Dudimensiaj materialoj, kiel ekzemple grafeno, estas allogaj por kaj konvenciaj duonkonduktaĵaj aplikoj kaj novnaskitaj aplikoj en fleksebla elektroniko. Tamen, la alta streĉo-rezisto de grafeno rezultas en fendado ĉe malalta streĉo, malfaciligante la utiligon de ĝiaj eksterordinaraj elektronikaj ecoj en streĉebla elektroniko. Por ebligi bonegan streĉo-dependan funkciadon de travideblaj grafenaj konduktiloj, ni kreis grafenajn nanovolvaĵojn inter staplitaj grafenaj tavoloj, nomataj plurtavolaj grafeno/grafenaj volvaĵoj (MGG-oj). Sub streĉo, kelkaj volvaĵoj transpontis la fragmentajn domajnojn de grafeno por konservi perkolantan reton, kiu ebligis bonegan konduktivecon ĉe altaj streĉoj. Tritavolaj MGG-oj subtenataj sur elastomeroj retenis 65% de sia originala konduktiveco ĉe 100% streĉo, kiu estas perpendikulara al la direkto de kurentofluo, dum tritavolaj filmoj de grafeno sen nanovolvaĵoj retenis nur 25% de sia komenca konduktiveco. Streĉebla tute-karbona transistoro fabrikita uzante MGG-ojn kiel elektrodojn montris transmitancon de >90% kaj retenis 60% de sia originala kurento je 120% streĉo (paralele al la direkto de ŝargotransporto). Ĉi tiuj tre streĉeblaj kaj travideblaj tute-karbonaj transistoroj povus ebligi sofistikan streĉeblan optoelektronikon.
Streĉebla travidebla elektroniko estas kreskanta kampo, kiu havas gravajn aplikojn en progresintaj biointegraj sistemoj (1, 2) kaj ankaŭ la potencialon integriĝi kun streĉebla optoelektroniko (3, 4) por produkti sofistikajn molajn robotikojn kaj ekranojn. Grafeno montras tre dezirindajn ecojn de atomdikeco, alta travidebleco kaj alta konduktiveco, sed ĝia efektivigo en streĉeblaj aplikoj estis malhelpita de ĝia tendenco fendiĝi ĉe malgrandaj streĉoj. Superi la mekanikajn limigojn de grafeno povus ebligi novan funkciecon en streĉeblaj travideblaj aparatoj.
La unikaj ecoj de grafeno igas ĝin forta kandidato por la sekva generacio de travideblaj konduktivaj elektrodoj (5, 6). Kompare kun la plej ofte uzata travidebla konduktilo, india stana oksido [ITO; 100 omoj/kvadrato (kv) je 90% travidebleco], unutavola grafeno kreskigita per kemia vapora deponado (CVD) havas similan kombinaĵon de foliorezisto (125 omoj/kv) kaj travidebleco (97.4%) (5). Krome, grafenaj filmoj havas eksterordinaran flekseblecon kompare kun ITO (7). Ekzemple, sur plasta substrato, ĝia konduktiveco povas esti konservita eĉ por kurbradiuso de kurbeco tiel malgranda kiel 0.8 mm (8). Por plue plibonigi ĝian elektran rendimenton kiel travidebla fleksebla konduktilo, antaŭaj verkoj evoluigis grafenajn hibridajn materialojn kun unu-dimensiaj (1D) arĝentaj nanodratoj aŭ karbonaj nanotuboj (CNT-oj) (9–11). Krome, grafeno estis uzata kiel elektrodoj por miksdimensiaj heterostrukturaj duonkonduktaĵoj (kiel ekzemple 2D groca Si, 1D nanodratoj/nanotuboj, kaj 0D kvantumpunktoj) (12), flekseblaj transistoroj, sunĉeloj, kaj lum-elsendantaj diodoj (LED-oj) (13–23).
Kvankam grafeno montris promesplenajn rezultojn por fleksebla elektroniko, ĝia apliko en streĉebla elektroniko estis limigita de ĝiaj mekanikaj ecoj (17, 24, 25); grafeno havas en-ebenan rigidecon de 340 N/m kaj modulon de Young de 0.5 TPa (26). La forta karbono-karbona reto ne provizas iujn ajn energiajn disipadajn mekanismojn por aplikita streĉo kaj tial facile fendiĝas je malpli ol 5% streĉo. Ekzemple, CVD-grafeno transdonita sur elastan substraton el polidimetilsiloksano (PDMS) povas konservi sian konduktivecon nur je malpli ol 6% streĉo (8). Teoriaj kalkuloj montras, ke sulkiĝo kaj interagado inter malsamaj tavoloj devus forte malpliigi la rigidecon (26). Stakigante grafenon en plurajn tavolojn, oni raportas, ke ĉi tiu du- aŭ tritavola grafeno estas streĉebla ĝis 30% streĉo, montrante rezistoŝanĝon 13 fojojn pli malgrandan ol tiu de unutavola grafeno (27). Tamen, ĉi tiu streĉebleco estas ankoraŭ signife malsupera al pintnivelaj streĉeblaj konduktiloj (28, 29).
