Dudimensiaj materialoj, kiel ekzemple grafeno, estas allogaj por kaj konvenciaj semikonduktaĵaplikoj kaj naskiĝantaj aplikoj en fleksebla elektroniko.Tamen, la alta tirstreĉo-rezisto de grafeno rezultigas rompiĝon ĉe malalta streĉiĝo, igante ĝin malfacila utiligi ĝiajn eksterordinarajn elektronikajn trajtojn en streĉebla elektroniko.Por ebligi bonegan streĉiĝ-dependan agadon de travideblaj grafenaj konduktiloj, ni kreis grafenajn nanovolvaĵojn inter stakigitaj grafenaj tavoloj, nomataj plurtavolaj grafenaj/grafenaj ruliloj (MGG).Sub streĉo, kelkaj volvlibroj transpontis la fragmentajn domajnojn de grafeno por konservi perkolantan reton kiu ebligis bonegan konduktivecon ĉe altaj streĉoj.Tritavolaj MGGoj apogitaj sur elastomeroj retenis 65% de sia origina kondukteco ĉe 100% trostreĉiĝo, kio estas perpendikulara al la direkto de nuna fluo, dum tritavolaj filmoj de grafeno sen nanovolvaĵoj retenis nur 25% de sia komenca kondukteco.Streĉigebla tute-karbona transistoro fabrikita utiligante MGGojn kiel elektrodojn elmontris transmitance de >90% kaj retenis 60% de sia origina nuna produktado ĉe 120% trostreĉiĝo (paralela al la direkto de ŝargotransporto).Ĉi tiuj tre streĉeblaj kaj travideblaj tute-karbonaj transistoroj povus ebligi altnivelan streĉeblan optoelektronikon.
Streĉigebla travidebla elektroniko estas kreskanta kampo kiu havas gravajn aplikojn en progresintaj biointegraj sistemoj (1, 2) same kiel la eblecon integriĝi kun streĉebla optoelektroniko (3, 4) por produkti sofistikajn molajn robotikojn kaj ekranojn.Grafeno elmontras tre dezirindajn trajtojn de atomdikeco, altan travideblecon, kaj altan konduktivecon, sed ĝia efektivigo en streĉeblaj aplikoj estis malhelpita per sia emo fendetiĝi ĉe malgrandaj trostreĉoj.Venki la mekanikajn limojn de grafeno povus ebligi novan funkciecon en streĉeblaj travideblaj aparatoj.
La unikaj propraĵoj de grafeno igas ĝin forta kandidato por la venonta generacio de travideblaj konduktaj elektrodoj (5, 6).Kompare kun la plej ofte uzata travidebla konduktilo, india stana oksido [ITO;100 ohmoj/kvadrato (kv.) ĉe 90% travidebleco ], monotavola grafeno kreskigita per kemia vapordemetado (CVD) havas similan kombinaĵon de folirezisto (125 ohmoj/kv.) kaj travidebleco (97.4%) (5).Krome, grafenaj filmoj havas eksterordinaran flekseblecon kompare kun ITO (7).Ekzemple, sur plasta substrato, ĝia kondukteco povas esti retenita eĉ por fleksradiuso de kurbiĝo same malgranda kiel 0.8 mm (8).Por plue plibonigi ĝian elektran rendimenton kiel travidebla fleksebla konduktoro, antaŭaj laboroj evoluigis grafenajn hibridajn materialojn kun unudimensiaj (1D) arĝentaj nanodratoj aŭ karbonaj nanotuboj (CNT) (9–11).Krome, grafeno estis uzita kiel elektrodoj por miksitaj dimensiaj heterostrukturaj duonkonduktaĵoj (kiel ekzemple 2D groca Si, 1D nanodratoj/nanotuboj, kaj 0D kvantumpunktoj) (12), flekseblaj transistoroj, sunĉeloj, kaj lumelsendantaj diodoj (LED) (13) (13). –23).
Kvankam grafeno montris promesplenajn rezultojn por fleksebla elektroniko, ĝia apliko en streĉebla elektroniko estis limigita de ĝiaj mekanikaj propraĵoj (17, 24, 25);grafeno havas en-ebenan rigidecon de 340 N/m kaj la modulon de Young de 0.5 TPa ( 26).La forta karbon-karbona reto ne disponigas iujn ajn energiajn disipadmekanismojn por aplikata trostreĉiĝo kaj tial facile fendetiĝas je malpli ol 5% trostreĉiĝo.Ekzemple, CVD-grafeno translokigita sur elastan substraton de polidimetilsiloksano (PDMS) povas nur konservi sian konduktivecon je malpli ol 6% de streĉiĝo (8).Teoriaj kalkuloj montras, ke ĉifiĝo kaj interagado inter malsamaj tavoloj devas forte malpliigi la rigidecon (26).Stakigante grafenon en multoblajn tavolojn, oni raportas, ke ĉi tiu du- aŭ tritavola grafeno estas streĉebla ĝis 30% streĉiĝo, elmontrante rezistoŝanĝon 13 fojojn pli malgrandan ol tiu de monotavola grafeno (27).Tamen, ĉi tiu streĉebleco ankoraŭ estas signife malsupera al plej altnivelaj streĉeblaj konduktiloj (28, 29).
