Materyèl ki genyen de dimansyon, tankou grafèn, yo atire tou de aplikasyon pou semi-conducteurs konvansyonèl yo ak aplikasyon pou naisan nan elektwonik fleksib. Sepandan, gwo fòs rupture nan grafèn rezilta nan frakti nan souch ki ba, sa ki fè li difisil pou pran avantaj de pwopriyete ekstraòdinè elektwonik li yo nan elektwonik stretchable. Pou pèmèt ekselan pèfòmans depandan souch nan kondiktè grafèn transparan, nou te kreye nanoscrolls grafèn nan ant kouch grafèn anpile, yo refere yo kòm woulo grafèn multikouch / grafèn (MGGs). Anba souch, kèk woulo te fè pon nan domèn fragmenté nan grafèn pou kenbe yon rezo percolating ki te pèmèt ekselan konduktiviti nan tansyon segondè. MGGs trikouch sipòte sou elastomèr kenbe 65% nan konduktivite orijinal yo nan 100% souch, ki se pèpandikilè nan direksyon koule aktyèl la, tandiske fim trikouch nan grafèn san yo pa nanoscrolls kenbe sèlman 25% nan konduktivite kòmanse yo. Yon tranzistò tout-kabòn ki etale ki fabrike lè l sèvi avèk MGG kòm elektwòd te montre yon transmisyon > 90% epi li te kenbe 60% pwodiksyon aktyèl orijinal li nan 120% souch (paralèl ak direksyon transpò chaj). Tranzistò tout-kabòn sa yo trè extensible ak transparan ta ka pèmèt optoelektwonik sofistike extensible.
Elektwonik transparan extensible se yon jaden k ap grandi ki gen aplikasyon enpòtan nan sistèm avanse bioentegre (1, 2) osi byen ke potansyèl pou entegre ak optoelectronics extensible (3, 4) pou pwodwi sofistike robotik mou ak ekspozisyon. Graphene montre pwopriyete trè dezirab nan epesè atomik, segondè transparans, ak konduktiviti segondè, men aplikasyon li nan aplikasyon extensible te inibit pa tandans li yo krak nan ti tansyon. Simonte limit mekanik yo nan grafèn ta ka pèmèt nouvo fonksyonalite nan aparèy transparan extensible.
Pwopriyete inik grafèn fè li yon kandida solid pou pwochen jenerasyon elektwòd kondiktif transparan (5, 6). Konpare ak kondiktè ki pi souvan itilize transparan, endyòm fèblan oksid [ITO; 100 ohms / kare (sq) nan 90% transparans ], monokouch grafèn grandi pa depo chimik vapè (CVD) gen yon konbinezon menm jan an nan rezistans fèy (125 ohms / kare) ak transparans (97.4%) (5). Anplis de sa, fim grafèn gen fleksibilite ekstraòdinè konpare ak ITO (7). Pou egzanp, sou yon substra plastik, konduktivite li yo ka kenbe menm pou yon reyon koube nan koube osi piti ke 0.8 mm (8). Pou plis amelyore pèfòmans elektrik li kòm yon kondiktè fleksib transparan, travay anvan yo te devlope materyèl ibrid grafèn ak nanofil ajan yon dimansyon (1D) oswa nanotub kabòn (CNTs) (9-11). Anplis, grafèn yo te itilize kòm elektwòd pou semi-conducteurs eterostriktirèl dimansyon melanje (tankou 2D esansyèl Si, 1D nanofil/nanotub, ak pwen pwopòsyon 0D) (12), tranzistò fleksib, selil solè, ak dyod ki emèt limyè (LED) (13). –23).
Malgre ke grafèn te montre rezilta pwomèt pou elektwonik fleksib, aplikasyon li nan elektwonik stretchable te limite pa pwopriyete mekanik li yo (17, 24, 25); grafèn gen yon rèd nan plan 340 N/m ak yon modil Young nan 0.5 TPa (26). Rezo kabòn-kabòn fò a pa bay okenn mekanis dissipation enèji pou souch aplike ak Se poutèt sa fasilman fant nan mwens pase 5% souch. Pou egzanp, grafèn CVD transfere sou yon substra elastik polydimethylsiloxane (PDMS) ka sèlman kenbe konduktiviti li nan mwens pase 6% souch (8). Kalkil teyorik montre ke crumpling ak entèraksyon ant diferan kouch ta dwe fòtman diminye rèd la (26). Lè yo anpile grafèn nan plizyè kouch, li rapòte ke grafèn bi- oswa trikouch sa a se etann a 30% souch, montre rezistans chanjman 13 fwa pi piti pase sa a nan grafèn monokouch (27). Sepandan, stretchability sa a toujou siyifikativman enferyè ak eta-of-atizay stretchable c onductors (28, 29).
