadošus CNT, mēs varējām demonstrēt ļoti caurspīdīgus un ļoti stiepjamus pilnībā no oglekļa izgatavotus tranzistorus, kurus var stiept līdz 120% deformācijai (paralēli lādiņa pārneses virzienam) un saglabāt 60% no to sākotnējās strāvas izejas. Šis ir līdz šim visstiepjamākais caurspīdīgais uz oglekļa bāzes veidotais tranzistors, un tas nodrošina pietiekamu strāvu, lai darbinātu neorganisku LED.
Lai nodrošinātu liela laukuma caurspīdīgus, stiepjamus grafēna elektrodus, mēs izvēlējāmies CVD audzētu grafēnu uz Cu folijas. Cu folija tika suspendēta CVD kvarca caurules centrā, lai grafēns varētu augt abās pusēs, veidojot G/Cu/G struktūras. Lai pārnestu grafēnu, vispirms ar centrifūgas metodi uzklājām plānu poli(metilmetakrilāta) (PMMA) slāni, lai aizsargātu vienu grafēna pusi, ko mēs nosaucām par grafēna augšējo pusi (otrādi grafēna otrai pusei), un pēc tam visu plēvi (PMMA/grafēna augšējais slānis/Cu/grafēna apakšējais slānis) iemērcējām (NH4)2S2O8 šķīdumā, lai nokodinātu Cu foliju. Grafēna apakšējai pusei bez PMMA pārklājuma neizbēgami būs plaisas un defekti, kas ļaus kodinātājam iekļūt cauri (36, 37). Kā parādīts 1.A attēlā, virsmas spraiguma ietekmē atbrīvotie grafēna domēni saritinājās spirālēs un pēc tam piestiprinājās pie atlikušās augšējās G/PMMA plēves. Augšējās G/G spirāles varētu pārnest uz jebkuru substrātu, piemēram, SiO2/Si, stikla vai mīksta polimēra. Atkārtojot šo pārneses procesu vairākas reizes uz tā paša substrāta, iegūst MGG struktūras.
(A) MGG izgatavošanas procedūras shematisks attēlojums kā stiepjama elektroda. Grafēna pārneses laikā Cu folijas aizmugurējais grafēns tika pārrauts pie robežām un defektiem, sarullēts patvaļīgās formās un cieši piestiprināts pie augšējām plēvēm, veidojot nanoskrollus. Ceturtajā attēlā ir attēlota sakrautā MGG struktūra. (B un C) Monoslāņa MGG augstas izšķirtspējas TEM raksturojumi, koncentrējoties attiecīgi uz monoslāņa grafēnu (B) un skroteles (C) reģionu. (B) ieliktnis ir mazas palielināšanas attēls, kas parāda monoslāņa MGG kopējo morfoloģiju TEM režģī. (C) ieliktņi ir intensitātes profili, kas uzņemti gar attēlā norādītajām taisnstūrveida kastēm, kur attālumi starp atomu plaknēm ir 0,34 un 0,41 nm. (D) Oglekļa K-malas EEL spektrs ar iezīmētajām raksturīgajām grafīta π* un σ* virsotnēm. (E) Monoslāņa G/G skroteles šķērsgriezuma AFM attēls ar augstuma profilu gar dzelteno punktēto līniju. (F līdz I) Trīsslāņu G optiskās mikroskopijas un AFM attēli bez (F un H) un ar spirālēm (G un I) uz 300 nm bieziem SiO2/Si substrātiem. Reprezentatīvie spirāles un krokas tika marķētas, lai izceltu to atšķirības.
Lai pārbaudītu, vai spirāles dabā ir sarullēts grafēns, mēs veicām augstas izšķirtspējas transmisijas elektronu mikroskopijas (TEM) un elektronu enerģijas zudumu (EEL) spektroskopijas pētījumus ar monoslāņa top-G/G spirāles struktūrām. 1.B attēlā redzama monoslāņa grafēna sešstūra struktūra, un ieliktnī ir redzama plēves, kas pārklāta uz viena TEM režģa oglekļa cauruma, kopējā morfoloģija. Monoslāņa grafēns aizņem lielāko daļu režģa, un parādās dažas grafēna pārslas vairāku sešstūra gredzenu kaudžu klātbūtnē (1.B attēls). Pietuvinot atsevišķu spirāli (1.C attēls), mēs novērojām lielu skaitu grafēna režģa bārkstiņu ar režģa atstarpi no 0,34 līdz 0,41 nm. Šie mērījumi liecina, ka pārslas ir nejauši sarullētas un nav ideāls grafīts, kura režģa atstarpe “ABAB” slāņu sakraušanā ir 0,34 nm. 1.D attēlā redzams oglekļa K-malas EEL spektrs, kur maksimums pie 285 eV rodas no π* orbitāles, bet otrs maksimums ap 290 eV rodas no σ* orbitāles pārejas. Var redzēt, ka šajā struktūrā dominē sp2 saite, kas apstiprina, ka spirāles ir ļoti grafītiskas.