Transistoroj estas gravaj en streĉeblaj aplikoj ĉar ili ebligas altnivelan sensillegadon kaj signalanalizon (30, 31).Transistoroj sur PDMS kun plurtavola grafeno kiel fonto/drenadelektrodoj kaj kanalmaterialo povas konservi elektran funkcion ĝis 5% streĉo (32), kio estas Signife sub la minimuma postulata valoro (~50%) por porteblaj sanmonitoraj sensiloj kaj elektronika haŭto ( 33, 34).Lastatempe, grafena kirigami aliro estis esplorita, kaj la transistoro barita de likva elektrolito povas esti etendita ĝis 240% (35).Tamen, ĉi tiu metodo postulas interrompitan grafenon, kiu malfaciligas la fabrikadon.
Ĉi tie, ni atingas tre streĉeblajn grafenajn aparatojn per interkruciĝo de grafenaj rulaĵoj (~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 volvlibroj povus disponigi konduktajn vojojn por transponti fendojn en la grafenaj folioj, tiel konservante altan konduktivecon sub streĉo.La grafenaj volvlibroj ne postulas plian sintezon aŭ procezon;ili estas nature formitaj dum la malseka translokiga proceduro.Uzante plurtavolajn G/G (grafeno/grafeno) volvlibrojn (MGG) grafenajn streĉeblajn elektrodojn (fonto/drenilo kaj pordego) kaj duonkonduktajn CNT-ojn, ni povis montri tre travideblajn kaj tre streĉeblajn tute-karbonajn transistorojn, kiuj povas esti etenditaj ĝis 120. % streĉas (paralele al la direkto de ŝargotransporto) kaj retenas 60 % de sia origina nuna produktado.Ĉi tiu estas la plej streĉebla travidebla karbon-bazita transistoro ĝis nun, kaj ĝi disponigas sufiĉan kurenton por veturi neorganikan LED.
Por ebligi grandajn travideblajn streĉeblajn grafenelektrodojn, ni elektis CVD-kreskitan grafenon sur Cu-folio.La Cu-tavoleto estis suspendita en la centro de CVD-kvarctubo por permesi la kreskon de grafeno sur same flankoj, formante G/Cu/G strukturojn.Por translokigi grafenon, ni unue spin-tegis maldikan tavolon de poli(metilmetakrilato) (PMMA) por protekti unu flankon de la grafeno, kiun ni nomis supran grafenon (inverse por la alia flanko de la grafeno), kaj poste, la tuta filmo (PMMA/supra grafeno/Cu/malsupra grafeno) estis trempita en (NH4)2S2O8-solvo por gravuri for la Cu-folion.La malsupra-flanka grafeno sen la PMMA-tegaĵo neeviteble havos fendojn kaj difektojn, kiuj permesas al akvaforto trapenetri (36, 37).Kiel ilustrite en Fig. 1A, sub la efiko de surfaca streĉiĝo, la liberigitaj grafenaj domajnoj ruliĝis en volvlibrojn kaj poste alfiksitaj al la restanta supra-G/PMMA-filmo.La supra-G/G-volvlibroj povus esti transdonitaj sur ajnan substraton, kiel ekzemple SiO2/Si, vitro, aŭ mola polimero.Ripeti tiun transigan procezon plurajn fojojn sur la sama substrato donas MGG-strukturojn.
(A) Skema ilustraĵo de la fabrikada proceduro por MGGoj kiel streĉebla elektrodo.Dum la grafena translokigo, malantaŭa grafeno sur Cu folio estis rompita ĉe limoj kaj difektoj, kunvolvita en arbitrajn formojn, kaj firme alkroĉita al la supraj filmoj, formante nanovolvaĵojn.La kvara bildstrio prezentas la staplitan MGG-strukturon.(B kaj C) Alt-rezoluciaj TEM-karakterizadoj de monotavola MGG, koncentriĝante sur la monotavola grafeno (B) kaj la volvlibro (C) regiono, respektive.La enmetaĵo de (B) estas malalt-pligrandiga bildo montranta la totalan morfologion de monotavolaj MGGoj sur la TEM-krado.Enmetoj de (C) estas la intensecprofiloj prenitaj laŭ la rektangulaj skatoloj indikitaj en la bildo, kie la distancoj inter la atomaj aviadiloj estas 0,34 kaj 0,41 nm.(D ) Karbona K-rando EEL-spektro kun la karakterizaj grafitaj π* kaj σ* pintoj etikeditaj.(E) Sekcia AFM-bildo de monotavola G/G-volvlibroj kun altecprofilo laŭ la flava punktlinio.(F al I) Optika mikroskopio kaj AFM-bildoj de tritavolo G sen (F kaj H) kaj kun volvlibroj (G kaj I) sur 300-nm-dikaj SiO2/Si substratoj, respektive.Reprezentaj volvlibroj kaj sulkoj estis etikeditaj por reliefigi siajn diferencojn.