Tranzistò yo enpòtan nan aplikasyon extensible paske yo pèmèt lekti detèktè sofistike ak analiz siyal (30, 31). Tranzistò sou PDMS ak grafèn miltikouch kòm elektwòd sous/drenaj ak materyèl chanèl ka kenbe fonksyon elektrik jiska 5% souch (32), ki se siyifikativman pi ba pase valè minimòm obligatwa (~ 50%) pou detèktè siveyans sante portable ak po elektwonik ( 33, 34). Dènyèman, yo te eksplore yon apwòch kirigami grafèn, epi tranzistò a fèmen pa yon elektwolit likid ka lonje jiska 240% (35). Sepandan, metòd sa a mande grafèn sispann, ki konplike pwosesis fabwikasyon an.
Isit la, nou reyalize aparèy grafèn trè stretchable pa entèrkalasyon woulo grafèn (~ 1 a 20 μm longè, ~ 0.1 a 1 μm lajè, ak ~ 10 a 100 nm segondè) nan mitan kouch grafèn. Nou ipotèz ke woulo grafèn sa yo ta ka bay chemen kondiktif nan fant pon nan fèy grafèn yo, kidonk kenbe konduktiviti segondè anba souch. Woulo grafèn yo pa mande pou plis sentèz oswa pwosesis; yo natirèlman fòme pandan pwosedi transfè mouye. Lè nou itilize woulo multikouch G/G (grafèn/grafèn) (MGGs) grafèn elektwòd extensible (sous/drenaj ak pòtay) ak CNT semi-conducteurs, nou te kapab demontre transistors tout-kabòn trè transparan ak trè extensible, ki ka lonje a 120. % souch (paralèl ak direksyon transpò chaj) epi kenbe 60% pwodiksyon aktyèl orijinal yo. Sa a se tranzistò ki pi etann transparan ki baze sou kabòn byen lwen tèlman, epi li bay ase aktyèl pou kondwi yon dirije inòganik.
Pou pèmèt gwo zòn transparan elektwòd grafèn extensible, nou te chwazi grafèn CVD-grandi sou papye Cu. Foil Cu a te sispann nan sant yon tib kwatz CVD pou pèmèt kwasans grafèn sou tou de bò, fòme estrikti G/Cu/G. Pou transfere grafèn, nou premye vire-kouvwi yon kouch mens nan poly (methyl methacrylate) (PMMA) pou pwoteje yon bò nan grafèn nan, ke nou te rele tèt grafèn nan (vis vèrsa pou lòt bò a nan grafèn nan), epi imedyatman, tout fim (PMMA/grafèn anlè/Cu/grafèn anba) te tranpe nan solisyon (NH4)2S2O8 pou etch lwen FOIL Cu a. Grafèn anba-bò a san kouch PMMA a pral inevitableman gen fant ak domaj ki pèmèt yon etchant antre nan (36, 37). Kòm ilistre nan Fig. 1A, anba efè a nan tansyon sifas, domèn grafèn lage yo woule moute nan woulo epi imedyatman tache sou rès fim nan tèt-G/PMMA. Top-G/G woulo yo ka transfere sou nenpòt substra, tankou SiO2/Si, vè, oswa polymère mou. Repete pwosesis transfè sa a plizyè fwa sou menm substra a bay estrikti MGG.
(A) ilistrasyon chematik pwosedi fabwikasyon pou MGG yo kòm yon elektwòd stretchable. Pandan transfè a grafèn, grafèn dèyè sou papye Cu te kase nan limit ak domaj, woule moute nan fòm abitrè, ak byen tache sou fim anwo yo, fòme nanoscrolls. Katriyèm desen an dekri estrikti MGG anpile. (B ak C) karakterizasyon TEM-wo rezolisyon nan yon monokouch MGG, konsantre sou grafèn monokouch (B) ak rejyon an woulo liv (C), respektivman. Ankadreman nan (B) se yon imaj ki ba-agrandisman ki montre mòfoloji an jeneral nan monokouch MGG yo sou kadriyaj TEM la. Insets nan (C) se pwofil entansite yo pran ansanm bwat rektangilè ki endike nan imaj la, kote distans ki genyen ant avyon atomik yo se 0.34 ak 0.41 nm. (D ) Kabòn K-kwen EEL spectre ak karakteristik grafik pik π* ak σ* ki make. (E) Imaj seksyon AFM nan woulo monokouch G/G ak yon pwofil wotè sou liy pwentiye jòn la. (F rive I) Mikwoskopi optik ak imaj AFM nan trikouch G san yo pa (F ak H) ak woulo (G ak I) sou 300-nm-epè SiO2 / Si substrats, respektivman. Reprezantan woulo ak ondilasyon yo te make pou mete aksan sou diferans yo.
