Өте мөлдір және созылатын графен электродтары

Графен сияқты екі өлшемді материалдар дәстүрлі жартылай өткізгіш қолданбалар үшін де, икемді электроникадағы жаңадан пайда болған қолданбалар үшін де тартымды. Дегенмен, графеннің жоғары созылу беріктігі төмен деформация кезінде сынуға әкеледі, бұл оның созылатын электроникадағы ерекше электрондық қасиеттерін пайдалануды қиындатады. Мөлдір графен өткізгіштерінің деформацияға тәуелді тамаша жұмысын қамтамасыз ету үшін біз көп қабатты графен/графен шиыршықтары (MGG) деп аталатын қабатталған графен қабаттарының арасында графен наношиыршықтарын жасадық. Деформация кезінде кейбір шиыршықтар графеннің фрагменттелген домендерін біріктіріп, жоғары деформацияларда тамаша өткізгіштікті қамтамасыз ететін перколяциялық желіні сақтап қалды. Эластомерлерде бекітілген үш қабатты MGG ток ағынының бағытына перпендикуляр 100% деформация кезінде бастапқы өткізгіштігінің 65%-ын сақтап қалды, ал наношиыршықтары жоқ графеннің үш қабатты пленкалары бастапқы өткізгіштігінің тек 25%-ын ғана сақтап қалды. MGG электродтарын пайдаланып жасалған созылатын, толығымен көміртекті транзистор >90% өткізгіштік көрсетті және 120% кернеу кезінде (заряд тасымалдау бағытына параллель) бастапқы ток шығысының 60%-ын сақтап қалды. Бұл жоғары созылатын және мөлдір, толығымен көміртекті транзисторлар күрделі созылатын оптоэлектрониканы жасауға мүмкіндік бере алады.
Созылатын мөлдір электроника - бұл дамыған биоинтеграцияланған жүйелерде маңызды қолданылуы бар (1, 2), сондай-ақ күрделі жұмсақ робототехника мен дисплейлерді шығару үшін созылатын оптоэлектроникамен (3, 4) интеграциялану мүмкіндігі бар өсіп келе жатқан сала. Графен атом қалыңдығының, жоғары мөлдірліктің және жоғары өткізгіштіктің өте қажетті қасиеттерін көрсетеді, бірақ оны созылатын қолданбаларда енгізу оның шағын деформацияларда жарылу үрдісіне байланысты тежелді. Графеннің механикалық шектеулерін жеңу созылатын мөлдір құрылғыларда жаңа функционалдылықты қамтамасыз етуі мүмкін.
Графеннің бірегей қасиеттері оны келесі буын мөлдір өткізгіш электродтар үшін күшті кандидат етеді (5, 6). Ең көп қолданылатын мөлдір өткізгішпен, индий қалайы оксидімен [ITO; 90% мөлдірлікте 100 ом/шаршы (кв)] салыстырғанда, химиялық бумен тұндыру (CVD) арқылы өсірілген бір қабатты графен парақ кедергісінің (125 ом/кв) және мөлдірліктің (97,4%) ұқсас үйлесіміне ие (5). Сонымен қатар, графен пленкалары ITO-мен салыстырғанда ерекше икемділікке ие (7). Мысалы, пластикалық негізде оның өткізгіштігі 0,8 мм-ге дейінгі қисықтықтың иілу радиусы үшін де сақталуы мүмкін (8). Мөлдір икемді өткізгіш ретіндегі электрлік өнімділігін одан әрі жақсарту үшін бұрынғы жұмыстарда бір өлшемді (1D) күміс наносымдары немесе көміртекті нанотүтікшелер (CNT) бар графен гибридті материалдары жасалды (9–11). Сонымен қатар, графен аралас өлшемді гетероқұрылымды жартылай өткізгіштер (мысалы, 2D көлемді Si, 1D наносымдар/нанотүтікшелер және 0D кванттық нүктелер) (12), икемді транзисторлар, күн батареялары және жарық шығаратын диодтар (LED) үшін электродтар ретінде пайдаланылды (13–23).
Графен икемді электроника үшін перспективалы нәтижелер көрсеткенімен, оны созылатын электроникада қолдану механикалық қасиеттерімен шектелген (17, 24, 25); графеннің жазықтықтағы қаттылығы 340 Н/м және Янг модулі 0,5 ТПа (26). Күшті көміртегі-көміртегі желісі қолданылған деформация үшін энергияны тарату механизмдерін қамтамасыз етпейді және сондықтан 5%-дан аз деформация кезінде оңай жарылып кетеді. Мысалы, полидиметилсилоксан (PDMS) серпімді негізіне ауыстырылған CVD графені өзінің өткізгіштігін тек 6%-дан аз деформация кезінде ғана сақтай алады (8). Теориялық есептеулер әртүрлі қабаттар арасындағы мыжылу мен өзара әрекеттесу қаттылықты айтарлықтай төмендетуі керек екенін көрсетеді (26). Графенді бірнеше қабатқа біріктіру арқылы бұл екі немесе үш қабатты графеннің 30%-ға дейін созылатыны, бір қабатты графенге қарағанда кедергі өзгерісінің 13 есе аз екені туралы хабарланған (27). Дегенмен, бұл созылу қабілеті заманауи созылатын c өткізгіштерінен айтарлықтай төмен (28, 29).