Por kontroli, ke la volvlibroj estas rulitaj grafeno en la naturo, ni faris alt-rezolucian dissendan elektronmikroskopion (TEM) kaj elektron-energian perdon (EEL) spektroskopiajn studojn pri la monotavolaj supro-G/G-volvlibrostrukturoj.Figuro 1B montras la sesangulan strukturon de monotavola grafeno, kaj la enmetita estas ĝenerala morfologio de la filmo kovrita sur ununura karbotruo de la TEM-krado.La monotavola grafeno ampleksas la plej grandan parton de la krado, kaj kelkaj grafenaj flokoj en la ĉeesto de multoblaj stakoj de sesangulaj ringoj aperas (Fig. 1B).Zomante en individuan rulaĵon (Fig. 1C), ni observis grandan kvanton da grafenaj kradaj franĝoj, kun la krada interspaco en la intervalo de 0,34 ĝis 0,41 nm.Tiuj mezuradoj indikas ke la flokoj estas hazarde kunvolvitaj kaj ne estas perfekta grafito, kiu havas kradinterspacigon de 0.34 nm en "ABAB" tavolstakado.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.Oni povas vidi, ke sp2-ligado dominas en ĉi tiu strukturo, kontrolante ke la volvlibroj estas tre grafikaj.
Optika mikroskopio kaj atomfortmikroskopio (AFM) bildoj disponigas sciojn pri la distribuado de grafenaj nanovolvaĵoj en la MGGoj (Fig. 1, E ĝis G, kaj figojn. S1 kaj S2).La volvlibroj estas hazarde distribuitaj sur la surfaco, kaj ilia en-ebena denseco pliiĝas proporcie al la nombro da stakitaj tavoloj.Multaj volvlibroj estas implikitaj en nodojn kaj elmontras neuniformajn altecojn 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 grafenoflokoj.Kiel montrite en Fig. 1 (H kaj I), la volvlibroj havas signife pli grandajn grandecojn ol la sulkoj, kondukante al multe pli malglata interfaco inter grafenaj tavoloj.
Por mezuri la elektrajn ecojn, ni desegnis grafenajn filmojn kun aŭ sen rulaj strukturoj kaj tavoligas stakiĝantajn en 300-μm-larĝajn kaj 2000-μm-longajn striojn uzante fotolitografion.Du-sondaj rezistoj kiel funkcio de trostreĉiĝo estis mezuritaj sub ĉirkaŭaj kondiĉoj.La ĉeesto de volvlibroj reduktis la resistivecon por monotavola grafeno je 80% kun nur 2.2% malkresko en la transmitance (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 MGGoj.Inter ĉiuj mono-, bi- kaj tritavola simpla grafeno kaj MGG-oj, la tritavola MGG havas la plej bonan konduktancon kun travidebleco de preskaŭ 90%.Por kompari kun aliaj fontoj de grafeno raportitaj en la literaturo, ni ankaŭ mezuris kvar-sondajn folirezistojn (fig. S5) kaj listigis ilin kiel funkcion de transmitance ĉe 550 nm (fig. S6) en Fig. 2A.MGG montras kompareblan aŭ pli altan konduktivecon kaj travideblecon ol artefarite stakigita plurtavola simpla grafeno kaj reduktita grafena rusto (RGO) (6, 8, 18).Notu, ke la tukaj rezistoj de artefarite staplita plurtavola simpla grafeno el literaturo estas iomete pli altaj ol tiu de nia MGG, verŝajne pro siaj neoptimumigitaj kreskkondiĉoj kaj transiga metodo.
(A) Kvar-sondaj foliorezistoj kontraŭ transmitance ĉe 550 nm por pluraj specoj de grafeno, kie nigraj kvadratoj indikas mono-, bi-, kaj tritavolajn MGG-ojn;ruĝaj cirkloj kaj bluaj trianguloj korespondas kun plurtavola simpla grafeno kreskigita sur Cu kaj Ni de la studoj de Li et al.(6) kaj Kim et al.(8), respektive, kaj poste translokigita sur SiO2/Si aŭ kvarco;kaj verdaj trianguloj estas valoroj por RGO je malsamaj reduktantaj gradoj de la studo de Bonaccorso et al.( 18).(B kaj C) Normaligita rezistŝanĝo de mono-, bi- kaj tritavola MGGoj kaj G kiel funkcio de perpendikulara (B) kaj paralela (C) trostreĉiĝo al la direkto de nuna fluo.(D) Normaligita rezista ŝanĝo de bitavolo G (ruĝa) kaj MGG (nigra) sub cikla streĉiĝo ŝarĝanta ĝis 50% perpendikulara streĉo.(E) Normaligita rezista ŝanĝo de tritavolo G (ruĝa) kaj MGG (nigra) sub cikla streĉiĝo ŝarĝanta ĝis 90% paralela streĉo.(F) Normaligita kapacitancŝanĝo de mono-, bi- kaj tritavola G kaj du- kaj tritavolaj MGG-oj kiel funkcio de trostreĉiĝo.La enmetaĵo estas la kondensila strukturo, kie la polimersubstrato estas SEBS kaj la polimera dielektrika tavolo estas la 2-μm-dika SEBS.
