Ultratransparent an dehnbar Graphenelektroden

Zweedimensional Materialien, wéi Graphen, si souwuel fir konventionell Hallefleiterapplikatiounen ewéi och fir nei Uwendungen an der flexibler Elektronik attraktiv. Wéi och ëmmer, déi héich Zuchfestigkeit vum Graphen féiert zu Frakturéierung bei gerénger Dehnung, wat et schwéier mécht, seng aussergewéinlech elektronesch Eegeschaften an dehnbarer Elektronik auszenotzen. Fir eng exzellent dehnungsofhängeg Leeschtung vun transparenten Graphenleiter z'erméiglechen, hu mir Graphen-Nanoscrollen tëscht gestapelte Graphenschichten erstallt, déi als Multilayer-Graphen/Graphen-Scrollen (MGGs) bezeechent ginn. Ënner Dehnung hunn e puer Scrollen déi fragmentéiert Domänen vum Graphen iwwerbréckt, fir e perkoléierend Netzwierk z'erhalen, dat eng exzellent Konduktivitéit bei héije Dehnungen erméiglecht huet. Dräischichteg MGGs, déi op Elastomeren gedroe goufen, hunn 65% vun hirer ursprénglecher Konduktivitéit bei 100% Dehnung behalen, wat senkrecht zur Stroumrichtung ass, während Dräischichten-Filmer aus Graphen ouni Nanoscrollen nëmmen 25% vun hirer ufänglecher Konduktivitéit behalen hunn. En dehnbaren Vollkuelestofftransistor, deen mat MGGs als Elektroden hiergestallt gouf, huet eng Transmittanz vu méi wéi 90% gewisen an huet 60% vu sengem urspréngleche Stroum bei 120% Dehnung (parallel zur Richtung vum Ladungstransport) behalen. Dës héich dehnbar an transparent Vollkuelestofftransistoren kéinten eng sophistikéiert dehnbar Optoelektronik erméiglechen.
Dehnbar transparent Elektronik ass e wuessend Gebitt, dat wichteg Uwendungen an fortgeschrattene biointegréierte Systemer huet (1, 2), souwéi de Potenzial fir sech mat dehnbarer Optoelektronik (3, 4) z'integréieren, fir sophistikéiert mëll Robotik an Displays ze produzéieren. Graphen weist héich erwënscht Eegeschafte vun Atomdéckt, héijer Transparenz an héijer Konduktivitéit op, awer seng Ëmsetzung an dehnbaren Uwendungen gouf duerch seng Tendenz zu Rëss bei klenge Verspannungen behënnert. D'Iwwerwanne vun de mechanesche Grenzen vum Graphen kéint nei Funktionalitéiten an dehnbaren transparenten Apparater erméiglechen.
Déi eenzegaarteg Eegeschafte vu Graphen maachen et zu engem staarke Kandidat fir déi nächst Generatioun vun transparenten, leedende Elektroden (5, 6). Am Verglach mam meescht benotzten transparenten Leeder, Indium-Zinn-Oxid [ITO; 100 Ohm/Quadrat (sq) bei 90% Transparenz], huet Monolayer-Graphen, deen duerch chemesch Gasoflagerung (CVD) ugebaut gëtt, eng ähnlech Kombinatioun vu Schichtenwiderstand (125 Ohm/sq) an Transparenz (97,4%) (5). Zousätzlech hunn Graphenfilmer eng aussergewéinlech Flexibilitéit am Verglach mat ITO (7). Zum Beispill kann op engem Plastiksubstrat seng Leetfäegkeet och bei engem Biegeradius vun nëmmen 0,8 mm erhale bleiwen (8). Fir seng elektresch Leeschtung als transparenten, flexible Leeder weider ze verbesseren, goufen a fréiere Wierker Graphen-Hybridmaterialien mat eendimensionalen (1D) Sëlwer-Nanodréit oder Kuelestoffnanoröhrchen (CNTs) entwéckelt (9-11). Ausserdeem gouf Graphen als Elektroden fir gemëschtdimensional heterostrukturell Hallefleeder (wéi 2D Bulk Si, 1D Nanodréit/Nanoröhrchen an 0D Quantepunkten) (12), flexibel Transistoren, Solarzellen a Liichtemissiounsdioden (LEDs) (13–23) benotzt.