Транзисторлар созылатын қолданбаларда маңызды, себебі олар сенсордың күрделі оқуын және сигналды талдауды қамтамасыз етеді (30, 31). Көп қабатты графенді бастапқы/ағызу электродтары және арна материалы ретінде пайдаланатын PDMS транзисторлары электрлік функцияны 5% кернеуге дейін сақтай алады (32), бұл киілетін денсаулықты бақылау сенсорлары мен электронды тері үшін қажетті ең төменгі мәннен (~50%) айтарлықтай төмен (33, 34). Жақында графен киригами тәсілі зерттелді және сұйық электролитпен жабылған транзисторды 240%-ға дейін созуға болады (35). Дегенмен, бұл әдіс аспалы графенді қажет етеді, бұл жасау процесін қиындатады.
Мұнда біз графен қабаттарының арасына графен шиыршықтарын (ұзындығы ~1-ден 20 мкм-ге дейін, ені ~0,1-ден 1 мкм-ге дейін және биіктігі ~10-нан 100 нм-ге дейін) араластыру арқылы жоғары созылатын графен құрылғыларына қол жеткіземіз. Біз бұл графен шиыршықтары графен парақтарындағы жарықтарды жою үшін өткізгіш жолдарды қамтамасыз ете алады, осылайша кернеу кезінде жоғары өткізгіштікті сақтай алады деп болжаймыз. Графен шиыршықтары қосымша синтездеуді немесе өңдеуді қажет етпейді; олар ылғалды тасымалдау процесі кезінде табиғи түрде түзіледі. Көп қабатты G/G (графен/графен) шиыршықтарын (MGG), графен созылатын электродтарын (көз/ағызу және қақпа) және жартылай өткізгіш CNT-ларды пайдалану арқылы біз жоғары мөлдір және жоғары созылатын толық көміртекті транзисторларды көрсете алдық, оларды 120% деформацияға дейін (заряд тасымалдау бағытына параллель) созуға болады және бастапқы ток шығысының 60%-ын сақтай алады. Бұл әзірге ең созылатын мөлдір көміртекті транзистор және ол бейорганикалық жарықдиодты басқару үшін жеткілікті ток береді.
Үлкен аумақты мөлдір созылатын графен электродтарын жасау үшін біз CVD өсірілген графенді Cu фольгасында таңдадық. Cu фольгасы CVD кварц түтігінің ортасына ілініп, графеннің екі жағында да өсуіне мүмкіндік беріп, G/Cu/G құрылымдарын түзді. Графенді тасымалдау үшін алдымен графеннің бір жағын қорғау үшін поли(метилметакрилат) (PMMA) жұқа қабатын спиннингтік жабынмен қаптадық, оны біз үстіңгі графен деп атадық (графеннің екінші жағы үшін керісінше), содан кейін бүкіл пленка (PMMA/үстіңгі графен/Cu/төменгі графен) Cu фольгасын ою үшін (NH4)2S2O8 ерітіндісіне малынған. PMMA жабыны жоқ астыңғы жағындағы графенде (36, 37) ене алатын жарықтар мен ақаулар сөзсіз болады. 1А суретте көрсетілгендей, беттік керілу әсерінен босатылған графен домендері шиыршықтарға оралып, кейіннен қалған үстіңгі G/PMMA пленкасына бекітілді. Жоғарғы G/G шиыршықтарын SiO2/Si, шыны немесе жұмсақ полимер сияқты кез келген негізге ауыстыруға болады. Бұл ауыстыру процесін бір негізге бірнеше рет қайталау MGG құрылымдарын береді.
(A) Созылатын электрод ретінде MGG жасау процедурасының схемалық иллюстрациясы. Графенді тасымалдау кезінде Cu фольгасындағы артқы графен шекаралар мен ақауларда сынған, кез келген пішінге оралған және жоғарғы қабықшаларға мықтап бекітілген, наношиферлер түзілген. Төртінші мультфильмде қабатталған MGG құрылымы бейнеленген. (B және C) Моноқабатты MGG-нің жоғары ажыратымдылықтағы TEM сипаттамалары, сәйкесінше моноқабатты графенге (B) және шиыршық (C) аймағына бағытталған. (B) кірістірілген сурет - TEM торындағы моноқабатты MGG-лердің жалпы морфологиясын көрсететін төмен үлкейтілген сурет. (C) кірістірілген суреттер - суретте көрсетілген тікбұрышты қораптар бойымен алынған қарқындылық профильдері, мұнда атом жазықтықтары арасындағы қашықтық 0,34 және 0,41 нм. (D) Белгіленген сипаттамалық графиттік π* және σ* шыңдары бар көміртекті K-шетіндегі EEL спектрі. (E) Сары нүктелі сызық бойымен биіктік профилі бар моноқабатты G/G шиферлерінің қималық AFM кескіні. (F-тен I-ге дейін) 300 нм қалыңдықтағы SiO2/Si негіздерінде (F және H) жоқ және шиыршықтары (G және I) бар үш қабатты G-нің оптикалық микроскопиясы және AFM кескіндері. Олардың айырмашылықтарын көрсету үшін типтік шиыршықтар мен әжімдер белгіленді.