Pou verifye ke woulo yo woule grafèn nan lanati, nou te fè etid mikwoskopi elektwonik transmisyon wo-rezolisyon (TEM) ak pèt enèji elektwon (EEL) espektroskopi sou estrikti monokouch tèt-G/G woulo liv yo. Figi 1B montre estrikti egzagonal yon grafèn monokouch, ak inset la se yon mòfoloji jeneral fim nan kouvri sou yon sèl twou kabòn nan kadriyaj TEM la. Grafèn monokouch la kouvri pi fò nan kadriyaj la, ak kèk flak grafèn nan prezans plizyè pil bag egzagonal parèt (figi 1B). Lè w rale nan yon woulo liv endividyèl (figi 1C), nou te obsève yon gwo kantite franj lasi grafèn, ak espas lasi a nan seri 0.34 a 0.41 nm. Mezi sa yo sijere ke flak yo woule owaza epi yo pa pafè grafit, ki gen yon espas lasi nan 0.34 nm nan anpile kouch "ABAB". Figi 1D montre spectre kabòn K-kwen EEL la, kote pik la nan 285 eV soti nan orbital π* la ak lòt la alantou 290 eV se akòz tranzisyon orbital σ* la. Li ka wè ke lyezon sp2 domine nan estrikti sa a, verifye ke woulo yo trè grafik.
Mikwoskopi optik ak mikwoskopi fòs atomik (AFM) imaj bay insight sou distribisyon an nanoskroul grafèn nan MGG yo (figi 1, E a G, ak fig. S1 ak S2). Woulo yo distribye owaza sou sifas la, ak dansite nan plan yo ogmante pwopòsyonèlman ak kantite kouch anpile. Anpil woulo yo anmele nan ne epi yo montre yon wotè ki pa inifòm nan ranje 10 a 100 nm. Yo gen 1 a 20 μm nan longè ak 0.1 a 1 μm nan lajè, tou depann de gwosè yo nan flak grafèn inisyal yo. Jan yo montre nan Fig. 1 (H ak I), woulo yo gen gwosè siyifikativman pi gwo pase ondilasyon yo, ki mennen nan yon koòdone ki pi graj ant kouch grafèn.
Pou mezire pwopriyete elektrik yo, nou modelize fim grafèn avèk oswa san estrikti woulo liv ak anpile kouch nan bann 300-μm-lajè ak 2000-μm-long lè l sèvi avèk fotolitografi. Rezistans de-sond kòm yon fonksyon souch yo te mezire nan kondisyon anbyen. Prezans nan woulo redwi rezistivite a pou grafèn monokouch pa 80% ak sèlman yon diminisyon 2.2% nan transmittance la (figi S4). Sa a konfime ke nanoscrolls, ki gen yon gwo dansite aktyèl jiska 5 × 107 A / cm2 (38, 39), fè yon kontribisyon elektrik trè pozitif nan MGG yo. Pami tout mono-, bi-, ak trikouch grafèn plenn ak MGG yo, trikouch MGG la gen pi bon konduktivite ak yon transparans nan prèske 90%. Pou konpare ak lòt sous grafèn rapòte nan literati a, nou menm tou nou mezire rezistans fèy kat sond (fig. S5) epi lis yo kòm yon fonksyon nan transmittance nan 550 nm (fig. S6) nan Fig. 2A. MGG montre konduktiviti konparab oswa pi wo ak transparans pase atifisyèlman anpile grafèn plenn plizyè kouch ak redwi oksid grafèn (RGO) (6, 8, 18). Remake byen ke rezistans fèy atifisyèlman anpile grafèn plenn multikouch ki soti nan literati yo se yon ti kras pi wo pase sa yo ki nan MGG nou an, pwobableman akòz kondisyon kwasans yo pa optimize ak metòd transfè.
(A) Rezistans fèy kat sond kont transmisyon nan 550 nm pou plizyè kalite grafèn, kote kare nwa yo vle di MGG mono-, bi-, ak trikouch; ti sèk wouj ak triyang ble koresponn ak grafèn plenn plizyè kouch grandi sou Cu ak Ni nan etid Li et al. (6) ak Kim et al. (8), respektivman, epi imedyatman transfere sou SiO2 / Si oswa kwatz; ak triyang vèt yo se valè pou RGO nan diferan degre rediksyon nan etid la nan Bonaccorso et al. (18). (B ak C) Chanjman rezistans nòmalize nan mono-, bi- ak trikouch MGGs ak G kòm yon fonksyon pèpandikilè (B) ak paralèl (C) souch nan direksyon koule aktyèl la. (D) Chanjman rezistans nòmalize G (wouj) ak MGG (nwa) anba tansyon siklik chaje jiska 50% souch pèpandikilè. (E) Chanjman rezistans nòmalize nan trikouch G (wouj) ak MGG (nwa) anba tansyon siklik chaje jiska 90% souch paralèl. (F) Chanjman nòmal kapasite nan mono-, bi- ak trikouch G ak bi- ak trikouch MGGs kòm yon fonksyon nan souch. Inset la se estrikti nan kondansateur, kote substra a polymère se SEBS ak kouch nan polymère dielectric se SEBS a 2-μm-epè.