Transistoroj gravas en streĉeblaj aplikoj ĉar ili ebligas sofistikan sensilan legadon kaj signalanalizon (30, 31). Transistoroj sur PDMS kun plurtavola grafeno kiel fontaj/drenaj elektrodoj kaj kanala materialo povas konservi elektran funkcion ĝis 5% streĉo (32), kio estas signife sub la minimuma postulata valoro (~50%) por porteblaj san-monitoradaj sensiloj kaj elektronika haŭto (33, 34). Lastatempe, grafena kirigami-aliro estis esplorita, kaj la transistoro funkciigita per likva elektrolito povas esti streĉita ĝis 240% (35). Tamen, ĉi tiu metodo postulas suspenditan grafenon, kio malfaciligas la fabrikadprocezon.
Ĉi tie, ni atingas tre streĉeblajn grafenajn aparatojn per interkalado de grafenaj volvaĵoj (~1 ĝis 20 μm longaj, ~0.1 ĝis 1 μm larĝaj, kaj ~10 ĝis 100 nm altaj) inter grafenaj tavoloj. Ni hipotezas, ke ĉi tiuj grafenaj volvaĵoj povus provizi konduktajn vojojn por transponti fendetojn en la grafenaj tavoloj, tiel konservante altan konduktivecon sub streĉo. La grafenaj volvaĵoj ne postulas plian sintezon aŭ prilaboradon; ili nature formiĝas dum la malseka translokiga proceduro. Uzante plurtavolajn G/G (grafeno/grafeno) volvaĵojn (MGG), grafenajn streĉeblajn elektrodojn (fonto/drenilo kaj pordego) kaj duonkonduktajn CNT-ojn, ni povis demonstri tre travideblajn kaj tre streĉeblajn tute-karbonajn transistorojn, kiuj povas esti streĉitaj ĝis 120% streĉo (paralele al la direkto de ŝargotransporto) kaj reteni 60% de sia originala kurento. Ĉi tiu estas la plej streĉebla travidebla karbon-bazita transistoro ĝis nun, kaj ĝi provizas sufiĉan kurenton por funkciigi neorganikan LED-on.
Por ebligi grand-areajn travideblajn streĉeblajn grafenajn elektrodojn, ni elektis CVD-kreskigitan grafenon sur kupra folio. La kupra folio estis suspendita en la centro de CVD-kvarca tubo por permesi la kreskon de grafeno ambaŭflanke, formante G/Cu/G-strukturojn. Por translokigi grafenon, ni unue centrifugis maldikan tavolon de poli(metilmetakrilato) (PMMA) por protekti unu flankon de la grafeno, kiun ni nomis supra grafeno (inverse por la alia flanko de la grafeno), kaj poste, la tuta filmo (PMMA/supra grafeno/Cu/malsupra grafeno) estis trempita en (NH4)2S2O8-solvaĵo por grati la kupran folion. La malsupra grafeno sen la PMMA-tegaĵo neeviteble havos fendetojn kaj difektojn, kiuj permesas al gratanto penetri tra (36, 37). Kiel ilustrite en Fig. 1A, sub la efiko de surfaca tensio, la liberigitaj grafenaj domajnoj ruliĝis en volvaĵojn kaj poste alkroĉiĝis al la restanta supra-G/PMMA-filmo. La supraj G/G-volvaĵoj povus esti translokigitaj sur ajnan substraton, kiel ekzemple SiO2/Si, vitro, aŭ mola polimero. Ripetante ĉi tiun translokigan procezon plurfoje sur la saman substraton, oni ricevas MGG-strukturojn.
(A) Skemata ilustraĵo de la fabrikada proceduro por MGG-oj kiel streĉebla elektrodo. Dum la grafena translokigo, la malantaŭa flanko de grafeno sur kupra folio estis rompita ĉe limoj kaj difektoj, rulita en arbitrajn formojn, kaj forte alkroĉita al la supraj filmoj, formante nanoskrollaĵojn. La kvara bildstrio prezentas la staplitan MGG-strukturon. (B kaj C) Alt-rezoluciaj TEM-karakterizadoj de unutavola MGG, fokusante sur la unutavola grafeno (B) kaj la volvaĵa (C) regiono, respektive. La enmetitaĵo de (B) estas malalt-pligrandiga bildo montranta la ĝeneralan morfologion de unutavolaj MGG-oj sur la TEM-krado. Enmetitaĵoj de (C) estas la intensecaj profiloj prenitaj laŭ la rektangulaj skatoloj indikitaj en la bildo, kie la distancoj inter la atomaj ebenoj estas 0,34 kaj 0,41 nm. (D) Karbona K-rando EEL-spektro kun la karakterizaj grafitaj π* kaj σ* pintoj etikeditaj. (E) Sekca AFM-bildo de unutavolaj G/G-volvaĵoj kun altecprofilo laŭ la flava punktita linio. (F ĝis I) Optika mikroskopio kaj AFM-bildoj de tritavola G sen (F kaj H) kaj kun volvaĵoj (G kaj I) sur 300-nm-dikaj SiO2/Si substratoj, respektive. Reprezentaj volvaĵoj kaj sulkoj estis etikeditaj por reliefigi iliajn diferencojn.