Шиыршықтардың табиғаты бойынша оралған графен екеніне көз жеткізу үшін біз моноқабатты жоғарғы G/G шиыршық құрылымдарында жоғары ажыратымдылықтағы беріліс электронды микроскопиясы (TEM) және электрон энергиясының жоғалуы (EEL) спектроскопиясын зерттедік. 1B суретте моноқабатты графеннің алтыбұрышты құрылымы көрсетілген, ал кірістіруде TEM торының бір көміртекті тесігінде жабылған қабықшаның жалпы морфологиясы көрсетілген. Моноқабатты графен тордың көп бөлігін қамтиды, ал алтыбұрышты сақиналардың бірнеше қабаты болған кезде кейбір графен қабыршақтары пайда болады (1B сурет). Жеке шиыршыққа масштабтау арқылы (1C сурет) біз тор аралығы 0,34-тен 0,41 нм-ге дейінгі графен торының көп мөлшерін байқадық. Бұл өлшемдер қабыршақтардың кездейсоқ оралғанын және «ABAB» қабатының қабаттасуында тор аралығы 0,34 нм болатын мінсіз графит емес екенін көрсетеді. 1D суретте көміртектің K-шетіндегі EEL спектрі көрсетілген, мұндағы 285 эВ шыңы π* орбитальдан, ал 290 эВ шамасындағы екінші шың σ* орбитальдың ауысуына байланысты. Бұл құрылымда sp2 байланысы басым болатынын, бұл шиыршықтардың жоғары графиттік екенін растайтынын көруге болады.
Оптикалық микроскопия және атомдық күш микроскопиясы (AFM) кескіндері MGG-дегі графен наношиферлерінің таралуын түсінуге мүмкіндік береді (1-сурет, E-ден G-ге дейін және S1 және S2 суреттері). Шиферлер бетіне кездейсоқ таралған, ал олардың жазықтықтағы тығыздығы қабаттасқан қабаттар санына пропорционалды түрде артады. Көптеген шиферлер түйіндерге оралған және 10-нан 100 нм-ге дейінгі диапазонда біркелкі емес биіктіктерді көрсетеді. Олардың ұзындығы 1-ден 20 мкм-ге дейін және ені 0,1-ден 1 мкм-ге дейін, бұл олардың бастапқы графен қабыршақтарының өлшемдеріне байланысты. 1-суретте (H және I) көрсетілгендей, шиферлердің өлшемдері әжімдерге қарағанда айтарлықтай үлкен, бұл графен қабаттары арасындағы шекараның әлдеқайда кедір-бұдыр болуына әкеледі.
Электрлік қасиеттерді өлшеу үшін біз фотолитографияны қолдана отырып, спиральды құрылымдары бар немесе жоқ графен пленкаларын және қабаттардың қабаттасуын 300 мкм ені мен 2000 мкм ұзындығы бар жолақтарға өрнектедік. Деформация функциясы ретінде екі зондты кедергілер қоршаған орта жағдайында өлшенді. Ширатулардың болуы бір қабатты графеннің кедергісін 80%-ға төмендетті, өткізгіштігі тек 2,2%-ға төмендеді (S4 сурет). Бұл 5 × 107 А/см2 дейін жоғары ток тығыздығы бар наноспиральдардың MGG-ге өте оң электрлік үлес қосатынын растайды (38, 39). Барлық моно-, екі- және үш қабатты қарапайым графен мен MGG арасында үш қабатты MGG ең жақсы өткізгіштікке ие, мөлдірлігі шамамен 90% құрайды. Әдебиетте келтірілген графеннің басқа көздерімен салыстыру үшін біз төрт зондты парақ кедергілерін де өлшедік (S5 сурет) және оларды 2A суретте 550 нм-дегі өткізгіштік функциясы ретінде көрсеттік (S6 сурет). MGG жасанды түрде қабатталған көп қабатты қарапайым графен мен тотықсыздандырылған графен оксидіне (RGO) қарағанда салыстырмалы немесе жоғары өткізгіштік пен мөлдірлікті көрсетеді (6, 8, 18). Әдебиетте келтірілген жасанды түрде қабатталған көп қабатты қарапайым графеннің парақ кедергілері біздің MGG-ге қарағанда сәл жоғары екенін ескеріңіз, бұл олардың оңтайландырылмаған өсу жағдайлары мен тасымалдау әдісіне байланысты болуы мүмкін.
(A) Графеннің бірнеше түрлері үшін 550 нм толқын ұзындығындағы өткізгіштікке қарсы төрт зондты парақ кедергілері, мұндағы қара шаршылар моно-, би- және үш қабатты MGG-лерді білдіреді; қызыл шеңберлер мен көк үшбұрыштар Ли және т.б. (6) және Ким және т.б. (8) зерттеулерінен Cu және Ni-де өсірілген және кейіннен SiO2/Si немесе кварцқа ауыстырылған көп қабатты қарапайым графенге сәйкес келеді; ал жасыл үшбұрыштар Бонаккорсо және т.б. (18) зерттеуінен алынған әртүрлі төмендету дәрежелеріндегі RGO үшін мәндер болып табылады. (B және C) Ток ағынының бағытына перпендикуляр (B) және параллель (C) деформациясының функциясы ретінде моно-, би- және үш қабатты MGG және G кедергісінің нормаланған өзгерісі. (D) Циклдік деформация жүктемесі 50%-ға дейін перпендикуляр деформация кезінде қос қабатты G (қызыл) және MGG (қара) кедергісінің нормаланған өзгерісі. (E) Циклдік деформация жүктемесі 90%-ға дейін параллель деформация кезінде үш қабатты G (қызыл) және MGG (қара) кедергісінің нормаланған өзгерісі. (F) Моно-, екі- және үш қабатты G және екі- және үш қабатты MGG-лердің кернеу функциясы ретіндегі нормаланған сыйымдылық өзгерісі. Кірістірілген элемент конденсатор құрылымы болып табылады, мұндағы полимер негізі SEBS, ал полимер диэлектрлік қабаты 2 мкм қалыңдықтағы SEBS болып табылады.