Pou evalye pèfòmans depandan souch nan MGG la, nou transfere grafèn sou substra styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) elastomèr (~ 2 cm lajè ak ~ 5 cm nan longè), epi yo te mezire konduktiviti a kòm substra a lonje. (gade Materyèl ak Metòd) tou de pèpandikilè ak paralèl ak direksyon koule aktyèl la (figi 2, B ak C). Konpòtman elektrik depandan souch la amelyore ak enkòporasyon nanoscrolls ak ogmante kantite kouch grafèn. Pou egzanp, lè souch se pèpandikilè ak koule aktyèl, pou monokouch grafèn, adisyon a nan woulo ogmante souch la nan rupture elektrik soti nan 5 a 70%. Tolerans souch nan grafèn trikouch la tou siyifikativman amelyore konpare ak grafèn monokouch la. Avèk nanoscrolls, nan 100% souch pèpandikilè, rezistans nan trikouch MGG estrikti a sèlman ogmante pa 50%, an konparezon a 300% pou trikouch grafèn san woulo. Chanjman rezistans anba chay tansyon siklik yo te envestige. Pou konparezon (Fig. 2D), rezistans yo nan yon fim grafèn plenn bikouch ogmante apeprè 7.5 fwa apre ~ 700 sik nan 50% souch pèpandikilè ak kenbe ogmante ak souch nan chak sik. Nan lòt men an, rezistans nan yon MGG bikouch sèlman ogmante apeprè 2.5 fwa apre ~ 700 sik. Aplike jiska 90% souch sou direksyon paralèl la, rezistans nan grafèn trikouch ogmante ~ 100 fwa apre 1000 sik, tandiske li se sèlman ~ 8 fwa nan yon MGG trikouch (Fig. 2E). Rezilta monte bisiklèt yo montre nan fig. S7. Ogmantasyon relativman pi vit nan rezistans nan direksyon souch paralèl la se paske oryantasyon fant yo pèpandikilè ak direksyon koule aktyèl la. Devyasyon nan rezistans pandan chaje ak dechaje souch se akòz rekiperasyon an viscoelastic nan substra elastomè SEBS. Rezistans ki pi estab nan bann MGG yo pandan monte bisiklèt se akòz prezans nan woulo gwo ki ka pon pati fann yo nan grafèn nan (jan obsève pa AFM), ede kenbe yon chemen percolating. Fenomèn sa a nan kenbe konduktiviti pa yon chemen percolating te rapòte anvan pou metal fann oswa fim semi-conducteurs sou substrat elastomèr (40, 41).
Pou evalye fim sa yo ki baze sou grafèn kòm elektwòd pòtay nan aparèy stretchable, nou kouvri kouch grafèn nan ak yon kouch dyelèktrik SEBS (2 μm epesè) epi kontwole chanjman nan kapasite dyelèktrik kòm yon fonksyon de souch (gade Fig. 2F ak Materyèl siplemantè yo pou detay). Nou te obsève ke kapasite ak elektwòd grafèn monokouch ak bikouch byen vit diminye akòz pèt konduktiviti nan grafèn nan avyon an. Kontrèman, kapasite yo fèmen pa MGG yo kòm byen ke grafèn trikouch plenn te montre yon ogmantasyon nan kapasite ak souch, ki espere akòz rediksyon nan epesè dyelèktrik ak souch. Ogmantasyon espere nan kapasite matche trè byen ak estrikti a MGG (figi S8). Sa a endike ke MGG apwopriye kòm yon elektwòd pòtay pou tranzistò extensible.