Por taksi la streĉiĝ-dependan agadon de la MGG, ni transdonis grafenon sur termoplastajn elastomer-stiren-etilen-butadien-stirenajn substratojn (SEBS) (~2 cm larĝaj kaj ~5 cm longa), kaj la kondukteco estis mezurita dum la substrato estis etendita. (vidu Materialoj kaj Metodoj) kaj perpendikulara kaj paralela al la direkto de la fluo (Fig. 2, B kaj C).La streĉiĝ-dependa elektra konduto pliboniĝis kun la aliĝo de nanovolvaĵoj kaj kreskantaj nombroj da grafenaj tavoloj.Ekzemple, kiam streĉiĝo estas perpendikulara al nuna fluo, por monotavola grafeno, la aldono de volvaĵoj pliigis la streĉiĝon ĉe elektra rompo de 5 ĝis 70%.La streĉa toleremo de la tritavola grafeno ankaŭ estas signife plibonigita kompare kun la monotavola grafeno.Kun nanovolvaĵoj, ĉe 100% perpendikulara streĉiĝo, la rezisto de la tritavola MGG-strukturo nur pliiĝis je 50%, kompare al 300% por tritavola grafeno sen ruloj.Rezistŝanĝo sub cikla trostreĉŝarĝo estis esplorita.Por komparo (Fig. 2D), la rezistoj de simpla dutavola grafena filmo pliiĝis ĉirkaŭ 7,5 fojojn post ~700 cikloj ĉe 50% perpendikulara streĉo kaj daŭre pliiĝis kun streĉo en ĉiu ciklo.Aliflanke, la rezisto de dutavola MGG nur pliiĝis proksimume 2.5 fojojn post 700 cikloj.Aplikante ĝis 90% streĉon laŭ la paralela direkto, la rezisto de tritavola grafeno pliiĝis ~100 fojojn post 1000 cikloj, dum ĝi estas nur ~8 fojojn en tritavola MGG (Fig. 2E).Biciklaj rezultoj estas montritaj en fig.S7.La relative pli rapida pliiĝo en rezisto laŭ la paralela streĉaddirekto estas ĉar la orientiĝo de fendetoj estas perpendikulara al la direkto de kurentfluo.La devio de rezisto dum ŝarĝado kaj malŝarĝo de streĉiĝo ŝuldiĝas al la viskoelasta reakiro de la elastomersubstrato de SEBS.La pli stabila rezisto de la MGG-strioj dum biciklado ŝuldiĝas al la ĉeesto de grandaj volvaĵoj, kiuj povas transponti la fendiĝintajn partojn de la grafeno (kiel observate de AFM), helpante konservi trafluan vojon.Ĉi tiu fenomeno de konservado de konduktiveco per perkola vojo estis raportita antaŭe por fendiĝintaj metalaj aŭ duonkonduktaj filmoj sur elastomersubstratoj (40, 41).
Por taksi ĉi tiujn grafen-bazitajn filmojn kiel pordegajn elektrodojn en streĉeblaj aparatoj, ni kovris la grafenan tavolon per SEBS-dielektrika tavolo (2 μm dika) kaj monitoris la dielektrikan kapacitancan ŝanĝon kiel funkcio de streĉiĝo (vidu Fig. 2F kaj la Suplementajn Materialojn por). detaloj).Ni observis, ke kapacitancoj kun simplaj monotavolaj kaj dutavolaj grafenelektrodoj rapide malpliiĝis pro la perdo de enebena kondukteco de grafeno.En kontrasto, kapacitancoj baritaj de MGG-oj same kiel simpla tritavola grafeno montris pliiĝon de kapacitanco kun trostreĉiĝo, kio estas atendita pro redukto de dielektrika dikeco kun trostreĉiĝo.La atendata pliiĝo en kapacitanco kongruis tre bone kun la MGG-strukturo (fig. S8).Tio indikas ke MGG estas taŭga kiel pordega elektrodo por streĉeblaj transistoroj.