Obwuel Graphen villverspriechend Resultater fir flexibel Elektronik gewisen huet, ass seng Uwendung an dehnbarer Elektronik duerch seng mechanesch Eegeschafte limitéiert (17, 24, 25); Graphen huet eng In-Plane-Steifheet vun 340 N/m an e Young-Modul vun 0,5 TPa (26). Dat staarkt Kuelestoff-Kuelestoff-Netzwierk bitt keng Energieabsorptiounsmechanismen fir ugewandte Spannung a brécht dofir liicht bei manner wéi 5% Spannung. Zum Beispill kann CVD-Graphen, deen op en elastescht Polydimethylsiloxan (PDMS)-Substrat transferéiert gëtt, seng Konduktivitéit nëmmen bei manner wéi 6% Spannung behalen (8). Theoretesch Berechnungen weisen datt d'Zerknitterung an d'Zesummespill tëscht verschiddene Schichten d'Steifheet staark reduzéiere sollten (26). Duerch d'Stapelung vu Graphen a verschidde Schichten gëtt bericht, datt dëse Bi- oder Tri-Schichte-Graphen bis zu 30% Spannung dehnbar ass, an eng Widderstandsännerung weist, déi 13 Mol méi kleng ass wéi déi vum Mono-Schichte-Graphen (27). Dës Dehnbarkeet ass awer ëmmer nach däitlech mannerwäerteg wéi déi vun de modernste dehnbare Leiter (28, 29).
Transistoren si wichteg a streckbaren Uwendungen, well se eng sophistikéiert Sensorausliesung an Signalanalyse erméiglechen (30, 31). Transistoren op PDMS mat Méischichtegraphen als Source/Drain-Elektroden a Kanalmaterial kënnen eng elektresch Funktioun bis zu 5% Dehnung behalen (32), wat däitlech ënner dem minimal erfuerderleche Wäert (~50%) fir tragbar Gesondheetsmonitoren an elektronesch Haut läit (33, 34). Viru kuerzem gouf e Graphen-Kirigami-Usaz exploréiert, an den Transistor, deen vun engem flëssegen Elektrolyt gesteiert gëtt, kann bis zu 240% gestreckt ginn (35). Dës Method erfuerdert awer suspendéiert Graphen, wat de Fabrikatiounsprozess komplizéiert.
Hei erreechen mir héich dehnbar Graphen-Bauelementer andeems mir Graphen-Scrollen (~1 bis 20 μm laang, ~0,1 bis 1 μm breet an ~10 bis 100 nm héich) tëscht de Graphen-Schichten interkaléieren. Mir stellen d'Hypothes op, datt dës Graphen-Scrollen leetfäeg Weeër kéinte bidden, fir Rëss an de Graphen-Schichten ze iwwerbrécken, an doduerch eng héich Leetfäegkeet ënner Belaaschtung ze erhalen. D'Graphen-Scrollen brauchen keng zousätzlech Synthese oder Prozess; si gi vun Natur aus während dem Naasstransfer-Prozess geformt. Duerch d'Benotzung vu méischichtege G/G (Graphen/Graphen)-Scrollen (MGGs), Graphen-dehnbaren Elektroden (Source/Drain a Gate) an hallefleedende CNTs konnten mir héich transparent an héich dehnbar Kuelestoff-Transistoren demonstréieren, déi bis zu 120% Dehnung (parallel zur Richtung vum Ladungstransport) gestreckt kënne ginn a 60% vun hirem urspréngleche Stroumoutput behalen. Dëst ass deen dehnbarsten transparenten Kuelestoff-baséierten Transistor bis elo, an en liwwert genuch Stroum fir eng anorganesch LED unzedreiwen.