Pou plis envestige wòl woulo grafèn 1D la sou tolerans souch konduktiviti elektrik la ak pi byen kontwole separasyon ant kouch grafèn, nou te itilize CNTs espre kouvwi pou ranplase woulo grafèn yo (gade Materyèl siplemantè). Pou imite estrikti MGG, nou depoze twa dansite CNTs (ki vle di, CNT1
(A a C) imaj AFM nan twa dansite diferan nan CNTs (CNT1
Pou plis konprann kapasite yo kòm elektwòd pou elektwonik stretchable, nou sistematik envestige mòfoloji MGG ak G-CNT-G anba souch. Mikwoskopi optik ak mikwoskospi elektwonik optik (SEM) se pa metòd karakterizasyon efikas paske tou de manke kontras koulè ak SEM se sijè a zafè imaj pandan optik elektwon lè grafèn se sou substrats polymère (figi S9 ak S10). Pou obsève in situ sifas grafèn nan anba souch, nou kolekte mezi AFM sou MGGs trikouch ak grafèn plenn apre transfere sou trè mens (~ 0.1 mm epè) ak elastik substrat SEBS. Akòz domaj yo intrinsèques nan grafèn CVD ak domaj ekstrèm pandan pwosesis transfè a, fant yo inevitableman pwodwi sou grafèn nan tansyon, epi ak ogmante souch, fant yo te vin pi dans (Fig. 4, A rive D). Tou depan de estrikti nan anpile nan elektwòd ki baze sou kabòn yo, fant yo montre mòfoloji diferan (fig. S11) (27). Dansite zòn krak (ki defini kòm zòn krak / analize zòn) nan grafèn multikouch se mwens pase sa yo ki nan grafèn monokouch apre souch, ki se ki konsistan avèk ogmantasyon nan konduktiviti elektrik pou MGGs. Nan lòt men an, woulo yo souvan obsève pon fant yo, bay lòt chemen kondiktif nan fim nan tansyon. Pou egzanp, jan yo make nan imaj la nan Fig. 4B, yon woulo lajè janbe lòt sou yon fant nan MGG la trikouch, men pa gen okenn woulo obsève nan grafèn nan plenn (Fig. 4, E a H). Menm jan an tou, CNTs tou pon fant yo nan grafèn (fig. S11). Dansite zòn krak la, dansite zòn woulo liv la, ak brutality fim yo rezime nan Fig. 4K.
(A a H) Imaj AFM nan plas trikouch G/G woulo (A a D) ak estrikti trikouch G (E a H) sou yon elastomè SEBS trè mens (~0.1 mm epè) nan 0, 20, 60, ak 100. % souch. Fant reprezantan ak woulo yo pwente ak flèch. Tout imaj AFM yo nan yon zòn nan 15 μm × 15 μm, lè l sèvi avèk menm ba echèl koulè jan yo make. (I) Jeyometri simulation nan elektwòd grafèn monokouch modele sou substra SEBS la. (J) Kat jeyografik kontou simulation souch prensipal logaritmik maksimòm nan grafèn monokouch la ak substra SEBS nan 20% souch ekstèn. (K) Konparezon dansite zòn krak (kolòn wouj), dansite zòn woulo liv (kolòn jòn), ak brutality sifas (kolòn ble) pou diferan estrikti grafèn.
Lè fim MGG yo lonje, gen yon mekanis adisyonèl enpòtan ke woulo yo ka pon rejyon fann nan grafèn, kenbe yon rezo percolating. Woulo grafèn yo pwomèt paske yo ka gen plizyè dizèn mikwomèt nan longè e se poutèt sa kapab fè pon fant ki anjeneral jiska echèl mikwomèt. Anplis de sa, paske woulo yo konpoze de plizyè kouch grafèn, yo espere gen rezistans ki ba. An konparezon, rezo CNT relativman dans (pi ba transmisyon) yo oblije bay kapasite kondiktè konparab, kòm CNT yo pi piti (tipikman kèk mikromèt nan longè) ak mwens kondiktif pase woulo. Nan lòt men an, jan yo montre nan fig. S12, tandiske grafèn nan fann pandan etann pou akomode souch, woulo yo pa fann, ki endike ke lèt la ta ka glise sou grafèn ki kache. Rezon ki fè yo pa krak gen anpil chans akòz estrikti woule-up la, ki konpoze de anpil kouch grafèn (~ 1 a 2 0 μm nan longè, ~ 0.1 a 1 μm nan lajè, ak ~ 10 a 100 nm segondè), ki gen yon modil efikas ki pi wo pase grafèn nan yon sèl kouch. Jan Green ak Hersam (42) rapòte, rezo metalik CNT (dyamèt tib 1.0 nm) ka reyalize rezistans fèy ki ba <100 ohms/sq malgre gwo rezistans junction ant CNT yo. Lè nou konsidere ke woulo grafèn nou yo gen lajè 0.1 a 1 μm e ke woulo G/G yo gen pi gwo zòn kontak pase CNT yo, rezistans kontak ak zòn kontak ant woulo grafèn ak grafèn pa ta dwe limite faktè pou kenbe konduktivite segondè.
Grafèn nan gen yon modil pi wo pase substra SEBS la. Malgre ke epesè efikas nan elektwòd grafèn nan pi ba anpil pase sa yo ki nan substra a, rèd nan grafèn nan fwa epesè li yo se konparab ak sa yo ki nan substra a (43, 44), sa ki lakòz yon efè modere rijid-zile. Nou simule deformation yon grafèn 1-nm-epè sou yon substra SEBS (gade Materyèl siplemantè pou plis detay). Dapre rezilta simulation yo, lè yo aplike 20% souch sou substra SEBS deyò, souch mwayèn nan grafèn nan se ~ 6.6% (figi 4J ak fig. S13D), ki konsistan avèk obsèvasyon eksperimantal (gade fig. S13). . Nou konpare souch la nan grafèn model ak rejyon substra yo lè l sèvi avèk mikwoskòp optik epi nou jwenn souch la nan rejyon an substra yo dwe omwen de fwa souch la nan rejyon an grafèn. Sa a endike ke souch la aplike sou modèl elektwòd grafèn ta ka siyifikativman fèmen, fòme zile grafèn rèd sou tèt SEBS (26, 43, 44).