Por plue esplori la rolon de la 1D-grafena rulaĵo pri la streĉa toleremo de elektra kondukteco kaj pli bone kontroli la apartigon inter grafenaj tavoloj, ni uzis ŝpruckovritajn CNT-ojn por anstataŭigi la grafenajn rulojn (vidu Suplementajn Materialojn).Por imiti MGG-strukturojn, ni deponis tri densecojn de CNToj (tio estas, CNT1
(A ĝis C) AFM-bildoj de tri malsamaj densecoj de CNToj (CNT1
Por pli 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 kolorkontrasto kaj SEM estas submetata al bildaj artefaktoj dum elektrona skanado kiam grafeno estas sur polimersubstratoj (fig. S9 kaj S10).Por observi surloke la grafenan surfacon sub streĉo, ni kolektis AFM-mezuradojn sur tritavolaj MGG-oj kaj simpla grafeno post translokado sur tre maldikaj (~0.1 mm dikaj) kaj elastaj SEBS-substratoj.Pro la internaj difektoj en CVD-grafeno kaj ekstera damaĝo dum la transiga procezo, fendetoj estas neeviteble generitaj sur la streĉita grafeno, kaj kun kreskanta streĉo, la fendoj fariĝis pli densaj (Fig. 4, A ĝis D).Depende de la stakstrukturo de la karbon-bazitaj elektrodoj, la fendoj elmontras malsamajn morfologiojn (fig. S11) (27).Fendeta areodenseco (difinita kiel fendeta areo/analizata areo) de plurtavola grafeno estas malpli ol tiu de monotavola grafeno post trostreĉiĝo, kio kongruas kun la pliiĝo en elektra kondukteco por MGGoj.Aliflanke, volvlibroj ofte estas observitaj transponti la fendetojn, disponigante kromajn konduktajn padojn en la streĉita filmo.Ekzemple, kiel etikedita en la bildo de Fig. 4B, larĝa skribrulaĵo krucis super fendo en la tritavola MGG, sed neniu rulaĵo estis observita en la simpla grafeno (Fig. 4, E ĝis H).Simile, CNT-oj ankaŭ transpontis la fendojn en grafeno (fig. S11).La kraka areodenseco, rula areodenseco kaj malglateco de la filmoj estas resumitaj en Fig. 4K.
(A al H) Surlokaj AFM-bildoj de tritavolaj G/G-volvlibroj (A al D) kaj tritavolaj G strukturoj (E al H) sur tre maldika SEBS (~0.1 mm dika) elastomero ĉe 0, 20, 60, kaj 100 % streĉo.Reprezentaj fendoj kaj volvlibroj estas pintaj per sagoj.Ĉiuj AFM-bildoj estas en areo de 15 μm × 15 μm, uzante la saman kolorskalon kiel etikeditan.(I) Simula geometrio de strukturitaj monotavolaj grafenelektrodoj sur la SEBS-substrato.(J) Simila konturomapo de la maksimuma ĉefa logaritma streĉo en la monotavola grafeno kaj la SEBS-substrato ĉe 20% ekstera streĉo.(K) Komparo de fenda areo denseco (ruĝa kolumno), rula areo denseco (flava kolumno), kaj surfaca malglateco (blua kolumno) por malsamaj grafenaj strukturoj.
Kiam la MGG-filmoj estas etenditaj, ekzistas grava kroma mekanismo, ke la volvlibroj povas transponti fendiĝintajn regionojn de grafeno, konservante perkolantan reton.La grafenaj volvlibroj estas promesplenaj ĉar ili povas longaj de dekoj da mikrometroj kaj tial kapablaj transponti fendojn, kiuj kutime estas ĝis mikrometra skalo.Krome, ĉar la volvlibroj konsistas el plurtavoloj de grafeno, ili estas atenditaj havi malaltan reziston.En komparo, relative densaj (pli malalta dissendo) CNT-retoj estas postulataj por disponigi kompareblan konduktan transpontan kapablon, ĉar CNToj estas pli malgrandaj (tipe kelkaj mikrometroj en longo) kaj malpli konduktaj ol volvlibroj.Aliflanke, kiel montrite en fig.S12, dum la grafeno fendetiĝas dum streĉado por alĝustigi streĉon, la volvlibroj ne fendetiĝas, indikante ke ĉi-lasta povus gliti sur la subesta grafeno.La kialo, ke ili ne fendetiĝas, estas verŝajne pro la kunvolvita strukturo, kunmetita de multaj tavoloj de grafeno (~1 ĝis 2 0 μm longaj, ~0,1 ĝis 1 μm larĝa, kaj ~10 ĝis 100 nm alta), kiu havas pli alta efika modulo ol la unutavola grafeno.Kiel raportite fare de Green kaj Hersam (42), metalaj CNT-retoj (tubdiametro de 1.0 nm) povas atingi malaltajn folirezistojn <100 ohmoj/kv malgraŭ la granda krucvojo-rezisto inter CNToj.Konsiderante, ke niaj grafenaj volvlibroj havas larĝojn de 0,1 ĝis 1 μm kaj ke la G/G-volvlibroj havas multe pli grandajn kontaktajn areojn ol CNT-oj, la kontakta rezisto kaj kontakta areo inter grafenaj kaj grafenaj volvlibroj ne devus esti limigaj faktoroj por konservi altan konduktivecon.