Optiskās mikroskopijas un atomspēka mikroskopijas (AFM) attēli sniedz ieskatu grafēna nanoskrollu sadalījumā MGG (1. att., E līdz G, un S1. un S2. att.). Skrrolli ir nejauši izvietoti pa virsmu, un to blīvums plaknē palielinās proporcionāli sakrauto slāņu skaitam. Daudzi spirāles ir sapinušās mezglos un uzrāda nevienmērīgu augstumu diapazonā no 10 līdz 100 nm. To garums ir no 1 līdz 20 μm un platums no 0,1 līdz 1 μm atkarībā no to sākotnējo grafēna pārslu izmēriem. Kā parādīts 1. attēlā (H un I), spirālēm ir ievērojami lielāki izmēri nekā grumbām, kā rezultātā grafēna slāņi veido daudz raupjāku saskarni.
Lai izmērītu elektriskās īpašības, mēs veidojām grafēna plēves ar vai bez spirālveida struktūrām un slāņu sakraušanu 300 μm platās un 2000 μm garās sloksnēs, izmantojot fotolitogrāfiju. Divu zonžu pretestības kā deformācijas funkcija tika mērītas apkārtējās vides apstākļos. Spirāļu klātbūtne samazināja monoslāņa grafēna pretestību par 80%, un caurlaidība samazinājās tikai par 2,2% (S4. att.). Tas apstiprina, ka nanospirāles, kurām ir augsts strāvas blīvums līdz 5 × 107 A/cm2 (38, 39), sniedz ļoti pozitīvu elektrisko ieguldījumu MGG. Starp visiem mono-, div- un trīsslāņu vienkāršajiem grafēniem un MGG, trīsslāņu MGG ir vislabākā vadītspēja ar gandrīz 90% caurlaidību. Lai salīdzinātu ar citiem literatūrā minētajiem grafēna avotiem, mēs arī izmērījām četru zonžu lokšņu pretestības (S5. att.) un uzskaitījām tās kā caurlaidības funkciju pie 550 nm (S6. att.) 2.A attēlā. MGG uzrāda salīdzināmu vai augstāku vadītspēju un caurspīdīgumu nekā mākslīgi sakrauts daudzslāņu vienkāršs grafēns un reducēts grafēna oksīds (RGO) (6, 8, 18). Jāņem vērā, ka literatūrā minētā mākslīgi sakrauta daudzslāņu vienkārša grafēna lokšņu pretestība ir nedaudz augstāka nekā mūsu MGG, iespējams, to neoptimizēto augšanas apstākļu un pārneses metodes dēļ.
(A) Četru zonžu lokšņu pretestības atkarībā no caurlaidības pie 550 nm vairākiem grafēna veidiem, kur melnie kvadrāti apzīmē mono-, div- un trīsslāņu MGG; sarkanie apļi un zilie trīsstūri atbilst daudzslāņu vienkāršam grafēnam, kas audzēts uz Cu un Ni no Li et al. (6) un Kim et al. (8) pētījumiem un pēc tam pārnests uz SiO2/Si vai kvarca; un zaļie trīsstūri ir RGO vērtības dažādās reducēšanas pakāpēs no Bonaccorso et al. (18) pētījuma. (B un C) Mono-, div- un trīsslāņu MGG un G normalizēta pretestības izmaiņa kā perpendikulāras (B) un paralēlas (C) deformācijas funkcija strāvas plūsmas virzienam. (D) Divslāņu G (sarkans) un MGG (melns) normalizēta pretestības izmaiņa cikliskas deformācijas slodzes apstākļos līdz 50% perpendikulāras deformācijas. (E) Trīsslāņu G (sarkans) un MGG (melns) normalizēta pretestības izmaiņa cikliskas deformācijas slodzes apstākļos līdz 90% paralēlas deformācijas. (F) Mono-, div- un trīsslāņu G un div- un trīsslāņu MGG normalizēta kapacitātes izmaiņa kā deformācijas funkcija. Ieliktnis ir kondensatora struktūra, kur polimēra substrāts ir SEBS un polimēra dielektriskais slānis ir 2 μm biezs SEBS.