Fir groussflächeg transparent, dehnbar Graphenelektroden z'erméiglechen, hu mir CVD-gewuessent Graphen op Cu-Folie gewielt. D'Cu-Folie gouf an der Mëtt vun engem CVD-Quarzröhrchen opgehaangen, fir de Wuesstum vu Graphen op béide Säiten z'erméiglechen, wouduerch G/Cu/G-Strukturen entstane sinn. Fir Graphen ze transferéieren, hu mir als éischt eng dënn Schicht Poly(methylmethacrylat) (PMMA) spinbeschichtet, fir eng Säit vum Graphen ze schützen, wat mir Topside Graphen genannt hunn (ëmgedréit fir déi aner Säit vum Graphen), an duerno gouf de ganze Film (PMMA/Top Graphen/Cu/Bottom Graphen) an eng (NH4)2S2O8-Léisung gedränkt, fir d'Cu-Folie ewechzeätzen. De Graphen op der ënneschter Säit ouni d'PMMA-Beschichtung wäert onvermeidlech Rëss an Defekter hunn, déi et engem Ätzmëttel erlaben, duerchzedréngen (36, 37). Wéi an der Fig. 1A illustréiert, hunn sech déi fräigesate Graphen-Domänen ënner dem Afloss vun der Uewerflächespannung zu Rollen zesummegerullt an duerno un de verbleiwenen Top-G/PMMA-Film befestegt. Déi Top-G/G-Scrolls kéinten op all Substrat transferéiert ginn, wéi SiO2/Si, Glas oder mëllt Polymer. Wann dësen Transferprozess e puer Mol op datselwecht Substrat widderholl gëtt, ginn MGG-Strukturen ervirgeruff.
(A) Schematesch Duerstellung vun der Fabrikatiounsprozedur fir MGGs als dehnbar Elektrod. Wärend dem Graphentransfer gouf de Réckgraphen op Cu-Folie un de Grenzen an Defekter gebrach, a arbiträr Formen opgerullt a fest un déi iewescht Filmer befestegt, wouduerch Nanoscrollen entstane sinn. Déi véiert Zeechnung weist déi gestapelte MGG-Struktur. (B an C) Héichopléisend TEM-Charakteriséierunge vun engem Monolayer-MGG, mat Fokus op de Monolayer-Graphen (B) respektiv d'Scrollregioun (C). Den Asaz vun (B) ass e Bild mat gerénger Vergréisserung, dat déi allgemeng Morphologie vun de Monolayer-MGGs um TEM-Raster weist. D'Asätz vun (C) sinn d'Intensitéitsprofiler, déi laanscht déi rechteckeg Këschte geholl ginn, déi am Bild uginn sinn, wou d'Distanzen tëscht den Atomepläng 0,34 an 0,41 nm sinn. (D) Kuelestoff-K-Rand-EEL-Spektrum mat de charakteristesche graphitesche π*- a σ*-Peaken, déi markéiert sinn. (E) Schnëtt-AFM-Bild vu Monolayer-G/G-Scrollen mat engem Héichteprofil laanscht déi giel gepunktelt Linn. (F bis I) Optesch Mikroskopie an AFM-Biller vun Dräischichten G ouni (F an H) respektiv mat Scrollen (G an I) op 300 nm décke SiO2/Si-Substrater. Representativ Scrollen a Falten goufen markéiert fir hir Ënnerscheeder ervirzehiewen.
Fir ze verifizéieren, datt d'Scrollen vun Natur aus gewalztem Graphen bestinn, hu mir héichopléisend Transmissiounselektronemikroskopie (TEM) an Elektronenenergieverloscht (EEL) Spektroskopiestudien op de Monolayer Top-G/G Scrollstrukturen duerchgefouert. Figur 1B weist déi hexagonal Struktur vun engem Monolayer-Graphen, an den Asaz ass eng Gesamtmorphologie vum Film, deen op engem eenzege Kuelestofflach vum TEM-Raster bedeckt ass. De Monolayer-Graphen erstreckt sech iwwer de gréissten Deel vum Raster, an e puer Graphen-Flacken a Präsenz vu multiple Stapelen aus hexagonale Réng erschéngen (Fig. 1B). Beim Zoom op eng eenzel Scroll (Fig. 1C) hu mir eng grouss Quantitéit u Graphen-Gitterfrënn observéiert, mat engem Gitterofstand am Beräich vun 0,34 bis 0,41 nm. Dës Miessunge suggeréieren, datt d'Flacken zoufälleg opgerullt sinn a kee perfekte Graphit sinn, deen e Gitterofstand vun 0,34 nm an der "ABAB"-Schichtstapelung huet. Figur 1D weist den EEL-Spektrum vum K-Rand vum Kuelestoff, wou de Peak bei 285 eV vum π*-Orbital staamt an deen aneren bei ongeféier 290 eV op den Iwwergank vum σ*-Orbital zeréckzeféieren ass. Et ass ze gesinn, datt d'sp2-Bindung an dëser Struktur dominéiert, wat bestätegt, datt d'Scrolls staark graphitesch sinn.