MGG-нің деформацияға тәуелді жұмысын бағалау үшін біз графенді термопластикалық эластомер стирол-этилен-бутадиен-стирол (SEBS) негіздеріне (ені ~2 см және ұзындығы ~5 см) ауыстырдық, ал өткізгіштік негіз ток ағынының бағытына перпендикуляр және параллель созылған кезде өлшенді (Материалдар мен әдістерді қараңыз) (2-сурет, B және C). Деформацияға тәуелді электрлік мінез-құлық наноспиральдардың қосылуымен және графен қабаттарының санының артуымен жақсарды. Мысалы, деформация ток ағынына перпендикуляр болған кезде, бір қабатты графен үшін шиыршықтарды қосу электрлік үзіліс кезіндегі деформацияны 5-тен 70%-ға дейін арттырды. Үш қабатты графеннің деформацияға төзімділігі де бір қабатты графенмен салыстырғанда айтарлықтай жақсарды. Наноспиральдарда 100% перпендикуляр деформация кезінде үш қабатты MGG құрылымының кедергісі шиыршықсыз үш қабатты графен үшін 300%-бен салыстырғанда тек 50%-ға артты. Циклдік деформация жүктемесі кезіндегі кедергінің өзгеруі зерттелді. Салыстыру үшін (2D сурет), қарапайым қос қабатты графен пленкасының кедергілері 50% перпендикулярлық деформация кезінде ~700 циклден кейін шамамен 7,5 есеге артты және әр циклде деформациямен бірге артып отырды. Екінші жағынан, қос қабатты MGG кедергісі ~700 циклден кейін шамамен 2,5 есеге артты. Параллель бағытта 90%-ға дейін деформация қолданғанда, үш қабатты графеннің кедергісі 1000 циклден кейін ~100 есеге артты, ал үш қабатты MGG-де ол тек ~8 есеге артты (2E сурет). Циклдік нәтижелер S7 суретте көрсетілген. Параллель деформация бағыты бойынша кедергінің салыстырмалы түрде жылдам өсуі жарықшақтардың бағыты ток ағынының бағытына перпендикуляр болғандықтан. Деформацияны тиеу және түсіру кезінде кедергінің ауытқуы SEBS эластомерінің негізінің тұтқыр серпімді қалпына келуіне байланысты. Циклдеу кезінде MGG жолақтарының тұрақтырақ кедергісі графеннің жарылған бөліктерін көпірлей алатын үлкен шиыршықтардың болуына байланысты (AFM байқағандай), бұл перколяция жолын сақтауға көмектеседі. Перколяция жолымен өткізгіштікті сақтаудың бұл құбылысы эластомерлік негіздердегі жарылған металл немесе жартылай өткізгіш пленкалар үшін бұрын хабарланған болатын (40, 41).
Созылатын құрылғылардағы қақпа электродтары ретінде осы графен негізіндегі пленкаларды бағалау үшін біз графен қабатын SEBS диэлектрлік қабатымен (қалыңдығы 2 мкм) жауып, диэлектрлік сыйымдылықтың өзгеруін деформация функциясы ретінде бақыладық (толығырақ 2F суретін және қосымша материалдарды қараңыз). Біз графеннің жазықтықтағы өткізгіштігінің жоғалуына байланысты қарапайым моноқабатты және екіқабатты графен электродтары бар сыйымдылықтардың тез төмендегенін байқадық. Керісінше, MGG, сондай-ақ қарапайым үшқабатты графенмен қақпаланған сыйымдылықтар деформациямен бірге сыйымдылықтың артуын көрсетті, бұл деформациямен бірге диэлектрлік қалыңдықтың азаюына байланысты күтіледі. Сыйымдылықтың күтілетін артуы MGG құрылымымен өте жақсы сәйкес келді (S8 сурет). Бұл MGG созылатын транзисторлар үшін қақпа электроды ретінде жарамды екенін көрсетеді.
Электр өткізгіштіктің деформацияға төзімділігіндегі 1D графен шиыршығының рөлін одан әрі зерттеу және графен қабаттары арасындағы алшақтықты жақсырақ бақылау үшін біз графен шиыршықтарын ауыстыру үшін бүріккішпен қапталған CNT қолдандық (қосымша материалдарды қараңыз). MGG құрылымдарын имитациялау үшін біз үш тығыздықтағы CNT-лерді (яғни, CNT1) орналастырдық.
(A-дан C-ға дейін) Үш түрлі тығыздықтағы CNT-лердің AFM кескіндері (CNT1)
Созылатын электроникаға арналған электродтар ретіндегі мүмкіндіктерін тереңірек түсіну үшін біз MGG және G-CNT-G морфологияларын деформация кезінде жүйелі түрде зерттедік. Оптикалық микроскопия және сканерлеуші ​​электронды микроскопия (SEM) тиімді сипаттау әдістері емес, себебі екеуінде де түс контрасты жоқ және SEM графен полимерлі субстраттарда болған кезде электронды сканерлеу кезінде кескін артефактілеріне ұшырайды (S9 және S10 суреттер). Деформация кезіндегі графен бетін орнында бақылау үшін біз өте жұқа (~0,1 мм қалыңдықта) және серпімді SEBS субстраттарына ауыстырғаннан кейін үш қабатты MGG және қарапайым графенде AFM өлшемдерін жинадық. CVD графеніндегі ішкі ақаулар мен тасымалдау процесі кезіндегі сыртқы зақымдарға байланысты деформацияланған графенде жарықтар сөзсіз пайда болады және деформацияның артуымен жарықтар тығыздала түседі (4-сурет, A-дан D-ге дейін). Көміртекті электродтардың қабаттасу құрылымына байланысты жарықтар әртүрлі морфологияны көрсетеді (S11 сурет) (27). Көп қабатты графеннің жарықшақ ауданының тығыздығы (жарықшақ ауданы/талданған аудан ретінде анықталады) деформациядан кейінгі моноқабатты графенге қарағанда аз, бұл MGG үшін электр өткізгіштіктің артуымен сәйкес келеді. Екінші жағынан, жарықшақтарды көпірлеу үшін шиыршықтар жиі байқалады, бұл деформацияланған пленкада қосымша өткізгіш жолдарды қамтамасыз етеді. Мысалы, 4B суретіндегі суретте көрсетілгендей, кең шиыршық үш қабатты MGG-дегі жарықшақтан өтті, бірақ қарапайым графенде шиыршық байқалмады (4-сурет, E-ден H-ға дейін). Сол сияқты, CNT-лер графендегі жарықшақтарды да көпірледі (S11 сурет). Жарықшақ ауданының тығыздығы, шиыршық ауданының тығыздығы және пленкалардың кедір-бұдырлығы 4K суретінде қорытындыланған.