Lai novērtētu MGG deformācijas atkarīgo veiktspēju, mēs pārnesām grafēnu uz termoplastiskā elastomēra stirola-etilēnbutadiēna-stirola (SEBS) substrātiem (~2 cm platiem un ~5 cm gariem), un vadītspēja tika mērīta, substrātam stiepjot (skatīt Materiāli un metodes) gan perpendikulāri, gan paralēli strāvas plūsmas virzienam (2. att., B un C). Deformācijas atkarīgā elektriskā uzvedība uzlabojās, iekļaujot nanoslāņus un palielinot grafēna slāņu skaitu. Piemēram, ja deformācija ir perpendikulāra strāvas plūsmai, vienslāņa grafēnam spirāļu pievienošana palielināja deformāciju elektriskā pārrāvuma gadījumā no 5 līdz 70%. Arī trīsslāņu grafēna deformācijas tolerance ir ievērojami uzlabota, salīdzinot ar vienslāņa grafēnu. Ar nanoslāņiem, pie 100% perpendikulāras deformācijas, trīsslāņu MGG struktūras pretestība palielinājās tikai par 50%, salīdzinot ar 300% trīsslāņu grafēnam bez spirālēm. Tika pētītas pretestības izmaiņas cikliskas deformācijas slodzes apstākļos. Salīdzinājumam (2.D att.), vienkāršas divslāņu grafēna plēves pretestība palielinājās aptuveni 7,5 reizes pēc ~700 cikliem pie 50% perpendikulāras deformācijas un turpināja pieaugt līdz ar deformāciju katrā ciklā. No otras puses, divslāņu MGG pretestība palielinājās tikai aptuveni 2,5 reizes pēc ~700 cikliem. Pielietojot līdz pat 90% deformāciju paralēlā virzienā, trīsslāņu grafēna pretestība palielinājās ~100 reizes pēc 1000 cikliem, savukārt trīsslāņu MGG tā palielinājās tikai ~8 reizes (2.E att.). Ciklu rezultāti parādīti S7. attēlā. Relatīvi ātrāks pretestības pieaugums paralēlās deformācijas virzienā ir tāpēc, ka plaisu orientācija ir perpendikulāra strāvas plūsmas virzienam. Pretestības novirze slodzes un slodzes samazināšanas laikā ir saistīta ar SEBS elastomēra substrāta viskoelastīgo atjaunošanos. MGG sloksņu stabilāka pretestība ciklēšanas laikā ir saistīta ar lielu spirāļu klātbūtni, kas var savienot grafēna saplaisājušās daļas (kā novērots ar AFM), palīdzot uzturēt perkolācijas ceļu. Šī vadītspējas saglabāšanas parādība, izmantojot perkolācijas ceļu, ir aprakstīta iepriekš saplaisājušām metāla vai pusvadītāju plēvēm uz elastomēru substrātiem (40, 41).
Lai novērtētu šīs uz grafēna bāzes veidotās plēves kā vārtu elektrodus izstiepjamās ierīcēs, mēs pārklājām grafēna slāni ar SEBS dielektrisko slāni (2 μm biezs) un uzraudzījām dielektriskās kapacitātes izmaiņas kā deformācijas funkciju (sīkāku informāciju skatīt 2.F attēlā un papildmateriālos). Mēs novērojām, ka kapacitātes ar vienkāršiem vienslāņa un divslāņu grafēna elektrodiem ātri samazinājās grafēna vadītspējas zuduma dēļ plaknē. Turpretī kapacitātes, ko ieslēdza MGG, kā arī vienkāršs trīsslāņu grafēns, uzrādīja kapacitātes pieaugumu līdz ar deformāciju, kas ir sagaidāms dielektriskā biezuma samazināšanās dēļ līdz ar deformāciju. Paredzētais kapacitātes pieaugums ļoti labi atbilda MGG struktūrai (S8. attēls). Tas norāda, ka MGG ir piemērots kā vārtu elektrods izstiepjamiem tranzistoriem.