Por kontroli, ke la volvaĵoj estas nature rulitaj de grafeno, ni faris alt-rezoluciajn studojn per transmisia elektrona mikroskopio (TEM) kaj elektrona energia perdo (EEL) spektroskopio pri la unutavolaj supraj G/G volvaĵaj strukturoj. Figuro 1B montras la seslateran strukturon de unutavola grafeno, kaj la enmetitaĵo estas ĝenerala morfologio de la filmo kovrita sur ununura karbona truo de la TEM-krado. La unutavola grafeno etendiĝas tra la plej granda parto de la krado, kaj aperas kelkaj grafenaj flokoj en la ĉeesto de pluraj stakoj de seslateraj ringoj (Fig. 1B). Zomante en individuan volvaĵon (Fig. 1C), ni observis grandan kvanton da grafenaj kradaj franĝoj, kun la krada interspaco en la intervalo de 0,34 ĝis 0,41 nm. Ĉi tiuj mezuradoj sugestas, ke la flokoj estas hazarde rulitaj supren kaj ne estas perfekta grafito, kiu havas kradan interspacon de 0,34 nm en "ABAB" tavola stakado. Figuro 1D montras la karbonan K-randan EEL-spektron, kie la pinto je 285 eV originas de la π* orbitalo kaj la alia ĉirkaŭ 290 eV ŝuldiĝas al la transiro de la σ* orbitalo. Videblas, ke sp2-ligado dominas en ĉi tiu strukturo, konfirmante, ke la volvaĵoj estas tre grafitaj.
Bildoj per optika mikroskopio kaj atomforta mikroskopio (AFM) donas komprenon pri la distribuo de grafenaj nanovolvaĵoj en la MGG-oj (Fig. 1, E ĝis G, kaj fig. S1 kaj S2). La volvaĵoj estas hazarde distribuitaj sur la surfaco, kaj ilia en-ebena denseco pliiĝas proporcie al la nombro da staplitaj tavoloj. Multaj volvaĵoj estas interplektitaj en nodojn kaj montras neunuformajn altojn en la intervalo de 10 ĝis 100 nm. Ili estas 1 ĝis 20 μm longaj kaj 0,1 ĝis 1 μm larĝaj, depende de la grandecoj de siaj komencaj grafenaj flokoj. Kiel montrite en Fig. 1 (H kaj I), la volvaĵoj havas signife pli grandajn grandecojn ol la sulkoj, kondukante al multe pli malglata interfaco inter grafenaj tavoloj.
Por mezuri la elektrajn ecojn, ni strukturizis grafenajn filmojn kun aŭ sen volvaĵaj strukturoj kaj tavolstaplado en 300-μm larĝajn kaj 2000-μm longajn striojn uzante fotolitografion. Du-sondaj rezistoj kiel funkcio de streĉo estis mezuritaj sub ĉirkaŭaj kondiĉoj. La ĉeesto de volvaĵoj reduktis la rezistancon por unutavola grafeno je 80% kun nur 2,2% malkresko en la transmitanco (fig. S4). Ĉi tio konfirmas, ke nanovolvaĵoj, kiuj havas altan kurentdensecon ĝis 5 × 107 A/cm2 (38, 39), faras tre pozitivan elektran kontribuon al la MGG-oj. Inter ĉiuj unu-, du- kaj tritavolaj simplaj grafeno kaj MGG-oj, la tritavola MGG havas la plej bonan konduktivecon kun travidebleco de preskaŭ 90%. Por kompari kun aliaj fontoj de grafeno raportitaj en la literaturo, ni ankaŭ mezuris kvar-sondajn tavolo-rezistmojn (fig. S5) kaj listigis ilin kiel funkcion de transmitanco je 550 nm (fig. S6) en Fig. 2A. MGG montras kompareblan aŭ pli altan konduktivecon kaj travideblecon ol artefarite staplita plurtavola simpla grafeno kaj reduktita grafena oksido (RGO) (6, 8, 18). Notu, ke la tavolo-rezistmoj de artefarite staplita plurtavola simpla grafeno el la literaturo estas iomete pli altaj ol tiuj de nia MGG, probable pro iliaj neoptimumigitaj kreskokondiĉoj kaj transiga metodo.
(A) Kvar-sondaj foliaj rezistancoj kontraŭ transmitanco je 550 nm por pluraj specoj de grafeno, kie nigraj kvadratoj indikas unu-, du- kaj tritavolajn MGG-ojn; ruĝaj cirkloj kaj bluaj trianguloj korespondas al plurtavola simpla grafeno kreskigita sur Cu kaj Ni el la studoj de Li et al. (6) kaj Kim et al. (8), respektive, kaj poste transdonita sur SiO2/Si aŭ kvarcon; kaj verdaj trianguloj estas valoroj por RGO je malsamaj reduktaj gradoj el la studo de Bonaccorso et al. (18). (B kaj C) Normaligita rezistanca ŝanĝo de unu-, du- kaj tritavolaj MGG-oj kaj G kiel funkcio de perpendikulara (B) kaj paralela (C) streĉo al la direkto de kurenta fluo. (D) Normaligita rezistanca ŝanĝo de dutavola G (ruĝa) kaj MGG (nigra) sub cikla ŝarĝo ĝis 50% perpendikulara ŝarĝo. (E) Normaligita rezistanca ŝanĝo de tritavola G (ruĝa) kaj MGG (nigra) sub cikla ŝarĝo ĝis 90% paralela ŝarĝo. (F) Normaligita kapacitanca ŝanĝo de unu-, du- kaj tritavola G kaj du- kaj tritavolaj MGG-oj kiel funkcio de streĉo. La enmetita bildo montras la kondensilstrukturon, kie la polimera substrato estas SEBS kaj la polimera dielektrika tavolo estas la 2-μm-dika SEBS.