(A-дан H-ға дейін) 0, 20, 60 және 100% деформация кезінде өте жұқа SEBS (қалыңдығы ~0,1 мм) эластомеріндегі үш қабатты G/G шиыршықтарының (A-дан D-ға дейін) және үш қабатты G құрылымдарының (E-ден H-ға дейін) in situ AFM кескіндері. Бейнелі жарықтар мен шиыршықтар көрсеткілермен көрсетілген. Барлық AFM кескіндері белгіленгендей түсті шкала жолағын пайдаланып, 15 мкм × 15 мкм аумақта орналасқан. (I) SEBS негізіндегі өрнекті моноқабатты графен электродтарының модельдеу геометриясы. (J) 20% сыртқы деформация кезінде моноқабатты графен мен SEBS негізіндегі максималды негізгі логарифмдік деформацияның модельдеу контурлық картасы. (K) Әртүрлі графен құрылымдары үшін жарықшақ ауданының тығыздығын (қызыл баған), шиыршық ауданының тығыздығын (сары баған) және бетінің кедір-бұдырлығын (көк баған) салыстыру.
MGG қабықшалары созылған кезде, шиыршықтар графеннің жарылған аймақтарын көпірмен байланыстыра алатын және перколяциялық желіні сақтайтын маңызды қосымша механизм бар. Графен шиыршықтары перспективалы, себебі олардың ұзындығы ондаған микрометр болуы мүмкін және сондықтан әдетте микрометрлік масштабқа дейінгі жарықшақтарды көпірмен байланыстыра алады. Сонымен қатар, шиыршықтар графеннің көп қабаттарынан тұратындықтан, олардың кедергісі төмен болады деп күтілуде. Салыстырмалы түрде, салыстырмалы түрде тығыз (төмен өткізгіштік) CNT желілері салыстырмалы өткізгіштік көпір мүмкіндігін қамтамасыз ету үшін қажет, себебі CNT-лар шиыршықтарға қарағанда кішірек (әдетте ұзындығы бірнеше микрометр) және аз өткізгіштікке ие. Екінші жағынан, S12-суретте көрсетілгендей, графен созылу кезінде кернеуді көтеру үшін жарылса, шиыршықтар жарылмайды, бұл соңғысының астыңғы графенде сырғанап жатқанын көрсетеді. Олардың жарылмауының себебі, мүмкін, графеннің көптеген қабаттарынан (ұзындығы ~1-ден 20 мкм-ге дейін, ені ~0,1-ден 1 мкм-ге дейін және биіктігі ~10-нан 100 нм-ге дейін) тұратын оралған құрылымға байланысты, оның бір қабатты графенге қарағанда тиімділік модулі жоғары. Грин мен Херсамның (42) хабарлауынша, металл CNT желілері (түтік диаметрі 1,0 нм) CNT арасындағы үлкен түйіспе кедергісіне қарамастан, төмен парақ кедергілеріне <100 ом/ш.м жете алады. Біздің графен шиыршықтарының ені 0,1-ден 1 мкм-ге дейін екенін және G/G шиыршықтарының CNT-ге қарағанда әлдеқайда үлкен жанасу аймақтары бар екенін ескерсек, графен мен графен шиыршықтары арасындағы жанасу кедергісі мен жанасу аймағы жоғары өткізгіштікті сақтау үшін шектеуші факторлар болмауы керек.
Графеннің SEBS негізіне қарағанда модулі әлдеқайда жоғары. Графен электродының тиімді қалыңдығы негізге қарағанда әлдеқайда төмен болғанымен, графеннің қаттылығының оның қалыңдығына көбейтіндісі негіздің қаттылығымен салыстыруға болады (43, 44), бұл орташа қатты арал әсерін тудырады. Біз SEBS негізіне 1 нм қалыңдықтағы графеннің деформациясын модельдедік (толығырақ қосымша материалдарды қараңыз). Модельдеу нәтижелеріне сәйкес, SEBS негізіне сырттан 20% деформация қолданылған кезде, графендегі орташа деформация ~6,6% құрайды (4J сурет және S13D сурет), бұл эксперименттік бақылауларға сәйкес келеді (S13 суретті қараңыз). Біз оптикалық микроскопияны пайдаланып, өрнектелген графен мен негіз аймақтарындағы деформацияны салыстырдық және негіз аймағындағы деформация графен аймағындағы деформациядан кемінде екі есе көп екенін анықтадық. Бұл графен электродының өрнектеріне қолданылатын деформация айтарлықтай шектеулі болуы мүмкін екенін, SEBS үстінде графеннің қатты аралдарын түзетінін көрсетеді (26, 43, 44).