Lai sīkāk izpētītu 1D grafēna spirāles lomu elektrovadītspējas deformācijas tolerances nodrošināšanā un labāk kontrolētu atdalījumu starp grafēna slāņiem, mēs izmantojām ar aerosolu pārklātas CNT, lai aizstātu grafēna spirāles (skatīt Papildmateriālus). Lai atdarinātu MGG struktūras, mēs uzklājām trīs CNT blīvumus (tas ir, CNT1
(A līdz C) Trīs dažādu CNT blīvumu AFM attēli (CNT1
Lai labāk izprastu to spējas kā elektrodus stiepjamai elektronikai, mēs sistemātiski pētījām MGG un G-CNT-G morfoloģiju deformācijas ietekmē. Optiskā mikroskopija un skenējošā elektronu mikroskopija (SEM) nav efektīvas raksturošanas metodes, jo abām trūkst krāsu kontrasta, un SEM ir pakļauts attēla artefaktiem elektronu skenēšanas laikā, kad grafēns atrodas uz polimēru substrātiem (S9. un S10. att.). Lai in situ novērotu grafēna virsmu deformācijas ietekmē, mēs veicām AFM mērījumus uz trīsslāņu MGG un vienkārša grafēna pēc pārneses uz ļoti plāniem (~0,1 mm bieziem) un elastīgiem SEBS substrātiem. CVD grafēna iekšējo defektu un ārējo bojājumu dēļ pārneses procesā uz deformētā grafēna neizbēgami rodas plaisas, un, palielinoties deformācijai, plaisas kļūst blīvākas (4. att., A līdz D). Atkarībā no oglekļa bāzes elektrodu sakraušanas struktūras plaisām ir atšķirīga morfoloģija (S11. att.) (27). Daudzslāņu grafēna plaisu laukuma blīvums (definēts kā plaisas laukums/analizētā platība) pēc deformācijas ir mazāks nekā vienslāņa grafēnam, kas atbilst MGG elektrovadītspējas palielinājumam. No otras puses, bieži tiek novērots, ka spirāles savieno plaisas, nodrošinot papildu vadošus ceļus deformētajā plēvē. Piemēram, kā norādīts 4.B attēlā, plata spirāle šķērsoja plaisu trīsslāņu MGG, bet vienkāršā grafēnā spirāle netika novērota (4. att., no E līdz H). Līdzīgi arī CNT savienoja plaisas grafēnā (S11. att.). Plēvju plaisu laukuma blīvums, spirāles laukuma blīvums un raupjums ir apkopoti 4.K attēlā.
(A līdz H) Trīsslāņu G/G spirāļu (A līdz D) un trīsslāņu G struktūru (E līdz H) in situ AFM attēli uz ļoti plāna SEBS (~0,1 mm bieza) elastomēra pie 0, 20, 60 un 100% deformācijas. Reprezentatīvās plaisas un spirāles ir norādītas ar bultiņām. Visi AFM attēli ir 15 μm × 15 μm laukumā, izmantojot to pašu krāsu skalas joslu, kā norādīts. (I) Rakstainu monoslāņa grafēna elektrodu simulācijas ģeometrija uz SEBS substrāta. (J) Maksimālās galvenās logaritmiskās deformācijas simulācijas kontūru karte monoslāņa grafēnā un SEBS substrātā pie 20% ārējās deformācijas. (K) Plaisu laukuma blīvuma (sarkanais kolonna), spirāles laukuma blīvuma (dzeltenais kolonna) un virsmas raupjuma (zilais kolonna) salīdzinājums dažādām grafēna struktūrām.
Kad MGG plēves tiek stieptas, pastāv svarīgs papildu mehānisms, ka spirāles var savienot grafēna saplaisājušās zonas, saglabājot perkolācijas tīklu. Grafēna spirāles ir daudzsološas, jo to garums var sasniegt desmitiem mikrometru un tādējādi spēj savienot plaisas, kas parasti ir līdz mikrometru mērogam. Turklāt, tā kā spirāles sastāv no grafēna daudzslāņiem, tiek sagaidīts, ka tām būs zema pretestība. Salīdzinājumam, lai nodrošinātu salīdzināmu vadošas savienošanas spēju, ir nepieciešami relatīvi blīvi (ar zemāku caurlaidību) CNT tīkli, jo CNT ir mazāki (parasti dažus mikrometrus gari) un mazāk vadoši nekā spirāles. No otras puses, kā parādīts S12. attēlā, lai gan grafēns stiepšanas laikā plaisā, lai pielāgotos deformācijai, spirāles neplaisā, kas norāda, ka pēdējie varētu slīdēt pa pamatā esošo grafēnu. Iemesls, kāpēc tie neplaisā, visticamāk, ir saistīts ar sarullēto struktūru, kas sastāv no daudziem grafēna slāņiem (~1 līdz 20 μm gari, ~0,1 līdz 1 μm plati un ~10 līdz 100 nm augsti), kam ir augstāks efektīvais modulis nekā vienslāņa grafēnam. Kā ziņo Grīns un Hersams (42), metāliski CNT tīkli (caurules diametrs 1,0 nm) var sasniegt zemu loksnes pretestību <100 omi/kv., neskatoties uz lielo savienojuma pretestību starp CNT. Ņemot vērā, ka mūsu grafēna spirāļu platums ir no 0,1 līdz 1 μm un ka G/G spirālēm ir daudz lielākas saskares zonas nekā CNT, kontakta pretestībai un saskares zonai starp grafēnu un grafēna spirālēm nevajadzētu būt ierobežojošiem faktoriem augstas vadītspējas saglabāšanā.