Por taksi la trostreĉo-dependan funkciadon de la MGG, ni translokigis grafenon sur termoplastajn elastomerajn stireno-etileno-butadieno-stireno (SEBS) substratojn (~2 cm larĝajn kaj ~5 cm longajn), kaj la konduktiveco estis mezurita dum la substrato estis streĉita (vidu Materialojn kaj Metodojn) kaj perpendikulare kaj paralele al la direkto de la kurentofluo (Fig. 2, B kaj C). La trostreĉo-dependa elektra konduto pliboniĝis per la enkorpigo de nanovolvaĵoj kaj kreskanta nombro da grafenaj tavoloj. Ekzemple, kiam la trostreĉo estas perpendikulara al la kurentofluo, por unutavola grafeno, la aldono de volvaĵoj pliigis la trostreĉon ĉe elektra rompo de 5 ĝis 70%. La trostreĉa toleremo de la tritavola grafeno ankaŭ estas signife plibonigita kompare kun la unutavola grafeno. Kun nanovolvaĵoj, je 100% perpendikulara trostreĉo, la rezisto de la tritavola MGG-strukturo pliiĝis nur je 50%, kompare kun 300% por tritavola grafeno sen volvaĵoj. Rezistoŝanĝo sub cikla trostreĉoŝarĝo estis esplorita. Por komparo (Fig. 2D), la rezistoj de simpla dutavola grafena filmo pliiĝis ĉirkaŭ 7.5-oble post ~700 cikloj je 50% perpendikulara streĉo kaj daŭre pliiĝis kun streĉo en ĉiu ciklo. Aliflanke, la rezisto de dutavola MGG pliiĝis nur ĉirkaŭ 2.5-oble post ~700 cikloj. Aplikante ĝis 90% streĉon laŭ la paralela direkto, la rezisto de tritavola grafeno pliiĝis ~100-oble post 1000 cikloj, dum ĝi estas nur ~8-oble en tritavola MGG (Fig. 2E). Ciklaj rezultoj estas montritaj en fig. S7. La relative pli rapida pliiĝo de rezisto laŭ la paralela streĉa direkto estas ĉar la orientiĝo de fendetoj estas perpendikulara al la direkto de kurenta fluo. La devio de rezisto dum ŝarĝa kaj malŝarĝa streĉo ŝuldiĝas al la viskoelasta reakiro de SEBS-elastomera substrato. La pli stabila rezisto de la MGG-strioj dum ciklado ŝuldiĝas al la ĉeesto de grandaj volvaĵoj, kiuj povas transponti la fenditajn partojn de la grafeno (kiel observite per AFM), helpante konservi perkoladan vojon. Ĉi tiu fenomeno de konservado de konduktiveco per perkolata vojo jam estis raportita antaŭe por fenditaj metalaj aŭ duonkonduktaĵaj filmoj sur elastomeraj substratoj (40, 41).
Por taksi ĉi tiujn grafeno-bazitajn filmojn kiel pordegajn elektrodojn en streĉeblaj aparatoj, ni kovris la grafena tavolo per SEBS-dielektrika tavolo (2 μm dika) kaj monitoris la dielektrikan kapacitancan ŝanĝon kiel funkcion de streĉo (vidu Fig. 2F kaj la Aldonajn Materialojn por detaloj). Ni observis, ke kapacitancoj kun simplaj unutavolaj kaj dutavolaj grafenaj elektrodoj rapide malpliiĝis pro la perdo de en-ebena konduktiveco de grafeno. Kontraste, kapacitancoj porditaj de MGG-oj same kiel simpla tritavola grafeno montris pliiĝon de kapacitanco kun streĉo, kio estas atendata pro redukto de dielektrika dikeco kun streĉo. La atendata pliiĝo de kapacitanco tre bone kongruis kun la MGG-strukturo (fig. S8). Ĉi tio indikas, ke MGG taŭgas kiel pordega elektrodo por streĉeblaj transistoroj.