La grafeno havas multe pli altan modulon ol la SEBS-substrato.Kvankam la efika dikeco de la grafenelektrodo estas multe pli malalta ol tiu de la substrato, la rigideco de la grafeno foje ĝia dikeco estas komparebla al tiu de la substrato (43, 44), rezultigante moderan rigid-insulan efikon.Ni simulis la deformadon de 1-nm-dika grafeno sur SEBS-substrato (vidu Suplementajn Materialojn por detaloj).Laŭ la simuladrezultoj, kiam 20% streĉiĝo estas aplikata al la SEBS-substrato ekstere, la meza trostreĉiĝo en la grafeno estas ~6.6% (Fig. 4J kaj fig. S13D), kio kongruas kun eksperimentaj observoj (vidu fig. S13) .Ni komparis la streĉiĝon en la strukturitaj grafenaj kaj substrataj regionoj uzante optikan mikroskopion kaj trovis, ke la streĉiĝo en la substratregiono estas almenaŭ duoble la streĉiĝo en la grafena regiono.Ĉi tio indikas, ke la streĉiĝo aplikita al grafenaj elektrodaj ŝablonoj povus esti signife limigita, formante grafenajn rigidajn insulojn supre de SEBS (26, 43, 44).
Tial, la kapablo de MGG-elektrodoj konservi altan konduktivecon sub alta streĉiĝo estas verŝajne ebligita per du gravaj mekanismoj: (i) La volvlibroj povas transponti malkonektitajn regionojn por konservi konduktan perkoladvojon, kaj (ii) la plurtavolaj grafenotukoj/elastomero povas gliti. unu super la alia, rezultigante reduktitan streĉon sur grafenelektrodoj.Por multoblaj tavoloj de transigita grafeno sur elastomero, la tavoloj ne estas forte kunligitaj unu kun la alia, kio povas gliti responde al streĉiĝo (27).La rulaĵoj ankaŭ pliigis la malglatecon de la grafenaj tavoloj, kio povas helpi pliigi la apartigon inter grafenaj tavoloj kaj do ebligi la glitado de la grafenaj tavoloj.
Tute-karbonaj aparatoj estas entuziasme traktataj pro malalta kosto kaj alta rendimento.En nia kazo, tute-karbonaj transistoroj estis fabrikitaj uzante malsupran grafenan pordegon, supran grafenan fonton/drenan kontakton, ordigitan CNT-duonkonduktaĵon kaj SEBS kiel dielektrikon (Fig. 5A).Kiel montrite en Fig. 5B, tute-karbona aparato kun CNToj kiel la fonto/drenilo kaj pordego (malsupra aparato) estas pli maldiafana ol la aparato kun grafenelektrodoj (supra aparato).Ĉi tio estas ĉar CNT-retoj postulas pli grandajn dikecojn kaj, konsekvence, pli malaltajn optikajn transmisiojn por atingi folirezistojn similajn al tiu de grafeno (fig. S4).Figuro 5 (C kaj D) montras reprezentajn translokigajn kaj produktaĵkurbojn antaŭ streĉo por transistoro farita per bitavolaj MGG-elektrodoj.La kanallarĝo kaj longo de la nestreĉita transistoro estis 800 kaj 100 μm, respektive.La mezurita on/malŝaltita rilatumo estas pli granda ol 103 kun on kaj for fluoj sur la niveloj de 10−5 kaj 10−8 A, respektive.La produktadkurbo elmontras idealajn linearajn kaj saturajn reĝimojn kun klara pord-tensia dependeco, indikante idealan kontakton inter CNT-oj kaj grafenelektrodoj (45).La kontaktorezisto kun grafenelektrodoj estis observita esti pli malalta ol tiu kun vaporigita Au-filmo (vidu fig. S14).La saturiĝa moviĝeblo de la streĉebla transistoro estas proksimume 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 en movebleco eblas kun optimumigita tubdenseco kaj aliaj specoj de tuboj ( 46).
(A) Skemo de grafene-bazita streĉebla transistoro.SWNToj, unu-muritaj karbonaj nanotuboj.(B) Foto de la streĉeblaj transistoroj faritaj el grafenaj elektrodoj (supre) kaj CNT-elektrodoj (malsupre).La diferenco en travidebleco estas klare videbla.(C kaj D) Transiga kaj eligo-kurboj de la grafen-bazita transistoro sur SEBS antaŭ streĉo.(E kaj F) Transigaj kurboj, ŝaltita kaj forflua, ŝaltita/malŝaltita rilatumo, kaj moviĝeblo de la grafen-bazita transistoro ĉe malsamaj trostreĉoj.
Kiam la travidebla, tute-karbona aparato estis etendita en la direkto paralela al la ŝarga transportdirekto, minimuma degenero estis observita ĝis 120% trostreĉiĝo.Dum streĉado, la movebleco senĉese malpliiĝis de 5.6 cm2 / Vs ĉe 0% streĉiĝo al 2.5 cm2 / Vs ĉe 120% streĉiĝo (Fig. 5F).Ni ankaŭ komparis la transistoran rendimenton por malsamaj kanallongoj (vidu tabelon S1).Precipe, ĉe trostreĉiĝo same granda kiel 105%, ĉiuj tiuj transistoroj daŭre elmontris altan on/malŝaltan rilatumon (>103) kaj moviĝeblon (>3 cm2/Vs).Krome, ni resumis la tutan lastatempan laboron pri tute-karbonaj transistoroj (vidu tabelon S2) (47–52).Optimumigante aparato-fabrikadon sur elastomeroj kaj uzante MGG-ojn kiel kontaktojn, niaj tute-karbonaj transistoroj montras bonan rendimenton laŭ movebleco kaj histerezo same kiel tre streĉeblaj.