Grafēnam ir daudz lielāks modulis nekā SEBS substrātam. Lai gan grafēna elektroda efektīvais biezums ir daudz mazāks nekā substrāta biezums, grafēna stingrības reizinājums ar tā biezumu ir salīdzināms ar substrāta stingrību (43, 44), kā rezultātā rodas mērens stingras salas efekts. Mēs simulējām 1 nm bieza grafēna deformāciju uz SEBS substrāta (sīkāku informāciju skatīt papildmateriālos). Saskaņā ar simulācijas rezultātiem, ja SEBS substrātam ārēji tiek pielikts 20% deformācija, vidējais deformācija grafēnā ir ~6,6% (4.J attēls un S13.D attēls), kas atbilst eksperimentāliem novērojumiem (sk. S13. attēlu). Mēs salīdzinājām deformāciju strukturētajā grafēna un substrāta apgabalos, izmantojot optisko mikroskopiju, un atklājām, ka deformācija substrāta apgabalā ir vismaz divreiz lielāka nekā deformācija grafēna apgabalā. Tas norāda, ka grafēna elektrodu rakstiem pieliktā deformācija varētu būt ievērojami ierobežota, veidojot grafēna stingras salas virs SEBS (26, 43, 44).
Tāpēc MGG elektrodu spēju saglabāt augstu vadītspēju lielas deformācijas apstākļos, visticamāk, nodrošina divi galvenie mehānismi: (i) spirāles var savienot atdalītus reģionus, lai saglabātu vadošu perkolācijas ceļu, un (ii) daudzslāņu grafēna loksnes/elastomērs var slīdēt viens pār otru, kā rezultātā samazinās grafēna elektrodu deformācija. Vairāku pārnestā grafēna slāņu gadījumā uz elastomēra slāņi nav stingri savienoti viens ar otru, kas var slīdēt, reaģējot uz deformāciju (27). Spirāles arī palielināja grafēna slāņu raupjumu, kas var palīdzēt palielināt atdalījumu starp grafēna slāņiem un tādējādi nodrošināt grafēna slāņu slīdēšanu.
Pilnībā no oglekļa izgatavotas ierīces tiek entuziastiski pieprasītas zemo izmaksu un augstās caurlaidspējas dēļ. Mūsu gadījumā pilnībā no oglekļa izgatavoti tranzistori tika izgatavoti, izmantojot apakšējo grafēna vārtu, augšējo grafēna avota/noteces kontaktu, šķirotu CNT pusvadītāju un SEBS kā dielektriķi (5.A att.). Kā parādīts 5.B attēlā, pilnībā no oglekļa izgatavota ierīce ar CNT kā avotu/noteci un vārtiem (apakšējā ierīce) ir necaurspīdīgāka nekā ierīce ar grafēna elektrodiem (augšējā ierīce). Tas ir tāpēc, ka CNT tīkliem ir nepieciešams lielāks biezums un līdz ar to zemāka optiskā caurlaidība, lai sasniegtu loksnes pretestību, kas līdzīga grafēna pretestībai (S4. att.). 5. attēlā (C un D) parādītas reprezentatīvas pārneses un izejas līknes pirms deformācijas tranzistoram, kas izgatavots ar divslāņu MGG elektrodiem. Nedeformētā tranzistora kanāla platums un garums bija attiecīgi 800 un 100 μm. Izmērītā ieslēgšanas/izslēgšanas attiecība ir lielāka par 103 ar ieslēgšanas un izslēgšanas strāvām attiecīgi 10−5 un 10−8 A līmenī. Izejas līkne uzrāda ideālus lineārus un piesātinājuma režīmus ar skaidru vārtu sprieguma atkarību, kas norāda uz ideālu kontaktu starp CNT un grafēna elektrodiem (45). Tika novērots, ka kontakta pretestība ar grafēna elektrodiem ir zemāka nekā ar iztvaicēto Au plēvi (sk. S14. att.). Stiepjamā tranzistora piesātinājuma mobilitāte ir aptuveni 5,6 cm2/Vs, kas ir līdzīga tai pašai polimēru šķirotai CNT tranzistorai uz cietiem Si substrātiem ar 300 nm SiO2 kā dielektrisko slāni. Mobilitātes turpmāka uzlabošana ir iespējama, optimizējot cauruļu blīvumu un izmantojot cita veida caurules (46).