Se poutèt sa, kapasite nan elektwòd MGG yo kenbe konduktiviti segondè anba gwo souch gen anpil chans pèmèt pa de mekanis pi gwo: (i) woulo yo ka pon rejyon dekonekte yo kenbe yon chemen perkolasyon kondiktif, ak (ii) fèy yo grafèn multikouch / elastomè ka glise. youn sou lòt, sa ki lakòz souch redwi sou elektwòd grafèn. Pou plizyè kouch grafèn transfere sou elastomè, kouch yo pa tache anpil youn ak lòt, sa ki ka glise an repons a souch (27). Woulo yo tou ogmante brutality nan kouch grafèn yo, ki ka ede ogmante separasyon ki genyen ant kouch grafèn ak Se poutèt sa pèmèt glisman nan kouch grafèn yo.
Aparèy tout-kabòn yo pouswiv avèk antouzyastik akòz pri ki ba ak gwo debi. Nan ka nou an, tranzistò tout-kabòn yo te fabrike lè l sèvi avèk yon pòtay grafèn anba, yon sous grafèn tèt / kontak drenaj, yon semi-kondiktè CNT klase, ak SEBS kòm yon dyelèktrik (Fig. 5A). Jan yo montre nan Fig. 5B, yon aparèy tout-kabòn ak CNTs kòm sous la / drenaj ak pòtay (aparèy anba) se pi opak pase aparèy la ak elektwòd grafèn (aparèy tèt). Sa a se paske rezo CNT mande pou pi gwo epesè epi, kidonk, pi ba transmisyon optik pou reyalize rezistans fèy ki sanble ak sa yo ki nan grafèn (figi S4). Figi 5 (C ak D) montre transfè reprezantan ak koub pwodiksyon anvan souch pou yon tranzistò ki fèt ak elektwòd MGG bikouch. Lajè chanèl la ak longè tranzistò a unstrained yo te 800 ak 100 μm, respektivman. Rapò on/off mezire pi gran pase 103 ak kouran ak kouran nan nivo 10−5 ak 10−8 A, respektivman. Koub pwodiksyon an montre rejim ideyal lineyè ak saturasyon ak depandans klè pòtay-vòltaj, ki endike kontak ideyal ant CNT yo ak elektwòd grafèn (45). Rezistans nan kontak ak elektwòd grafèn te obsève yo dwe pi ba pase sa ak fim Au evapore (gade fig. S14). Mobilite saturation nan tranzistò extensible a se sou 5.6 cm2/Vs, menm jan ak sa ki nan menm tranzistò CNT polymère ki klase sou substrat Si rijid ak 300-nm SiO2 kòm yon kouch dielectric. Plis amelyorasyon nan mobilite posib ak dansite tib optimize ak lòt kalite tib (46).
(A) Scheme de tranzistò extensible ki baze sou grafèn. SWNTs, nanotub kabòn ki gen yon sèl miray. (B) Foto tranzistò extensible ki fèt ak elektwòd grafèn (anwo) ak elektwòd CNT (anba). Diferans nan transparans se klèman aparan. (C ak D) Transfè ak pwodiksyon koub tranzistò ki baze sou grafèn sou SEBS anvan souch. (E ak F) Transfè koub, sou ak koupe aktyèl, sou / koupe rapò, ak mobilite nan tranzistò a ki baze sou grafèn nan tansyon diferan.
Lè transparan, tout-kabòn aparèy la te lonje nan yon direksyon ki paralèl ak direksyon transpò chaj, degradasyon minim yo te obsève jiska 120% souch. Pandan etann, mobilite a kontinyèlman diminye soti nan 5.6 cm2 / Vs nan 0% souch a 2.5 cm2 / Vs nan 120% souch (Fig. 5F). Nou menm tou nou konpare pèfòmans tranzistò a pou diferan longè chanèl (gade tablo S1). Miyò, nan yon souch gwo tankou 105%, tout tranzistò sa yo toujou montre yon gwo rapò sou / koupe (> 103) ak mobilite (> 3 cm2 / Vs). Anplis de sa, nou te rezime tout travay resan yo sou tranzistò tout-kabòn (gade tablo S2) (47-52). Lè yo optimize fabwikasyon aparèy sou elastomè yo ak lè l sèvi avèk MGG yo kòm kontak, tranzistò tout-kabòn nou yo montre bon pèfòmans an tèm de mobilite ak isterèz osi byen ke yo trè extensible.