Kiel aplikaĵo de la plene travidebla kaj streĉebla transistoro, ni uzis ĝin por kontroli LED-ŝaltilon (Fig. 6A).Kiel montrite en Fig. 6B, la verda LED videblas klare tra la streĉebla tute-karbona aparato metita rekte supre.Dum etendiĝo al ~100% (Fig. 6, C kaj D), la LED-lumintenso ne ŝanĝiĝas, kio kongruas kun la transistora agado priskribita supre (vidu filmon S1).Ĉi tiu estas la unua raporto pri streĉeblaj kontrolunuoj faritaj per grafenelektrodoj, montrante novan eblecon por grafena streĉebla elektroniko.
(A) Cirkvito de transistoro por stiri LED.GND, grundo.(B) Foto de la streĉebla kaj travidebla tute-karbona transistoro ĉe 0% streĉo muntita super verda LED.(C) La tute karbona travidebla kaj streĉebla transistoro uzata por ŝanĝi la LED estas muntita super la LED ĉe 0% (maldekstre) kaj ~100% streĉiĝo (dekstre).Blankaj sagoj montras kiel la flavaj signoj sur la aparato por montri la distancŝanĝon etendita.(D) Flanka vido de la streĉita transistoro, kun la LED puŝita en la elastomero.
Konklude, ni evoluigis travideblan konduktan grafenan strukturon, kiu konservas altan konduktivecon sub grandaj streĉoj kiel streĉeblaj elektrodoj, ebligitaj per grafenaj nanovolvaĵoj inter staplikitaj grafenaj tavoloj.Ĉi tiuj du- kaj tritavolaj MGG-elektrodostrukturoj sur elastomero povas konservi 21 kaj 65%, respektive, de siaj 0% streĉaj konduktivecoj ĉe trostreĉiĝo same alta kiel 100%, kompare kun kompleta perdo de konduktiveco ĉe 5% trostreĉiĝo por tipaj monotavolaj grafenelektrodoj. .La kromaj konduktaj vojoj de grafenaj volvlibroj same kiel la malforta interago 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 transistoro bazita en grafeno kun la plej bona travidebleco sen uzado de klinado.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 Cu-folioj (99.999%; Alfa Aesar) sub konstanta premo de 0.5 mtorr kun 50-SCCM (norma kuba centimetro je minuto) CH4 kaj 20-SCCM H2 kiel antaŭuloj je 1000 °C.Ambaŭ flankoj de la Cu-tavoleto estis kovritaj per monotavola grafeno.Maldika tavolo de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) estis spin-tegita sur unu flanko de la Cu-tavoleto, formante PMMA/G/Cu-tavoleton/G strukturon.poste, la tuta filmo estis trempita en 0.1 M amonia persulfato [(NH4)2S2O8] solvo dum proksimume 2 horoj por gravuri for la Cu folio.Dum ĉi tiu procezo, la senprotekta malantaŭa grafeno unue ŝiris laŭ la grenlimoj kaj poste ruliĝis en volvlibrojn pro surfaca tensio.La volvlibroj estis alkroĉitaj al la supra grafena filmo subtenata de PMMA, formante PMMA/G/G-volvlibrojn.La filmoj poste estis lavitaj en dejonigita akvo plurajn fojojn kaj metitaj sur celsubstrato, kiel rigida SiO2/Si aŭ plasta substrato.Tuj kiam la fiksita filmo sekiĝis sur la substrato, la specimeno estis sinsekve trempita en acetono, 1:1 acetono/IPA (izopropila alkoholo), kaj IPA dum 30 s ĉiu por forigi PMMA.La filmoj estis varmigitaj je 100 °C dum 15 minutoj aŭ konservitaj en vakuo dum la nokto por tute forigi la kaptitan akvon antaŭ ol alia tavolo de G/G-volvlibro estis transdonita sur ĝin.Ĉi tiu paŝo estis eviti la malligon de grafena filmo de la substrato kaj certigi plenan priraportadon de MGG-oj dum la liberigo de PMMA portanta tavolo.