(A) Grafēna bāzes izstiepjamā tranzistora shēma. SWNT, viensienu oglekļa nanocaurules. (B) Izstiepjamo tranzistoru fotoattēls, kas izgatavoti no grafēna elektrodiem (augšā) un CNT elektrodiem (apakšā). Caurspīdīguma atšķirība ir skaidri pamanāma. (C un D) Grafēna bāzes tranzistora pārneses un izejas līknes uz SEBS pirms deformācijas. (E un F) Grafēna bāzes tranzistora pārneses līknes, ieslēgšanas un izslēgšanas strāva, ieslēgšanas/izslēgšanas attiecība un mobilitāte pie dažādām deformācijām.
Kad caurspīdīgā, pilnībā no oglekļa veidotā ierīce tika stiepta paralēli lādiņa pārneses virzienam, līdz 120 % deformācijai tika novērota minimāla degradācija. Stiepšanas laikā mobilitāte nepārtraukti samazinājās no 5,6 cm²/Vs pie 0 % deformācijas līdz 2,5 cm²/Vs pie 120 % deformācijas (5. att. F). Mēs arī salīdzinājām tranzistora veiktspēju dažādiem kanālu garumiem (sk. S1 tabulu). Jāatzīmē, ka pie deformācijas, kas bija pat 105 %, visiem šiem tranzistoriem joprojām bija augsta ieslēgšanas/izslēgšanas attiecība (>103) un mobilitāte (>3 cm²/Vs). Turklāt mēs apkopojām visus jaunākos darbus par pilnībā no oglekļa veidotiem tranzistoriem (sk. S2 tabulu) (47–52). Optimizējot ierīču izgatavošanu uz elastomēriem un izmantojot MGG kā kontaktus, mūsu pilnībā no oglekļa veidotie tranzistori uzrāda labu veiktspēju mobilitātes un histerēzes ziņā, kā arī ir ļoti stiepjami.
Kā pilnībā caurspīdīga un izstiepjama tranzistora pielietojumu mēs to izmantojām, lai kontrolētu gaismas diodes (LED) komutāciju (6A. att.). Kā parādīts 6B. attēlā, zaļo gaismas diodi var skaidri redzēt caur izstiepjamo pilnībā no oglekļa izgatavoto ierīci, kas novietota tieši virs tās. Stiepjoties līdz ~100% (6. att., C un D), LED gaismas intensitāte nemainās, kas atbilst iepriekš aprakstītajai tranzistora veiktspējai (skat. S1. video). Šis ir pirmais ziņojums par izstiepjamām vadības ierīcēm, kas izgatavotas, izmantojot grafēna elektrodus, demonstrējot jaunu iespēju grafēna izstiepjamai elektronikai.
(A) Tranzistora shēma LED vadīšanai. Zemējums (GND), zemējums. (B) Stiepjama un caurspīdīga, pilnībā no oglekļa izgatavota tranzistora fotoattēls ar 0% deformāciju, kas uzstādīts virs zaļas LED. (C) Pilnībā no oglekļa izgatavots caurspīdīgs un stiepjams tranzistors, ko izmanto LED pārslēgšanai, ir uzstādīts virs LED ar 0% deformāciju (pa kreisi) un ~100% deformāciju (pa labi). Baltās bultiņas norāda kā dzeltenās atzīmes uz ierīces, lai parādītu stiepšanas attāluma izmaiņas. (D) Stiepjamā tranzistora sānskats, LED iespiežot elastomērā.
Noslēgumā mēs esam izstrādājuši caurspīdīgu vadošu grafēna struktūru, kas saglabā augstu vadītspēju lielu deformāciju apstākļos kā stiepjami elektrodi, ko nodrošina grafēna nanosvītras starp sakrautiem grafēna slāņiem. Šīs divu un trīs slāņu MGG elektrodu struktūras uz elastomēra var saglabāt attiecīgi 21 un 65% no savas 0% deformācijas vadītspējas pie deformācijas līdz pat 100%, salīdzinot ar pilnīgu vadītspējas zudumu pie 5% deformācijas tipiskiem vienslāņa grafēna elektrodiem. Grafēna spirāļu papildu vadošie ceļi, kā arī vāja mijiedarbība starp pārnestajiem slāņiem veicina izcilu vadītspējas stabilitāti deformācijas apstākļos. Mēs tālāk izmantojām šo grafēna struktūru, lai izgatavotu pilnībā no oglekļa veidotus stiepjamus tranzistorus. Līdz šim šis ir visstiepjamākais uz grafēna bāzes veidotais tranzistors ar vislabāko caurspīdīgumu, neizmantojot izliekumu. Lai gan pašreizējais pētījums tika veikts, lai nodrošinātu grafēna izmantošanu stiepjamai elektronikai, mēs uzskatām, ka šo pieeju var paplašināt uz citiem 2D materiāliem, lai nodrošinātu stiepjamu 2D elektroniku.