Optesch Mikroskopie a Biller vun der Atomkraaftmikroskopie (AFM) ginn Abléck an d'Verdeelung vu Graphen-Nanoscrollen an den MGGs (Fig. 1, E bis G, a Fig. S1 an S2). D'Scrolls sinn zoufälleg iwwer d'Uewerfläch verdeelt, an hir Dicht an der Plang klëmmt proportional zu der Zuel vun de gestapelte Schichten. Vill Scrolls sinn a Kniet verwéckelt a weisen net-uniform Héichten am Beräich vun 10 bis 100 nm. Si sinn 1 bis 20 μm laang an 0,1 bis 1 μm breet, ofhängeg vun der Gréisst vun hiren urspréngleche Graphen-Flacken. Wéi an der Fig. 1 (H an I) gewisen, hunn d'Scrolls däitlech méi grouss Gréissten wéi d'Falten, wat zu enger vill méi rauer Grenzfläch tëscht de Graphen-Schichten féiert.
Fir déi elektresch Eegeschaften ze moossen, hu mir Graphenfilmer mat oder ouni Scrollstrukturen a Schichtstapelung a Sträife mat enger Breet vun 300 μm an enger Längt vun 2000 μm mat Hëllef vun der Photolithographie gemustert. Zwee-Sond-Widderstänn als Funktioun vun der Dehnung goufen ënner Ëmfeldbedingungen gemooss. D'Präsenz vu Scrollen huet de Widderstand fir Monolayer-Graphen ëm 80% reduzéiert, mat nëmmen enger Ofsenkung vun der Transmittanz vun 2,2% (Fig. S4). Dëst bestätegt, datt Nanoscrollen, déi eng héich Stroumdicht vu bis zu 5 × 107 A/cm2 hunn (38, 39), e ganz positiven elektresche Bäitrag zu den MGGs leeschten. Ënnert all de Mono-, Bi- an Dräischichteg-Einfache Graphen an MGGs huet den Dräischichteg-MGG déi bescht Konduktanz mat enger Transparenz vu bal 90%. Fir mat anere Quelle vu Graphen ze vergläichen, déi an der Literatur beschriwwe ginn, hu mir och d'Blatwiderstänn vu véier Sonden gemooss (Fig. S5) an se als Funktioun vun der Transmittanz bei 550 nm (Fig. S6) an der Fig. 2A opgezielt. MGG weist eng vergläichbar oder méi héich Konduktivitéit an Transparenz wéi künstlech gestapelte méischichtege einfache Graphen a reduzéiert Graphenoxid (RGO) (6, 8, 18). Et ass ze bemierken, datt d'Blatwiderstänn vu künstlech gestapelte méischichtege einfache Graphen aus der Literatur liicht méi héich sinn wéi déi vun eisem MGG, wahrscheinlech wéinst hiren net optiméierte Wuesstumsbedingungen an der Transfermethod.