Por plue esplori la rolon de la 1D grafena volvaĵo sur la streĉa toleremo de elektra konduktiveco kaj pli bone kontroli la apartigon inter grafenaj tavoloj, ni uzis ŝpruc-kovritajn CNT-ojn por anstataŭigi la grafenajn volvaĵojn (vidu Aldonajn Materialojn). Por imiti MGG-strukturojn, ni deponis tri densecojn de CNT-oj (tio estas, CNT1
(A ĝis C) AFM-bildoj de tri malsamaj densecoj de CNT-oj (CNT1
Por plue kompreni ilian kapablon kiel elektrodoj por streĉebla elektroniko, ni sisteme esploris la morfologiojn de MGG kaj G-CNT-G sub streĉo. Optika mikroskopio kaj skana elektrona mikroskopio (SEM) ne estas efikaj karakterizaj metodoj ĉar ambaŭ mankas kolorkontraston kaj SEM estas submetata al bildaj artefaktoj dum elektrona skanado kiam grafeno estas sur polimeraj substratoj (fig. S9 kaj S10). Por observi surloke la grafenan surfacon sub streĉo, ni kolektis AFM-mezuradojn sur tritavolaj MGG-oj kaj simpla grafeno post translokigo sur tre maldikajn (~0.1 mm dikajn) kaj elastajn SEBS-substratojn. Pro la internaj difektoj en CVD-grafeno kaj ekstera difekto dum la translokiga procezo, fendetoj neeviteble generiĝas sur la streĉita grafeno, kaj kun kreskanta streĉo, la fendetoj fariĝis pli densaj (Fig. 4, A ĝis D). Depende de la stakiga strukturo de la karbonbazitaj elektrodoj, la fendetoj montras malsamajn morfologiojn (fig. S11) (27). La denseco de fendeta areo (difinita kiel fendeta areo/analizita areo) de plurtavola grafeno estas malpli ol tiu de unutavola grafeno post streĉo, kio kongruas kun la pliiĝo de elektra konduktiveco por MGG-oj. Aliflanke, oni ofte observas volvaĵojn transpontantajn la fendetojn, provizante pliajn konduktivajn vojojn en la streĉita filmo. Ekzemple, kiel montrite en la bildo de Fig. 4B, larĝa volvaĵo transiris fendeton en la tritavola MGG, sed neniu volvaĵo estis observita en la simpla grafeno (Fig. 4, E ĝis H). Simile, CNT-oj ankaŭ transpontis la fendetojn en grafeno (fig. S11). La denseco de fendeta areo, denseco de volvaĵa areo kaj krudeco de la filmoj estas resumitaj en Fig. 4K.
(A ĝis H) En situj AFM-bildoj de tritavolaj G/G-volvaĵoj (A ĝis D) kaj tritavolaj G-strukturoj (E ĝis H) sur tre maldika SEBS (~0.1 mm dika) elastomero je 0, 20, 60 kaj 100%-a streĉo. Reprezentaj fendetoj kaj volvaĵoj estas montritaj per sagoj. Ĉiuj AFM-bildoj estas en areo de 15 μm × 15 μm, uzante la saman kolorskalon kiel etikedite. (I) Simulada geometrio de strukturizitaj unutavolaj grafenaj elektrodoj sur la SEBS-substrato. (J) Simulada konturmapo de la maksimuma ĉefa logaritma streĉo en la unutavola grafeno kaj la SEBS-substrato je 20%-a ekstera streĉo. (K) Komparo de fenda areodenseco (ruĝa kolumno), volvaĵa areodenseco (flava kolumno) kaj surfaca krudeco (blua kolumno) por malsamaj grafenaj strukturoj.
Kiam la MGG-filmoj estas streĉitaj, ekzistas grava aldona mekanismo, ke la volvaĵoj povas transponti fendiĝintajn regionojn de grafeno, konservante perkolantan reton. La grafenaj volvaĵoj estas promesplenaj ĉar ili povas esti dekoj da mikrometroj longaj kaj tial kapablaj transponti fendetojn, kiuj tipe estas ĝis mikrometra skalo. Krome, ĉar la volvaĵoj konsistas el plurtavoloj de grafeno, oni atendas, ke ili havos malaltan reziston. Kompare, relative densaj (pli malalta transmitanco) CNT-retoj estas necesaj por provizi kompareblan konduktan pontan kapablon, ĉar CNT-oj estas pli malgrandaj (tipe kelkaj mikrometroj longaj) kaj malpli konduktaj ol volvaĵoj. Aliflanke, kiel montrite en fig. S12, dum la grafeno fendiĝas dum streĉado por akomodi streĉon, la volvaĵoj ne fendiĝas, indikante, ke ĉi-lastaj eble glitas sur la subesta grafeno. La kialo, ke ili ne fendiĝas, verŝajne ŝuldiĝas al la rulita strukturo, konsistanta el multaj tavoloj de grafeno (~1 ĝis 20 μm longa, ~0,1 ĝis 1 μm larĝa, kaj ~10 ĝis 100 nm alta), kiu havas pli altan efikan modulon ol la unu-tavola grafeno. Kiel raportite de Green kaj Hersam (42), metalaj CNT-retoj (tubdiametro de 1,0 nm) povas atingi malaltajn lamenajn rezistancojn <100 omoj/kv.m. malgraŭ la granda krucvojrezisto inter CNT-oj. Konsiderante, ke niaj grafenaj volvaĵoj havas larĝojn de 0,1 ĝis 1 μm kaj ke la G/G-volvaĵoj havas multe pli grandajn kontaktareojn ol CNT-oj, la kontakta rezisto kaj kontakta areo inter grafeno kaj grafenaj volvaĵoj ne devus esti limigaj faktoroj por konservi altan konduktivecon.
La grafeno havas multe pli altan modulon ol la SEBS-substrato. Kvankam la efektiva dikeco de la grafena elektrodo estas multe pli malalta ol tiu de la substrato, la rigideco de la grafeno multiplikita per ĝia dikeco estas komparebla al tiu de la substrato (43, 44), rezultante en modera rigid-insula efiko. Ni simulis la deformadon de 1-nm-dika grafeno sur SEBS-substrato (vidu Aldonajn Materialojn por detaloj). Laŭ la simuladaj rezultoj, kiam 20%-a streĉo estas aplikita al la SEBS-substrato ekstere, la meza streĉo en la grafeno estas ~6.6% (Fig. 4J kaj fig. S13D), kio kongruas kun eksperimentaj observoj (vidu fig. S13). Ni komparis la streĉon en la strukturizitaj grafeno- kaj substrato-regionoj uzante optikan mikroskopion kaj trovis, ke la streĉo en la substrato-regiono estas almenaŭ duoble pli granda ol la streĉo en la grafena regiono. Ĉi tio indikas, ke la streĉo aplikita sur grafenajn elektrodpadronojn povus esti signife limigita, formante grafenajn rigidajn insulojn sur SEBS (26, 43, 44).