Liela laukuma CVD grafēns tika audzēts uz suspendētām Cu folijām (99,999%; Alfa Aesar) pie pastāvīga 0,5 mtorr spiediena ar 50–SCCM (standarta kubikcentimetriem minūtē) CH4 un 20–SCCM H2 kā prekursoriem 1000°C temperatūrā. Abas Cu folijas puses bija pārklātas ar monoslāņa grafēnu. Uz vienas Cu folijas puses ar centrifūgas metodi tika uzklāts plāns PMMA slānis (2000 apgr./min; A4, Microchem), veidojot PMMA/G/Cu folijas/G struktūru. Pēc tam visa plēve tika iemērkta 0,1 M amonija persulfāta [(NH4)2S2O8] šķīdumā apmēram 2 stundas, lai nokodinātu Cu foliju. Šī procesa laikā neaizsargātais grafēns aizmugurē vispirms saplīsa pa graudu robežām un pēc tam virsmas spraiguma dēļ saritinājās spirālēs. Spirāles tika piestiprinātas pie PMMA atbalstītas augšējās grafēna plēves, veidojot PMMA/G/G spirāles. Pēc tam plēves vairākas reizes mazgāja dejonizētā ūdenī un uzklāja uz mērķa substrāta, piemēram, stingra SiO2/Si vai plastmasas substrāta. Tiklīdz piestiprinātā plēve uz substrāta nožuva, paraugu secīgi iemērcēja acetonā, 1:1 acetonā/IPA (izopropilspirtā) un IPA šķīdumā 30 sekundes katrā, lai noņemtu PMMA. Plēves 15 minūtes karsēja 100°C temperatūrā vai nakti turēja vakuumā, lai pilnībā noņemtu iesprostoto ūdeni, pirms uz tām uznesa nākamo G/G spirāles slāni. Šis solis tika veikts, lai izvairītos no grafēna plēves atdalīšanās no substrāta un nodrošinātu pilnīgu MGG pārklājumu PMMA nesēja slāņa atbrīvošanas laikā.
MGG struktūras morfoloģija tika novērota, izmantojot optisko mikroskopu (Leica) un skenējošo elektronu mikroskopu (1 kV; FEI). Atomspēka mikroskops (Nanoscope III, digitālais instruments) tika darbināts piesitienēšanas režīmā, lai novērotu G spirāļu detaļas. Plēves caurspīdīgums tika pārbaudīts ar ultravioletā-redzamā spektrometru (Agilent Cary 6000i). Testiem, kad deformācija bija perpendikulāra strāvas plūsmai, grafēna struktūru veidošanai sloksnēs (~300 μm platas un ~2000 μm garas) tika izmantota fotolitogrāfija un O2 plazma, un Au (50 nm) elektrodi tika termiski uzklāti, izmantojot ēnu maskas abos garās malas galos. Pēc tam grafēna sloksnes tika kontaktētas ar SEBS elastomēru (~2 cm platas un ~5 cm garas), sloksnes garo asi novietojot paralēli SEBS īsajai malai, kam sekoja BOE (buferēta oksīda kodināšana) (HF:H2O 1:6) kodināšana un eitektiskais gallija indijs (EGaIn) kā elektriskie kontakti. Paralēlās deformācijas testiem uz SEBS substrātiem tika pārnestas nestrukturētas grafēna struktūras (~5 × 10 mm), kuru garās asis bija paralēlas SEBS substrāta garajai malai. Abos gadījumos viss G (bez G spirālēm)/SEBS tika izstiepts gar elastomēra garo malu manuālā ierīcē, un uz vietas mēs izmērījām to pretestības izmaiņas deformācijas ietekmē zondes stacijā ar pusvadītāju analizatoru (Keithley 4200-SCS).