(A) Véier-Sond-Blat-Widderstänn géint d'Transmittanz bei 550 nm fir verschidden Aarte vu Graphen, wou schwaarz Quadrater Mono-, Bi- an Dräischicht-MGGs bezeechnen; rout Kreesser a blo Dräiecker entspriechen Méischicht-Einfache-Graphen, dat op Cu an Ni aus de Studien vum Li et al. (6) a Kim et al. (8) ugebaut an duerno op SiO2/Si oder Quarz transferéiert gouf; a gréng Dräiecker sinn Wäerter fir RGO bei verschiddene Reduktiounsgraden aus der Studie vum Bonaccorso et al. (18). (B an C) Normaliséiert Widderstandsännerung vu Mono-, Bi- an Dräischicht-MGGs a G als Funktioun vun der vertikaler (B) an paralleler (C) Dehnung zur Richtung vum Stroumfloss. (D) Normaliséiert Widderstandsännerung vun der Duebelschicht G (rout) an MGG (schwaarz) ënner zyklischer Dehnungsbelaaschtung bis zu 50% vertikaler Dehnung. (E) Normaliséiert Widderstandsännerung vun der Dräischicht G (rout) an MGG (schwaarz) ënner zyklischer Dehnungsbelaaschtung bis zu 90% paralleler Dehnung. (F) Normaliséiert Kapazitéitsännerung vu Mono-, Bi- an Dräischicht-G a Bi- an Dräischicht-MGGs als Funktioun vun der Dehnung. Den Asaz ass d'Kondensatorstruktur, wou de Polymersubstrat SEBS an d'Polymerdielektrizitéitsschicht den 2 μm décke SEBS ass.
Fir d'Spannungsofhängeg Leeschtung vum MGG ze evaluéieren, hu mir Graphen op thermoplastesch Elastomer Styrol-Ethylen-Butadien-Styrol (SEBS) Substrater (~2 cm breet an ~5 cm laang) transferéiert, an d'Konduktivitéit gouf gemooss, wéi de Substrat souwuel senkrecht wéi och parallel zur Stroumrichtung gestreckt gouf (kuckt Materialien a Methoden) (Fig. 2, B an C). Dat spannungsofhängegt elektrescht Verhalen huet sech mat der Integratioun vun Nanoscrollen an enger ëmmer méi grousser Zuel vu Graphenschichten verbessert. Zum Beispill, wann d'Spannung senkrecht zum Stroumfloss ass, huet d'Zousätzlech vu Scrollen fir Monolayer-Graphen d'Spannung beim elektresche Broch vun 5 op 70% erhéicht. D'Spannungstoleranz vum Dräischicht-Graphen ass och däitlech verbessert am Verglach mam Monolayer-Graphen. Mat Nanoscrollen, bei 100% senkrechter Spannung, ass de Widderstand vun der Dräischicht-MGG-Struktur nëmmen ëm 50% eropgaang, am Verglach zu 300% fir Dräischicht-Graphen ouni Scrollen. D'Ännerung vum Widderstand ënner zyklischer Spannungsbelaaschtung gouf ënnersicht. Zum Verglach (Fig. 2D) sinn d'Widderstänn vun engem einfache Duebelschicht-Graphenfilm no ~700 Zyklen bei 50% senkrechter Dehnung ongeféier 7,5 Mol eropgaang an hunn mat der Dehnung an all Zyklus weider zougeholl. Op der anerer Säit ass de Widderstand vun engem Duebelschicht-MGG no ~700 Zyklen nëmmen ongeféier 2,5 Mol eropgaang. Wann bis zu 90% Dehnung laanscht déi parallel Richtung ugewannt gouf, ass de Widderstand vum Dräischicht-Graphen no 1000 Zyklen ongeféier 100 Mol eropgaang, während en an engem Dräischicht-MGG nëmmen ~8 Mol eropgaang ass (Fig. 2E). D'Zyklusresultater sinn an der Fig. S7 gewisen. Déi relativ méi séier Erhéijung vum Widderstand laanscht déi parallel Dehnungsrichtung ass well d'Orientéierung vun de Rëss senkrecht zu der Richtung vum Stroumfloss ass. D'Ofwäichung vum Widderstand während der Belaaschtung an der Entluedungsdehnung ass op d'viskoelastesch Erhuelung vum SEBS-Elastomersubstrat zréckzeféieren. De méi stabile Widderstand vun den MGG-Sträifen während dem Zyklus ass op d'Präsenz vu grousse Scrollen zréckzeféieren, déi d'gerëss Deeler vum Graphen iwwerbrécke kënnen (wéi vum AFM observéiert), wat hëlleft e Perkolatiounswee z'erhalen. Dëst Phänomen vun der Erhale vun der Konduktivitéit duerch e Perkolatiounswee gouf schonn emol fir gerëss Metall- oder Hallefleederfilmer op Elastomersubstrater beschriwwen (40, 41).