Сондықтан, MGG электродтарының жоғары кернеу кезінде жоғары өткізгіштікті сақтау қабілеті екі негізгі механизммен қамтамасыз етілуі мүмкін: (i) шиыршықтар өткізгіш перколяция жолын сақтау үшін ажыратылған аймақтарды көпірлей алады және (ii) көп қабатты графен парақтары/эластомер бір-бірінің үстінен сырғып кетуі мүмкін, бұл графен электродтарына түсетін кернеуді азайтады. Эластомердегі тасымалданған графеннің бірнеше қабаттары үшін қабаттар бір-бірімен берік бекітілмеген, бұл кернеуге жауап ретінде сырғып кетуі мүмкін (27). Шиыршықтар сонымен қатар графен қабаттарының кедір-бұдырлығын арттырды, бұл графен қабаттары арасындағы алшақтықты арттыруға көмектеседі және осылайша графен қабаттарының сырғып кетуіне мүмкіндік береді.
Толық көміртекті құрылғылар арзан және жоғары өткізу қабілетіне байланысты қызығушылық танытуда. Біздің жағдайда толық көміртекті транзисторлар төменгі графен қақпасын, жоғарғы графен көзі/ағызу контактісін, сұрыпталған CNT жартылай өткізгішін және диэлектрик ретінде SEBS пайдаланып жасалды (5A сурет). 5B суретте көрсетілгендей, CNT көзі/ағызу және қақпа (төменгі құрылғы) ретінде бар толық көміртекті құрылғы графен электродтары бар құрылғыға (жоғарғы құрылғы) қарағанда күңгірттеу. Себебі CNT желілері графенге ұқсас парақ кедергілеріне қол жеткізу үшін үлкенірек қалыңдықты және, демек, төмен оптикалық өткізгіштікті қажет етеді (S4 сурет). 5-суретте (C және D) екі қабатты MGG электродтарынан жасалған транзистор үшін кернеу алдындағы типтік беру және шығыс қисықтары көрсетілген. Кернеусіз транзистордың арна ені мен ұзындығы сәйкесінше 800 және 100 мкм болды. Өлшенген қосу/өшіру коэффициенті сәйкесінше 10−5 және 10−8 А деңгейлерінде қосу және өшіру токтарымен 103-тен үлкен. Шығыс қисығы айқын қақпа кернеуіне тәуелділігі бар идеалды сызықтық және қанығу режимдерін көрсетеді, бұл CNT және графен электродтары арасындағы идеалды жанасуды көрсетеді (45). Графен электродтарымен жанасу кедергісі буланған Au пленкасына қарағанда төмен екені байқалды (S14 суретін қараңыз). Созылатын транзистордың қанығу қозғалғыштығы шамамен 5,6 см2/Vs құрайды, бұл диэлектрлік қабат ретінде 300 нм SiO2 бар қатты Si субстраттарында бірдей полимермен сұрыпталған CNT транзисторларына ұқсас. Қозғалғыштықты одан әрі жақсарту түтік тығыздығын және басқа түтік түрлерін оңтайландыру арқылы мүмкін болады (46).
(A) Графен негізіндегі созылатын транзистордың схемасы. SWNT-лар, бір қабырғалы көміртекті нанотүтікшелер. (B) Графен электродтарынан (жоғарғы) және CNT электродтарынан (төменгі) жасалған созылатын транзисторлардың фотосуреті. Мөлдірлік айырмашылығы айқын байқалады. (C және D) Графен негізіндегі транзистордың SEBS-тегі кернеу алдындағы беріліс және шығыс қисықтары. (E және F) Әр түрлі кернеулердегі графен негізіндегі транзистордың беріліс қисықтары, қосу және өшіру тогы, қосу/өшіру қатынасы және қозғалғыштығы.
Мөлдір, толығымен көміртекті құрылғы заряд тасымалдау бағытына параллель бағытта созылған кезде, 120% деформацияға дейін минималды деградация байқалды. Созылу кезінде қозғалғыштық 0% деформация кезінде 5,6 см2/Vs-тен 120% деформация кезінде 2,5 см2/Vs-ке дейін үздіксіз төмендеді (5F сурет). Біз сондай-ақ әртүрлі арна ұзындықтары үшін транзистордың өнімділігін салыстырдық (S1 кестесін қараңыз). Атап айтқанда, 105% дейінгі деформация кезінде бұл транзисторлардың барлығы қосу/өшіру қатынасының жоғары болуын (>103) және қозғалғыштықты (>3 см2/Vs) көрсетті. Сонымен қатар, біз толығымен көміртекті транзисторлар бойынша соңғы жұмыстардың барлығын қорытындыладық (S2 кестесін қараңыз) (47–52). Эластомерлердегі құрылғы жасауды оңтайландыру және MGG-ді контакт ретінде пайдалану арқылы біздің толығымен көміртекті транзисторларымыз қозғалғыштық пен гистерезис тұрғысынан жақсы өнімділік көрсетеді, сондай-ақ жоғары созылғыштыққа ие.
Толығымен мөлдір және созылатын транзистордың қолданылуы ретінде біз оны жарықдиодты ауыстыруды басқару үшін қолдандық (6А сурет). 6B суретте көрсетілгендей, жасыл жарықдиодты тікелей жоғарыда орналасқан созылатын көміртекті құрылғы арқылы анық көруге болады. ~100%-ға дейін созылған кезде (6, C және D сурет), жарықдиодты жарықтың қарқындылығы өзгермейді, бұл жоғарыда сипатталған транзистордың жұмысына сәйкес келеді (S1 фильмін қараңыз). Бұл графен электродтарын пайдаланып жасалған созылатын басқару блоктарының алғашқы есебі, графенді созылатын электроника үшін жаңа мүмкіндікті көрсетеді.