Kòm yon aplikasyon nan tranzistò a totalman transparan ak extensible, nou te itilize li kontwole switching yon dirije (Fig. 6A). Jan yo montre nan Fig. 6B, LED vèt la ka wè klèman atravè aparèy la tout-kabòn ki etale ki mete dirèkteman anwo a. Pandan ke etann nan ~ 100% (Fig. 6, C ak D), entansite limyè ki ap dirije a pa chanje, ki konsistan avèk pèfòmans tranzistò ki dekri pi wo a (gade fim S1). Sa a se premye rapò sou inite kontwòl stretchable ki fèt ak elektwòd grafèn, ki demontre yon nouvo posibilite pou elektwonik grafèn extensible.
(A) Awondisman yon tranzistò pou kondwi dirije. GND, tè. (B) Foto tranzistò tout-kabòn ki etale ak transparan nan 0% souch ki monte anlè yon LED vèt. (C) Tranzistò tout-kabòn transparan ak extensible yo itilize pou chanje dirije a ap monte pi wo a ki ap dirije a nan 0% (agòch) ak ~ 100% souch (adwat). Flèch blan yo montre kòm makè jòn yo sou aparèy la pou montre chanjman distans yo ap detire. (D) Side View nan tranzistò a lonje, ak dirije a pouse nan elastomèr la.
An konklizyon, nou te devlope yon estrikti grafèn transparan konduktif ki kenbe konduktiviti segondè anba gwo tansyon kòm elektwòd extensible, pèmèt pa nanoscrolls grafèn nan ant kouch grafèn anpile. Estrikti elektwòd MGG bi- ak trikouch sa yo sou yon elastomè ka kenbe 21 ak 65%, respektivman, nan 0% konduktiviti souch yo nan yon souch ki wo 100%, konpare ak pèt konplè nan konduktiviti nan 5% souch pou elektwòd grafèn monokouch tipik. . Chemen kondiktif adisyonèl nan woulo grafèn ak entèraksyon fèb ant kouch yo transfere kontribye nan estabilite siperyè konduktiviti a anba souch. Nou plis aplike estrikti grafèn sa a pou fabrike tout-kabòn tranzistò extensible. Jiskaprezan, sa a se tranzistò ki pi extensible ki baze sou grafèn ak pi bon transparans san yo pa itilize flambe. Malgre ke etid la prezan yo te fèt pou pèmèt grafèn pou elektwonik stretchable, nou kwè ke apwòch sa a ka pwolonje nan lòt materyèl 2D pou pèmèt elektwonik stretchable 2D.
Gwo zòn CVD grafèn te grandi sou fèy Cu sispann (99.999%; Alfa Aesar) anba yon presyon konstan nan 0.5 mtorr ak 50-SCCM (estanda santimèt kib pou chak minit) CH4 ak 20-SCCM H2 kòm précurseur nan 1000 ° C. Tou de bò FOIL Cu a te kouvri pa monokouch grafèn. Yon kouch mens PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) te vire-kouvwi sou yon bò nan FOIL Cu a, fòme yon estrikti PMMA / G / Cu FOIL / G. answit, tout fim nan te tranpe nan 0.1 M persulfate amonyòm [(NH4)2S2O8] solisyon pou apeprè 2 èdtan pou etch lwen FOIL Cu a. Pandan pwosesis sa a, grafèn nan dèyè san pwoteksyon an premye chire sou fwontyè grenn yo epi answit woule nan woulo akòz tansyon sifas yo. Woulo yo te tache sou fim grafèn siperyè PMMA ki sipòte, ki fòme woulo PMMA/G/G. Fim yo te imedyatman lave nan dlo deyonize plizyè fwa epi mete yo sou yon substra sib, tankou yon rijid SiO2 / Si oswa substra plastik. Le pli vit ke fim nan tache cheche sou substra a, echantiyon an w kòm sekans tranpe nan asetòn, 1:1 asetòn / IPA (alkòl izopropil), ak IPA pou 30 s chak yo retire PMMA. Fim yo te chofe nan 100 ° C pou 15 minit oswa kenbe nan yon vakyòm lannwit lan pou konplètman retire dlo ki bloke anvan yo te transfere yon lòt kouch woulo G/G sou li. Etap sa a se te pou fè pou evite detachman fim grafèn nan substra a epi asire pwoteksyon konplè MGG yo pandan liberasyon kouch transpò PMMA.