Fir dës Graphen-baséiert Filmer als Gate-Elektroden a dehnbare Bauelementer ze evaluéieren, hu mir d'Graphenschicht mat enger SEBS-dielektrescher Schicht (2 μm déck) bedeckt an d'Ännerung vun der dielektrescher Kapazitéit als Funktioun vun der Dehnung iwwerwaacht (kuckt Abb. 2F an d'Ergänzungsmaterialien fir Detailer). Mir hunn observéiert, datt d'Kapazitéite mat einfache Monolayer- a Bilayer-Graphenelektroden séier erofgaange sinn, wéinst dem Verloscht vun der In-Plane-Konduktivitéit vum Graphen. Am Géigesaz dozou hunn d'Kapazitéite, déi vu MGGs gegatet goufen, souwéi einfache Dräilaach-Graphen eng Erhéijung vun der Kapazitéit mat der Dehnung gewisen, wat wéinst der Reduktioun vun der dielektrescher Déckt mat der Dehnung erwaart gëtt. Déi erwaart Erhéijung vun der Kapazitéit huet ganz gutt mat der MGG-Struktur iwwereneestëmmt (Abb. S8). Dëst weist drop hin, datt MGG als Gate-Elektrode fir dehnbar Transistoren gëeegent ass.
Fir d'Roll vum 1D-Graphen-Scrollen op d'Dehnungstoleranz vun der elektrescher Leetfäegkeet weider z'ënnersichen an d'Trennung tëscht de Graphen-Schichten besser ze kontrolléieren, hu mir sprëtzbeschichtete CNTs benotzt fir d'Graphen-Scrollen z'ersetzen (kuckt Ergänzungsmaterialien). Fir MGG-Strukturen ze imitéieren, hu mir dräi Dicht vun CNTs ofgesat (d.h. CNT1
(A bis C) AFM-Biller vun dräi verschiddenen Dichten vun CNTs (CNT1
Fir hir Fäegkeet als Elektroden fir dehnbar Elektronik besser ze verstoen, hu mir systematesch d'Morphologien vun MGG a G-CNT-G ënner Belaaschtung ënnersicht. Optesch Mikroskopie a Rasterelektronemikroskopie (SEM) sinn keng effektiv Charakteriséierungsmethoden, well béid kee Faarfkontrast hunn an SEM beim Elektronescan ufälleg fir Bildartefakte ass, wann Graphen op Polymersubstrater ass (Fig. S9 an S10). Fir d'Graphenuewerfläch ënner Belaaschtung in situ ze observéieren, hu mir AFM-Miessungen op dräischichtege MGGs a einfachem Graphen gesammelt, nodeems se op ganz dënn (~0,1 mm déck) an elastesch SEBS-Substrater transferéiert goufen. Wéinst den intrinsesche Mängel am CVD-Graphen an den extrinsesche Schued während dem Transferprozess entstinn onvermeidlech Rëss um gespannte Graphen, a mat zouhuelender Belaaschtung sinn d'Rëss méi dicht ginn (Fig. 4, A bis D). Ofhängeg vun der Stapelstruktur vun den Kuelestoffbaséierten Elektroden weisen d'Rëss ënnerschiddlech Morphologien op (Fig. S11) (27). D'Rëssflächendicht (definéiert als Rëssfläch/analyséiert Fläch) vu Méischichtegraphen ass méi kleng wéi déi vu Monolayergraphen no der Dehnung, wat mat der Erhéijung vun der elektrescher Leetfäegkeet fir MGGs konsequent ass. Op der anerer Säit ginn dacks observéiert, datt Scrollen d'Rëss iwwerbrécken an zousätzlech leetfäeg Weeër am gespannte Film ubidden. Zum Beispill, wéi am Bild vun Abb. 4B gewisen, ass eng breet Scroll iwwer e Rëss am Dräischichte-MGG gaangen, awer keng Scroll gouf am einfache Graphen observéiert (Abb. 4, E bis H). Ähnlech hunn CNTs och d'Rëss am Graphen iwwerbréckt (Abb. S11). D'Rëssflächendicht, d'Scrollflächendicht an d'Rauheet vun de Filmer sinn an Abb. 4K zesummegefaasst.