(A) Жарықдиодты басқаруға арналған транзистордың тізбегі. GND, жерге қосу. (B) Жасыл жарықдиодтың үстіне орнатылған 0% кернеудегі созылатын және мөлдір көміртекті транзистордың фотосуреті. (C) Жарықдиодты ауыстыру үшін қолданылатын көміртекті мөлдір және созылатын транзистор жарықдиодтың үстіне 0% (сол жақта) және ~100% кернеуде (оң жақта) орнатылуда. Ақ көрсеткілер құрылғыдағы созылып жатқан қашықтықтың өзгеруін көрсету үшін сары маркерлер ретінде көрсетілген. (D) Жарықдиодты эластомерге итерілген созылған транзистордың бүйір көрінісі.
Қорытындылай келе, біз созылатын электродтар ретінде үлкен деформациялар кезінде жоғары өткізгіштікті сақтайтын мөлдір өткізгіш графен құрылымын жасадық, бұл қабатталған графен қабаттары арасындағы графен наноспиральдары арқылы қамтамасыз етіледі. Эластомердегі бұл екі және үш қабатты MGG электрод құрылымдары 100%-ға дейінгі деформация кезінде өздерінің 0% деформация өткізгіштігінің сәйкесінше 21 және 65%-ын сақтай алады, бұл әдеттегі бір қабатты графен электродтары үшін 5% деформация кезінде өткізгіштіктің толық жоғалуымен салыстырғанда. Графен спиральдарының қосымша өткізгіш жолдары, сондай-ақ берілетін қабаттар арасындағы әлсіз өзара әрекеттесу деформация кезінде өткізгіштіктің жоғары тұрақтылығына ықпал етеді. Біз бұл графен құрылымын толығымен көміртекті созылатын транзисторларды жасау үшін қолдандық. Әзірге бұл бүгілуді пайдаланбай ең жақсы мөлдірлігі бар ең созылатын графен негізіндегі транзистор. Осы зерттеу созылатын электроника үшін графенді пайдалану үшін жүргізілгенімен, біз бұл тәсілді созылатын 2D электрониканы пайдалану үшін басқа 2D материалдарға кеңейтуге болады деп санаймыз.
Ауданы үлкен CVD графені 1000°C температурада прекурсорлар ретінде 50–SCCM (стандартты текше сантиметр) CH4 және 20–SCCM H2 көмегімен 0,5 мторр тұрақты қысыммен суспензияланған Cu фольгаларында (99,999%; Alfa Aesar) өсірілді. Cu фольгасының екі жағы да бір қабатты графенмен жабылды. Cu фольгасының бір жағына PMMA жұқа қабаты (2000 айн/мин; A4, Microchem) айналдыру арқылы жағылып, PMMA/G/Cu фольгасы/G құрылымын түзді. Кейіннен Cu фольгасын ою үшін бүкіл пленка шамамен 2 сағат бойы 0,1 М аммоний персульфаты [(NH4)2S2O8] ерітіндісіне батырылды. Бұл процесс кезінде қорғалмаған артқы графен алдымен түйіршік шекаралары бойымен жыртылып, содан кейін беттік керілуге ​​байланысты шиыршықтарға оралды. Шиыршықтар PMMA қолдайтын жоғарғы графен пленкасына бекітіліп, PMMA/G/G шиыршықтарын түзді. Кейіннен пленкалар деионизацияланған суда бірнеше рет жуылып, мақсатты негізге, мысалы, қатты SiO2/Si немесе пластикалық негізге төселді. Бекітілген пленка негізге кепкеннен кейін, үлгі PMMA-ны кетіру үшін ацетонға, 1:1 ацетон/IPA (изопропил спирті) және IPA-ға 30 секунд бойы кезекпен батырылды. Пленкалар 100°C температурада 15 минут қыздырылды немесе G/G спиралінің тағы бір қабаты ауыстырылғанға дейін тұншыққан суды толығымен кетіру үшін түні бойы вакуумда ұсталды. Бұл қадам графен пленкасының негізден ажырауын болдырмау және PMMA тасымалдаушы қабатының бөлінуі кезінде MGG-нің толық жабылуын қамтамасыз ету болды.
MGG құрылымының морфологиясы оптикалық микроскоп (Leica) және сканерлейтін электронды микроскоп (1 кВ; FEI) көмегімен бақыланды. G шиыршықтарының бөлшектерін бақылау үшін атомдық күш микроскопы (Nanoscope III, Digital Instrument) түрту режимінде жұмыс істеді. Қабықша мөлдірлігі ультракүлгін көрінетін спектрометрмен (Agilent Cary 6000i) тексерілді. Деформация ток ағынының перпендикуляр бағыты бойымен болған кездегі сынақтар үшін графен құрылымдарын жолақтарға (ені ~300 мкм және ұзындығы ~2000 мкм) үлгілеу үшін фотолитография және O2 плазмасы пайдаланылды, ал ұзын жағының екі ұшында көлеңке маскаларын пайдаланып Au (50 нм) электродтары термиялық түрде тұндыру арқылы жүзеге асырылды. Содан кейін графен жолақтары SEBS эластомерімен (ені ~2 см және ұзындығы ~5 см) жанастырылды, жолақтардың ұзын осі SEBS қысқа жағына параллель, содан кейін BOE (буферленген оксид оюы) (HF:H2O 1:6) оюы ​​және электрлік контактілер ретінде эвтектикалық галлий индийі (EGaIn) жасалды. Параллель деформация сынақтары үшін өрнексіз графен құрылымдары (~5 × 10 мм) SEBS негіздеріне ауыстырылды, ұзын осьтері SEBS негізінің ұзын жағына параллель болды. Екі жағдайда да бүкіл G (G шиыршықтарынсыз)/SEBS қолмен басқарылатын аппаратта эластомердің ұзын жағы бойымен созылды және орнында біз жартылай өткізгіш анализаторы (Keithley 4200-SCS) бар зонд станциясында деформация кезінде олардың кедергі өзгерістерін өлшедік.