Tial, la kapablo de MGG-elektrodoj konservi altan konduktivecon sub alta streĉo verŝajne estas ebligita per du ĉefaj mekanismoj: (i) La volvaĵoj povas transponti malkonektitajn regionojn por konservi konduktan perkoladan vojon, kaj (ii) la plurtavolaj grafenaj tavoloj/elastomero povas gliti unu super la alia, rezultante en reduktita streĉo sur grafenaj elektrodoj. Por pluraj tavoloj de translokigita grafeno sur elastomero, la tavoloj ne estas forte ligitaj unu kun la alia, kio povas gliti responde al streĉo (27). La volvaĵoj ankaŭ pliigis la malglatecon de la grafenaj tavoloj, kio povas helpi pliigi la apartigon inter grafenaj tavoloj kaj tial ebligi la glitadon de la grafenaj tavoloj.
Tute karbonaj aparatoj estas entuziasme serĉataj pro malalta kosto kaj alta trairo. En nia kazo, tute karbonaj transistoroj estis fabrikitaj uzante malsupran grafenan pordegon, supran grafenan fonto/drenilan kontakton, ordigitan CNT-duondukton, kaj SEBS kiel dielektriko (Fig. 5A). Kiel montrite en Fig. 5B, tute karbonaj aparatoj kun CNT-oj kiel fonto/drenilo kaj pordego (malsupra aparato) estas pli opaka ol la aparato kun grafenaj elektrodoj (supra aparato). Ĉi tio estas ĉar CNT-retoj postulas pli grandajn dikecojn kaj, sekve, pli malaltajn optikajn transmitancojn por atingi lamenajn rezistancojn similajn al tiuj de grafeno (fig. S4). Figuro 5 (C kaj D) montras reprezentajn transigajn kaj eligajn kurbojn antaŭ streĉo por transistoro farita per dutavolaj MGG-elektrodoj. La kanala larĝo kaj longo de la nestreĉita transistoro estis 800 kaj 100 μm, respektive. La mezurita ŝaltita/malŝaltita rilatumo estas pli granda ol 103 kun ŝaltitaj kaj malŝaltitaj kurentoj je la niveloj de 10⁻⁵ kaj 10⁻⁸ A, respektive. La elira kurbo montras idealajn linearajn kaj saturiĝajn reĝimojn kun klara pordeg-tensia dependeco, indikante idealan kontakton inter CNT-oj kaj grafenaj elektrodoj (45). La kontakta rezisto kun grafenaj elektrodoj estis observita kiel pli malalta ol tiu kun vaporigita Au-filmo (vidu fig. S14). La saturiĝa movebleco de la streĉebla transistoro estas ĉirkaŭ 5.6 cm²/Vs, simila al tiu de la samaj polimer-ordigitaj CNT-transistoroj sur rigidaj Si-substratoj kun 300-nm SiO₂ kiel dielektrika tavolo. Plia plibonigo de movebleco eblas per optimumigita tubdenseco kaj aliaj specoj de tuboj (46).
(A) Skemo de grafeno-bazita streĉebla transistoro. SWNT-oj, unu-muraj karbonaj nanotuboj. (B) Foto de la streĉeblaj transistoroj faritaj el grafeno-elektrodoj (supre) kaj CNT-elektrodoj (sube). La diferenco en travidebleco estas klare rimarkebla. (C kaj D) Transigaj kaj eligaj kurboj de la grafeno-bazita transistoro sur SEBS antaŭ streĉo. (E kaj F) Transigaj kurboj, ŝaltita kaj malŝaltita kurento, ŝaltita/malŝaltita rilatumo, kaj movebleco de la grafeno-bazita transistoro ĉe malsamaj streĉoj.
Kiam la travidebla, tute-karbona aparato estis streĉita en la direkto paralela al la ŝarga transportdirekto, minimuma degradiĝo estis observita ĝis 120% streĉo. Dum streĉado, la movebleco kontinue malpliiĝis de 5.6 cm²/Vs ĉe 0% streĉo ĝis 2.5 cm²/Vs ĉe 120% streĉo (Fig. 5F). Ni ankaŭ komparis la transistoran rendimenton por malsamaj kanallongoj (vidu tabelon S1). Rimarkinde, ĉe streĉo tiel granda kiel 10⁵%, ĉiuj ĉi tiuj transistoroj ankoraŭ montris altan ŝaltitan/malŝaltitan rilatumon (>10³) kaj moveblecon (>3 cm²/Vs). Krome, ni resumis ĉiujn lastatempajn laborojn pri tute-karbonaj transistoroj (vidu tabelon S2) (47–52). Optimumigante aparatfabrikadon sur elastomeroj kaj uzante MGG-ojn kiel kontaktojn, niaj tute-karbonaj transistoroj montras bonan rendimenton rilate al movebleco kaj histerezo, same kiel estante tre streĉeblaj.