(A bis H) In situ AFM-Biller vun Dräischicht-G/G-Scrollen (A bis D) an Dräischicht-G-Strukturen (E bis H) op engem ganz dënnen SEBS-Elastomer (~0,1 mm déck) bei 0, 20, 60 an 100 % Dehnung. Representativ Rëss a Scrollen sinn mat Pfeiler ugewisen. All AFM-Biller sinn an engem Beräich vun 15 μm × 15 μm, mat der selwechter Faarfskala wéi markéiert. (I) Simulatiounsgeometrie vu gemusterte Monolayer-Graphenelektroden um SEBS-Substrat. (J) Simulatiounskonturkaart vun der maximaler Haaptlogarithmescher Dehnung am Monolayer-Graphen an dem SEBS-Substrat bei 20 % externer Dehnung. (K) Verglach vun der Rëssflächendicht (rout Kolonn), Scrollflächendicht (giel Kolonn) an Uewerflächenrauheet (blo Kolonn) fir verschidde Graphenstrukturen.
Wann d'MGG-Filmer gestreckt ginn, gëtt et en zousätzleche wichtege Mechanismus, deen d'Scrolls duerch gebrach Regioune vum Graphen iwwerbrécke kënnen, wouduerch en duerchsiegend Netzwierk erhale bleift. D'Graphen-Scrolls si villverspriechend, well se Zénger vu Mikrometer laang kënne sinn an dofir fäeg sinn, Rëss ze iwwerbrécken, déi typescherweis bis zu enger Mikrometerskala sinn. Ausserdeem, well d'Scrolls aus Multischichten aus Graphen bestinn, gëtt erwaart, datt se e niddrege Widderstand hunn. Am Verglach sinn relativ dicht (méi niddreg Transmittanz) CNT-Netzwierker erfuerderlech, fir eng vergläichbar leetend Bréckungskapazitéit ze bidden, well CNTs méi kleng sinn (typesch e puer Mikrometer laang) a manner leetend wéi Scrolls. Op der anerer Säit, wéi an der Fig. S12 gewisen, wärend de Graphen beim Strecken brécht fir d'Spannung opzehuelen, bréchen d'Scrolls net, wat drop hiweist, datt dee Leschten um ënnerläitende Graphen rutsche kéint. De Grond, firwat se net räissen, läit wahrscheinlech un der zesummegerullter Struktur, déi aus ville Schichten Graphen besteet (~1 bis 20 μm laang, ~0,1 bis 1 μm breet an ~10 bis 100 nm héich), déi e méi héijen effektiven Modul hunn wéi de Graphen mat enger Schicht. Wéi vum Green an Hersam (42) bericht gouf, kënnen metallesch CNT-Netzwierker (Rohrdurchmesser vun 1,0 nm) niddreg Schichtwidderstänn vu <100 Ohm/Quadrat erreechen, trotz dem groussen Iwwergangswidderstand tëscht CNTs. Wann een bedenkt, datt eis Graphen-Scrollen eng Breet vun 0,1 bis 1 μm hunn an datt d'G/G-Scrollen vill méi grouss Kontaktflächen hunn wéi CNTs, sollten de Kontaktwidderstand an d'Kontaktfläch tëscht Graphen a Graphen-Scrollen keng limitéierend Faktoren sinn, fir eng héich Konduktivitéit z'erhalen.