La morfologio de la MGG-strukturo estis observita uzante optikan mikroskopon (Leica) kaj skanan elektronan mikroskopon (1 kV; FEI).Atomfortmikroskopo (Nanoscope III, Digital Instrument) estis funkciigita en frapeta reĝimo por observi la detalojn de la G-volvlibroj.Filma travidebleco estis testita per ultraviola-videbla spektrometro (Agilent Cary 6000i).Por la testoj, kiam la trostreĉiĝo estis laŭ la perpendikulara direkto de nuna fluo, fotolitografio kaj O2-plasmo estis uzataj por aranĝi grafenajn strukturojn en striojn (~300 μm larĝaj kaj ~2000 μm longaj), kaj Au (50 nm) elektrodoj estis termike deponitaj uzante. ombromaskoj ĉe ambaŭ finoj de la longa flanko.La grafenaj strioj tiam estis metitaj en kontakto kun SEBS-elastomero (~2 cm larĝa kaj ~5 cm longa), kun la longa akso de la strioj paralela al la mallonga flanko de SEBS sekvita de BOE (bufrita oksida akvaforto) (HF:H2O). 1:6) akvaforto kaj eŭtektika galiumindio (EGaIn) kiel elektraj kontaktoj.Por paralelaj streĉaj provoj, senŝablonaj grafenaj strukturoj (~5 × 10 mm) estis transdonitaj sur SEBS-substratojn, kun longaj aksoj paralelaj al la longa flanko de la SEBS-substrato.Por ambaŭ kazoj, la tuta G (sen G-volvlibroj)/SEBS estis etendita laŭ la longa flanko de la elastomero en mana aparato, kaj surloke, ni mezuris iliajn rezistajn ŝanĝojn sub streĉo sur sondilo per duonkondukta analizilo (Keithley 4200). -SCS).
La tre streĉeblaj kaj travideblaj tute-karbonaj transistoroj sur elasta substrato estis fabrikitaj per la sekvaj proceduroj por eviti organikan solventan damaĝon de la polimerdielektriko kaj substrato.MGG-strukturoj estis transdonitaj sur SEBS kiel pordegelektrodoj.Por akiri unuforman maldikfilman polimeran dielektrikan tavolon (2 μm dika), SEBS-tolueno (80 mg/ml) solvo estis spin-tegita sur okdeciltriklorosilano (OTS) - modifita SiO2/Si substrato je 1000 rpm dum 1 min.La maldika dielektrika filmo povas esti facile translokigita de la hidrofoba OTS-surfaco sur la SEBS-substraton kovritan per la kiel preparita grafeno.Kondensilo povus esti farita deponante likvmetalan (EGaIn; Sigma-Aldrich) supran elektrodon por determini la kapacitancon kiel funkcio de trostreĉiĝo uzanta LCR (induktanco, kapacitanco, rezisto) mezurilon (Agilent).La alia parto de la transistoro konsistis el polimer-sortitaj duonkonduktaj CNT-oj, sekvante la procedurojn raportitajn antaŭe (53).La strukturitaj fonto/drenaj elektrodoj estis fabrikitaj sur rigidaj SiO2/Si-substratoj.Poste, la du partoj, dielektrikaj/G/SEBS kaj CNTs/ŝablona G/SiO2/Si, estis lamenigitaj unu al la alia, kaj trempitaj en BOE por forigi la rigidan SiO2/Si-substraton.Tiel, la plene travideblaj kaj streĉeblaj transistoroj estis fabrikitaj.La elektra testado sub streĉo estis farita sur mana streĉa aranĝo kiel la supre menciita metodo.
Suplementa materialo por ĉi tiu artikolo estas havebla ĉe http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig.S1.Optikaj mikroskopiobildoj de monotavola MGG sur SiO2/Si-substratoj ĉe malsamaj pligrandigoj.
fig.S4.Komparo de du-sondaj folirezistoj kaj transmitancoj @550 nm de mono-, bi- kaj tritavola simpla grafeno (nigraj kvadratoj), MGG (ruĝaj cirkloj), kaj CNToj (blua triangulo).
fig.S7.Normaligita rezista ŝanĝo de mono- kaj dutavolaj MGGoj (nigra) kaj G (ruĝa) sub ~1000 cikla trostreĉiĝo ŝarĝanta ĝis 40 kaj 90% paralela trostreĉiĝo, respektive.
fig.S10.SEM-bildo de tritavola MGG sur SEBS-elastomero post streĉo, montrante longan rulkrucon super pluraj fendoj.
fig.S12.AFM-bildo de tritavola MGG sur tre maldika SEBS-elastomero ĉe 20%-trostreĉiĝo, montrante ke volvlibro krucis super fendeto.
tabelo S1.Moveblecoj de dutavolaj MGG-unumuritaj karbonnanotubtransistoroj ĉe malsamaj kanallongoj antaŭ kaj post trostreĉiĝo.
Ĉi tio estas alirebla artikolo distribuita laŭ la kondiĉoj de la permesilo Krea Komunaĵo Atribuite-Nekomerca, kiu permesas uzon, distribuon kaj reproduktadon en ajna medio, kondiĉe ke la rezulta uzo ne estas por komerca avantaĝo kaj kondiĉe ke la originala verko estas ĝuste. citita.
NOTO: Ni nur petas vian retadreson 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 ajnan retadreson.
Ĉi tiu demando estas por provi ĉu aŭ ne vi estas homa vizitanto kaj por malhelpi aŭtomatigitajn spamojn.
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: Jan-28-2021