Kiel aplikon de la tute travidebla kaj streĉebla transistoro, ni uzis ĝin por regi la ŝaltadon de LED-o (Fig. 6A). Kiel montrite en Fig. 6B, la verda LED videblas klare tra la streĉebla tute-karbona aparato metita rekte supre. Dum streĉado ĝis ~100% (Fig. 6, C kaj D), la lumintenseco de la LED ne ŝanĝiĝas, kio kongruas kun la supre priskribita transistora agado (vidu filmon S1). Ĉi tiu estas la unua raporto pri streĉeblaj kontrolaj unuoj faritaj uzante grafenajn elektrodojn, montrante novan eblecon por grafena streĉebla elektroniko.
(A) Cirkvito de transistoro por funkciigi LED-on. GND, tero. (B) Foto de la streĉebla kaj travidebla tute-karbona transistoro je 0%-a streĉo muntita super verda LED. (C) La tute-karbona travidebla kaj streĉebla transistoro uzata por ŝalti la LED-on estas muntita super la LED je 0% (maldekstre) kaj ~100%-a streĉo (dekstre). Blankaj sagoj montras la flavajn markilojn sur la aparato por montri la distancoŝanĝon dum la streĉiĝo. (D) Flanka vido de la streĉita transistoro, kun la LED puŝita en la elastomeron.
Konklude, ni evoluigis travideblan konduktivan grafenan strukturon, kiu konservas altan konduktivecon sub grandaj streĉoj kiel streĉeblaj elektrodoj, ebligitaj per grafenaj nanovolvaĵoj inter staplitaj grafenaj tavoloj. Ĉi tiuj du- kaj tritavolaj MGG-elektrodaj strukturoj sur elastomero povas konservi 21 kaj 65%, respektive, de siaj 0%-streĉaj konduktivecoj je streĉo ĝis 100%, kompare kun kompleta perdo de konduktiveco je 5%-streĉo por tipaj unutavolaj grafenaj elektrodoj. La aldonaj konduktivaj vojoj de grafenaj volvaĵoj same kiel la malforta interagado inter la translokigitaj tavoloj kontribuas al la supera konduktiveca stabileco sub streĉo. Ni plue aplikis ĉi tiun grafenan strukturon por fabriki tute-karbonajn streĉeblajn transistorojn. Ĝis nun, ĉi tiu estas la plej streĉebla grafeno-bazita transistoro kun la plej bona travidebleco sen uzi kolapson. Kvankam la nuna studo estis farita por ebligi grafenon por streĉebla elektroniko, ni kredas, ke ĉi tiu aliro povas esti etendita al aliaj 2D-materialoj por ebligi streĉeblan 2D-elektronikon.
Grand-area CVD-grafeno estis kreskigita sur suspenditaj kupraj tavoloj (99.999%; Alfa Aesar) sub konstanta premo de 0.5 mtor kun 50–SCCM (norma kuba centimetro por minuto) CH4 kaj 20–SCCM H2 kiel antaŭuloj je 1000°C. Ambaŭ flankoj de la kupra tavolo estis kovritaj per unutavola grafeno. Maldika tavolo de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) estis centrifugata sur unu flanko de la kupra tavolo, formante PMMA/G/kupra tavolo/G strukturon. Poste, la tuta tavolo estis trempita en 0.1 M amonia persulfata solvaĵo [(NH4)2S2O8] dum ĉirkaŭ 2 horoj por grati la kupra tavolon. Dum ĉi tiu procezo, la neprotektita malantaŭa tavolo de grafeno unue ŝiriĝis laŭ la grenlimoj kaj poste ruliĝis supren en volvaĵojn pro surfaca tensio. La volvaĵoj estis alkroĉitaj al la PMMA-subtenata supra grafena tavolo, formante PMMA/G/G volvaĵojn. La filmoj estis poste lavitaj en dejonigita akvo plurfoje kaj metitaj sur celan substraton, kiel ekzemple rigidan SiO2/Si aŭ plastan substraton. Tuj kiam la alkroĉita filmo sekiĝis sur la substrato, la specimeno estis sinsekve trempita en acetono, 1:1 acetono/IPA (izopropila alkoholo), kaj IPA dum ĉiu 30 sekundoj por forigi PMMA. La filmoj estis varmigitaj je 100°C dum 15 minutoj aŭ tenitaj en vakuo dumnokte por tute forigi la kaptitan akvon antaŭ ol alia tavolo de G/G-volvaĵo estis transdonita sur ĝin. Ĉi tiu paŝo celis eviti la dekroĉiĝon de la grafena filmo de la substrato kaj certigi plenan kovron de MGG-oj dum la liberigo de la PMMA-portanta tavolo.