Augsti stiepes izturīgie un caurspīdīgie pilnībā no oglekļa izgatavotie tranzistori uz elastīga substrāta tika izgatavoti, izmantojot šādas procedūras, lai izvairītos no polimēra dielektriķa un substrāta bojājumiem ar organiskajiem šķīdinātājiem. MGG struktūras tika pārnestas uz SEBS kā vārtu elektrodi. Lai iegūtu vienmērīgu plānslāņa polimēra dielektrisko slāni (2 μm biezs), SEBS toluola (80 mg/ml) šķīdums tika uzklāts ar centrifūgas metodi uz oktadeciltrihlorosilāna (OTS) modificēta SiO2/Si substrāta ar ātrumu 1000 apgr./min 1 minūti. Plāno dielektrisko plēvi var viegli pārnest no hidrofobās OTS virsmas uz SEBS substrāta, kas pārklāts ar sagatavoto grafēnu. Kondensatoru var izgatavot, uzklājot šķidra metāla (EGaIn; Sigma-Aldrich) augšējo elektrodu, lai noteiktu kapacitāti kā deformācijas funkciju, izmantojot LCR (induktivitātes, kapacitātes, pretestības) mērītāju (Agilent). Pārējā tranzistora daļa sastāvēja no polimēru šķirotiem pusvadītājiem CNT, ievērojot iepriekš aprakstītās procedūras (53). Rakstainie avota/noteces elektrodi tika izgatavoti uz stingriem SiO2/Si substrātiem. Pēc tam abas daļas, dielektriskais/G/SEBS un CNT/rakstainais G/SiO2/Si, tika laminētas viena ar otru un iemērktas BOE, lai noņemtu stingro SiO2/Si substrātu. Tādējādi tika izgatavoti pilnībā caurspīdīgi un stiepjami tranzistori. Elektriskā testēšana deformācijas apstākļos tika veikta manuālā stiepšanas iekārtā, kā iepriekšminētā metode.
Papildu materiāli šim rakstam ir pieejami vietnē http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
S1. att. Monoslāņa MGG optiskās mikroskopijas attēli uz SiO2/Si substrātiem dažādos palielinājumos.
S4. att. Divu zonžu lokšņu pretestību un caurlaidības salīdzinājums pie 550 nm mono-, div- un trīsslāņu vienkāršā grafēna (melnie kvadrāti), MGG (sarkanie apļi) un CNT (zilais trīsstūris).
S7. att. Mono- un divslāņu MGG (melns) un G (sarkans) normalizēta pretestības izmaiņa ~1000 ciklu deformācijas slodzes apstākļos līdz attiecīgi 40 un 90 % paralēlai deformācijai.
S10. att. Trīsslāņu MGG SEM attēls uz SEBS elastomēra pēc deformācijas, kurā redzams garš spirālveida šķērsgriezums pāri vairākām plaisām.
S12. att. Trīsslāņu MGG AFM attēls uz ļoti plāna SEBS elastomēra ar 20% deformāciju, kurā redzams, ka spirāle ir šķērsojusi plaisu.
S1 tabula. Divslāņu MGG–viensienu oglekļa nanocaurulīšu tranzistoru mobilitāte dažādos kanāla garumos pirms un pēc deformācijas.
Šis ir brīvas piekļuves raksts, kas izplatīts saskaņā ar Creative Commons Attribution-NonCommercial licences noteikumiem, kas atļauj tā izmantošanu, izplatīšanu un reproducēšanu jebkurā vidē, ja vien iegūtā izmantošana nav komerciāla labuma gūšanai un ar nosacījumu, ka oriģināldarbs ir pareizi citēts.
PIEZĪME. Mēs pieprasām jūsu e-pasta adresi tikai tāpēc, lai persona, kurai jūs iesakāt lapu, zinātu, ka vēlaties, lai tā to redzētu, un ka tā nav surogātpasts. Mēs neievācam nevienu e-pasta adresi.
Šis jautājums ir paredzēts, lai pārbaudītu, vai esat cilvēks, un lai novērstu automatizētu surogātpasta iesniegšanu.
Autori: Nan Liu, Alekss Čortoss, Tings Lei, Lihua Dzjiņs, Taeho Rojs Kims, Von-Gju Bē, Čeņsjins Džu, Sihongs Vans, Rafaels Pfatners, Sjuaņs Čens, Roberts Sinklērs, Dženana Bao
Autori: Nan Liu, Alekss Čortoss, Tings Lei, Lihua Dzjiņs, Taeho Rojs Kims, Von-Gju Bē, Čeņsjins Džu, Sihongs Vans, Rafaels Pfatners, Sjuaņs Čens, Roberts Sinklērs, Dženana Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science. Visas tiesības paturētas. AAAS ir HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef un COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 partneris.
Publicēšanas laiks: 2021. gada 28. janvāris