Серпімді негіздегі жоғары созылатын және мөлдір көміртекті транзисторлар полимер диэлектригі мен негіздің органикалық еріткішпен зақымдалуын болдырмау үшін келесі процедуралар бойынша жасалды. MGG құрылымдары SEBS-ке қақпа электродтары ретінде ауыстырылды. Біркелкі жұқа пленкалы полимер диэлектрик қабатын (қалыңдығы 2 мкм) алу үшін SEBS толуол (80 мг/мл) ерітіндісі октадецилтрихлорсилан (OTS)-модификацияланған SiO2/Si негізге 1000 айн/мин жылдамдықпен 1 ​​минут бойы спиннингтік жабынмен қапталды. Жұқа диэлектрик пленканы гидрофобты OTS бетінен дайындалған графенмен жабылған SEBS негізге оңай ауыстыруға болады. LCR (индуктивтілік, сыйымдылық, кедергі) өлшегішін (Agilent) пайдаланып, деформация функциясы ретінде сыйымдылықты анықтау үшін сұйық металл (EGaIn; Sigma-Aldrich) жоғарғы электродын енгізу арқылы конденсатор жасауға болады. Транзистордың басқа бөлігі бұрын хабарланған процедураларға сәйкес (53) полимермен сұрыпталған жартылай өткізгіш CNT-лерден тұрды. Өрнектелген бастапқы/ағызу электродтары қатты SiO2/Si негіздерінде жасалды. Кейіннен екі бөлік, диэлектрлік/G/SEBS және CNT/өрнектелген G/SiO2/Si, бір-біріне ламинатталып, қатты SiO2/Si негізін алып тастау үшін BOE-ге малынған. Осылайша, толығымен мөлдір және созылатын транзисторлар жасалды. Кернеу астында электрлік сынақ жоғарыда аталған әдіспен қолмен созу қондырғысында жүргізілді.
Бұл мақалаға қосымша материалдарды http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 сайтынан табуға болады.
S1 сурет. SiO2/Si негіздеріндегі MGG моноқабатының оптикалық микроскопиялық кескіндері әртүрлі үлкейтулерде.
S4 сурет. Моно-, би- және үш қабатты қарапайым графеннің (қара шаршылар), MGG (қызыл шеңберлер) және CNT-лердің (көк үшбұрыш) 550 нм-дегі екі зондты парақтың кедергілері мен өткізгіштіктерін салыстыру.
S7 сурет. ~1000 циклдік деформация жүктемесі кезінде сәйкесінше 40 және 90% параллель деформацияға дейінгі моно- және қос қабатты MGG (қара) және G (қызыл) кедергісінің нормаланған өзгерісі.
S10 сурет. SEBS эластомеріндегі үш қабатты MGG-нің деформациядан кейінгі SEM кескіні, бірнеше жарықтардағы ұзын спиральды айқас көрсетілген.
S12 сурет. Өте жұқа SEBS эластомеріндегі 20% деформация кезінде үш қабатты MGG AFM кескіні, онда шиыршықтың жарықшақтан айқасып өткені көрсетілген.
S1 кестесі. Әртүрлі канал ұзындықтарындағы екі қабатты MGG-бір қабырғалы көміртекті нанотүтікше транзисторларының деформацияға дейін және одан кейінгі қозғалғыштығы.
Бұл Creative Commons Attribution-NonCommercial лицензиясының шарттары бойынша таратылатын ашық қолжетімді мақала, ол кез келген құралда пайдалануға, таратуға және көшіруге мүмкіндік береді, егер нәтижесінде пайда болған пайдалану коммерциялық мақсатта болмаса және түпнұсқа жұмысқа тиісті сілтеме жасалған болса.
ЕСКЕРТПЕ: Біз сіздің электрондық пошта мекенжайыңызды тек сіз ұсынып отырған адамға сіздің оны көруін қалағаныңызды және оның қажетсіз пошта емес екенін білу үшін ғана сұраймыз. Біз ешқандай электрондық пошта мекенжайын тіркемейміз.
Бұл сұрақ сіздің адам екеніңізді тексеруге және спамның автоматты түрде жіберілуін болдырмауға арналған.
Нан Лю, Алекс Чортос, Тинг Лэй, Лихуа Джин, Тэхо Рой Ким, Вон-Гю Бэ, Ченсин Чжу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюан Чен, Роберт Синклэр, Женан Бао
Нан Лю, Алекс Чортос, Тинг Лэй, Лихуа Джин, Тэхо Рой Ким, Вон-Гю Бэ, Ченсин Чжу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюан Чен, Роберт Синклэр, Женан Бао
© 2021 Американдық ғылымды дамыту қауымдастығы. Барлық құқықтар қорғалған. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef және COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 серіктесі болып табылады.