La morfologio de la MGG-strukturo estis observita per optika mikroskopo (Leica) kaj skana elektrona mikroskopo (1 kV; FEI). Atomforta mikroskopo (Nanoscope III, Digital Instrument) estis funkciigita en frapeta reĝimo por observi la detalojn de la G-volvaĵoj. Filma travidebleco estis testita per ultraviola-videbla spektrometro (Agilent Cary 6000i). Por la testoj, kiam la streĉo estis laŭ la perpendikulara direkto de la kurentofluo, fotolitografio kaj O2-plasmo estis uzitaj por desegni grafenajn strukturojn en striojn (~300 μm larĝaj kaj ~2000 μm longaj), kaj Au (50 nm) elektrodoj estis termike deponitaj uzante ombromaskojn ĉe ambaŭ finoj de la longa flanko. La grafenaj strioj estis poste metitaj en kontakton kun SEBS-elastomero (~2 cm larĝa kaj ~5 cm longa), kun la longa akso de la strioj paralela al la mallonga flanko de SEBS, sekvata de BOE (bufrita oksida gravurado) (HF:H2O 1:6) gravurado kaj eŭtektika galiumo-indio (EGaIn) kiel elektraj kontaktoj. Por paralelaj streĉotestoj, nestrukturitaj grafenaj strukturoj (~5 × 10 mm) estis transdonitaj sur SEBS-substratojn, kun longaj aksoj paralelaj al la longa flanko de la SEBS-substrato. Ambaŭkaze, la tuta G (sen G-volvaĵoj)/SEBS estis etendita laŭlonge de la longa flanko de la elastomero per mana aparato, kaj surloke, ni mezuris iliajn rezistancoŝanĝojn sub streĉo sur sondstacio kun duonkonduktaĵa analizilo (Keithley 4200-SCS).
La tre streĉeblaj kaj travideblaj tute-karbonaj transistoroj sur elasta substrato estis fabrikitaj per la jenaj proceduroj por eviti difekton de la polimera dielektriko kaj substrato per organika solvilo. MGG-strukturoj estis transdonitaj sur SEBS kiel pordegaj elektrodoj. Por akiri unuforman maldikfilman polimeran dielektrikan tavolon (2 μm dikan), SEBS-toluena (80 mg/ml) solvaĵo estis centrifugata sur oktadeciltriklorosilano (OTS)-modifita SiO2/Si substrato je 1000 rpm dum 1 minuto. La maldika dielektrika filmo povas esti facile transdonita de la hidrofoba OTS-surfaco sur la SEBS-substraton kovritan per la preparita grafeno. Kondensatoro povus esti farita per deponado de likva-metala (EGaIn; Sigma-Aldrich) supra elektrodo por determini la kapacitancon kiel funkcion de streĉo uzante LCR-mezurilon (induktanco, kapacitanco, rezisto) (Agilent). La alia parto de la transistoro konsistis el polimer-ordigitaj duonkonduktaj CNT-oj, sekvante la procedurojn antaŭe raportitajn (53). La strukturizitaj fonto/drenilaj elektrodoj estis fabrikitaj sur rigidaj SiO2/Si substratoj. Poste, la du partoj, dielektriko/G/SEBS kaj CNT-oj/strukturizitaj G/SiO2/Si, estis lamenigitaj unu al la alia, kaj trempitaj en BOE por forigi la rigidan SiO2/Si substraton. Tiel, la tute travideblaj kaj streĉeblaj transistoroj estis fabrikitaj. La elektra testado sub streĉo estis farita per mana streĉa aranĝo kiel la supre menciita metodo.
Aldona materialo por ĉi tiu artikolo haveblas ĉe http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Optikaj mikroskopaj bildoj de unutavola MGG sur SiO2/Si substratoj je malsamaj pligrandigoj.
fig. S4. Komparo de du-sondaj tavolo-rezisto kaj transmitanco je 550 nm de unu-, du- kaj tritavola simpla grafeno (nigraj kvadratoj), MGG (ruĝaj cirkloj), kaj CNT-oj (blua triangulo).
fig. S7. Normaligita rezistancoŝanĝo de unu- kaj dutavolaj MGG-oj (nigra) kaj G (ruĝa) sub cikla ŝarĝo de ~1000 ĝis 40 kaj 90% paralela ŝarĝo, respektive.
fig. S10. SEM-bildo de tritavola MGG sur SEBS-elastomero post streĉo, montrante longan volvaĵan krucon super pluraj fendetoj.
fig. S12. AFM-bildo de tritavola MGG sur tre maldika SEBS-elastomero je 20%-a streĉo, montrante ke volvaĵo transiris fendeton.
tabelo S1. Moviĝebloj de dutavolaj MGG-unu-muritaj karbonnanotubaj transistoroj ĉe malsamaj kanallongoj antaŭ kaj post streĉo.
Ĉi tiu estas libere alirebla artikolo distribuita laŭ la kondiĉoj de la permesilo Krea Komunaĵo Atribuite-Nekomerce, kiu permesas uzon, distribuon kaj reproduktadon en iu ajn medio, kondiĉe ke la rezulta uzo ne estas por komerca avantaĝo kaj kondiĉe ke la originala verko estas konvene citita.
RIMARKO: Ni petas vian retpoŝtadreson nur por ke la persono, al kiu vi rekomendas la paĝon, sciu, ke vi volis, ke ili vidu ĝin, kaj ke ĝi ne estas rubpoŝto. Ni ne kaptas iun ajn retpoŝtadreson.
Ĉi tiu demando celas testi ĉu vi estas homa vizitanto kaj malhelpi aŭtomatajn spam-sendaĵojn.
De 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
De 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 Amerika Asocio por la Akcelo de Scienco. Ĉiuj rajtoj rezervitaj. AAAS estas partnero de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef kaj COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Afiŝtempo: 28-a de januaro 2021