Mòfoloji estrikti MGG la te obsève lè l sèvi avèk yon mikwoskòp optik (Leica) ak yon mikwoskòp elektwon optik (1 kV; FEI). Yon mikwoskòp fòs atomik (Nanoscope III, Digital Instrument) te opere nan mòd tapping pou obsève detay yo nan woulo G yo. Transparans fim te teste pa yon espektwomèt iltravyolèt-vizib (Agilent Cary 6000i). Pou tès yo lè souch la te nan direksyon pèpandikilè koule aktyèl la, yo te itilize fotolitografi ak O2 plasma pou fè estrikti grafèn nan fòm bann (~300 μm lajè ak ~ 2000 μm longè), ak Au (50 nm) elektwòd yo te depoze tèmik lè l sèvi avèk. mask lonbraj nan tou de bout bò long la. Lè sa a, bann grafèn yo te mete an kontak ak yon elastomè SEBS (~2 cm nan lajè ak ~5 cm nan longè), ak aks long nan bann yo paralèl ak bò kout SEBS ki te swiv pa BOE (tampon oksid etch) (HF:H2O). 1:6) grave ak eutektik Galyòm Indium (EGaIn) kòm kontak elektrik. Pou tès souch paralèl, estrikti grafèn san modèl (~ 5 × 10 mm) yo te transfere sou substrat SEBS, ak rach long paralèl ak bò long substra SEBS la. Pou tou de ka yo, tout G (san woulo G)/SEBS yo te lonje sou bò long elastomè a nan yon aparèy manyèl, ak nan plas, nou mezire chanjman rezistans yo anba souch sou yon estasyon sond ak yon analizeur semi-conducteurs (Keithley 4200). -SCS).
Trè extensible ak transparan tout-kabòn tranzistò sou yon substrate elastik yo te fabrike pa pwosedi sa yo pou fè pou evite domaj sòlvan òganik nan polymère dyelèktrik la ak substra. Estrikti MGG yo te transfere sou SEBS kòm elektwòd pòtay. Pou jwenn yon inifòm kouch dielectric polymère mens (2 μm epè), yon solisyon SEBS toluèn (80 mg / ml) te vire-kouvwi sou yon octadecyltrichlorosilane (OTS) - modifye SiO2 / Si substra nan 1000 rpm pou 1 min. Fim dielectric mens la ka fasilman transfere soti nan sifas OTS idrofob la sou substra SEBS ki kouvri ak grafèn jan yo prepare. Yon kondansateur ta ka fèt pa depoze yon likid-metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) elektwòd tèt pou detèmine kapasite a kòm yon fonksyon souch lè l sèvi avèk yon LCR (induktans, kapasite, rezistans) mèt (Agilent). Lòt pati nan tranzistò a fèt nan CNT semi-conducteurs ki klase polymère, swiv pwosedi yo te rapòte deja (53). Elektwòd sous/drenaj modele yo te fabrike sou substrats rijid SiO2/Si. Imedyatman, de pati yo, dielectric / G / SEBS ak CNTs / modele G / SiO2 / Si, yo te laminated youn ak lòt, ak tranpe nan BOE yo retire rijid SiO2 / Si substra a. Kidonk, tranzistò yo konplètman transparan ak extensible yo te fabrike. Tès elektrik la anba souch yo te fèt sou yon konfigirasyon manyèl etann kòm metòd ki endike anwo a.
Materyèl siplemantè pou atik sa a disponib nan http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Imaj mikwoskòp optik nan monokouch MGG sou substrat SiO2 / Si nan agrandisman diferan.
fig. S4. Konparezon de rezistans fèy sond ak transmittances @550 nm nan mono-, bi- ak trikouch grafèn plenn (kare nwa), MGG (sèk wouj), ak CNTs (triyang ble).
fig. S7. Chanjman rezistans nòmalize nan mono- ak bikouch MGGs (nwa) ak G (wouj) anba ~ 1000 tansyon siklik chaje jiska 40 ak 90% souch paralèl, respektivman.
fig. S10. Imaj SEM nan trikouch MGG sou elastomè SEBS apre souch, ki montre yon kwa woulo liv long sou plizyè fant.
fig. S12. Imaj AFM nan trikouch MGG sou elastomè SEBS trè mens ak 20% souch, ki montre ke yon woulo travèse sou yon fant.
tab S1. Mobilite nan bikouch MGG-yon sèl-mi tranzistò nanotub kabòn nan longè chanèl diferan anvan ak apre souch.
Sa a se yon atik aksè ouvè ki distribye dapre kondisyon lisans Creative Commons Attribution-NonCommercial, ki pèmèt itilizasyon, distribisyon ak repwodiksyon nan nenpòt mwayen, toutotan itilizasyon rezilta a pa pou avantaj komèsyal epi depi travay orijinal la byen. site.
REMAK: Nou mande adrès imel ou sèlman pou moun w ap rekòmande paj la konnen ke ou te vle yo wè li, e ke se pa lapòs indésirable. Nou pa pran okenn adrès imel.
Kesyon sa a se pou teste si wi ou non ou se yon vizitè imen ak pou anpeche otomatik soumèt spam.
Pa 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
Pa 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 Asosyasyon Ameriken pou Avansman Syans. Tout dwa rezève. AAAS se yon patnè HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ak COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Tan poste: Jan-28-2021