De Graphen huet e vill méi héije Modul wéi de SEBS-Substrat. Obwuel déi effektiv Déckt vun der Graphenelektrode vill méi niddreg ass wéi déi vum Substrat, ass d'Steifheet vum Graphen multiplizéiert mat senger Déckt vergläichbar mat där vum Substrat (43, 44), wat zu engem mëttelméissege steife Inseleffekt féiert. Mir hunn d'Deformatioun vun engem 1 nm décke Graphen op engem SEBS-Substrat simuléiert (kuckt d'Ergänzungsmaterialien fir Detailer). No de Simulatiounsresultater ass déi duerchschnëttlech Dehnung am Graphen ~6,6%, wann 20% Dehnung extern op de SEBS-Substrat ugewannt gëtt (Fig. 4J an Fig. S13D), wat mat experimentellen Observatioune konsequent ass (kuckt Fig. S13). Mir hunn d'Dehnung an de gemusterte Graphen- a Substratregiounen mat Hëllef vun optescher Mikroskopie verglach a festgestallt, datt d'Dehnung an der Substratregioun op d'mannst duebel sou héich ass wéi d'Dehnung an der Graphenregioun. Dëst weist drop hin, datt d'Dehnung, déi op d'Graphenelektrodemuster ugewannt gëtt, däitlech ageschränkt ka ginn, wouduerch steif Grapheninselen uewen op SEBS entstinn (26, 43, 44).
Dofir gëtt d'Fäegkeet vun MGG-Elektroden, eng héich Konduktivitéit ënner héijer Belaaschtung ze halen, wahrscheinlech duerch zwou Haaptmechanismen erméiglecht: (i) D'Scrolls kënnen net-verbonne Regiounen iwwerbrécken, fir e konduktiven Perkolatiounswee z'erhalen, an (ii) d'Multi-Schichten-Graphen-Schichten/Elastomer kënnen iwwereneen rutschen, wat zu enger reduzéierter Belaaschtung vun de Graphenelektroden féiert. Bei méi Schichten aus transferéiertem Graphen op Elastomer sinn d'Schichten net staark mateneen verbonnen, wat als Reaktioun op d'Belaaschtung rutsche kann (27). D'Scrolls hunn och d'Rauheet vun de Graphen-Schichten erhéicht, wat hëllefe kann, d'Trennung tëscht de Graphen-Schichten ze erhéijen an doduerch d'Rutschen vun de Graphen-Schichten z'erméiglechen.
Kuelestoffbaséiert Apparater gi mat Begeeschterung verfollegt wéinst hirem niddrege Käschten an héijem Duerchgank. An eisem Fall goufen Kuelestofftransistoren mat engem ënneschten Graphen-Gate, engem ieweschten Graphen-Source/Drain-Kontakt, engem sortéierte CNT-Hallefleeder a SEBS als Dielektrikum hiergestallt (Fig. 5A). Wéi an der Fig. 5B gewisen, ass en Kuelestoffbaséierten Apparat mat CNTs als Source/Drain a Gate (ënnescht Apparat) méi opak wéi den Apparat mat Graphenelektroden (iewescht Apparat). Dëst läit dorun, datt CNT-Netzwierker méi grouss Déckt a folglech méi niddreg optesch Transmittanzen erfuerderen, fir Schichtwidderstänn z'erreechen, déi ähnlech wéi déi vum Graphen sinn (Fig. S4). Figur 5 (C an D) weist representativ Transfer- a Ausgabkurven virun der Dehnung fir en Transistor, deen aus Duebelschicht-MGG-Elektroden hiergestallt gouf. D'Kanalbreet an d'Längt vum ongespannten Transistor waren 800 respektiv 100 μm. Dat gemoossent On/Off-Verhältnis ass méi grouss wéi 103 mat On- an Off-Stréim op den Niveauen vun 10−5 respektiv 10−8 A. D'Ausgangskurve weist ideal linear a Sättigungsregime mat enger kloerer Gate-Spannungsabhängegkeet, wat op en ideale Kontakt tëscht CNTs an Graphenelektroden hiweist (45). De Kontaktwidderstand mat Graphenelektroden gouf als méi niddreg observéiert wéi dee mat engem verdampfte Au-Film (kuckt Fig. S14). D'Sättigungsmobilitéit vum dehnbaren Transistor ass ongeféier 5,6 cm2/Vs, ähnlech wéi déi vun deene selwechte Polymer-sortéierte CNT-Transistoren op steife Si-Substrater mat 300-nm SiO2 als dielektresch Schicht. Eng weider Verbesserung vun der Mobilitéit ass méiglech mat optiméierter Réierdicht an aneren Zorte vu Réier (46).
(A) Schema vun engem dehnbaren Transistor op Graphenbasis. SWNTs, einfachwandeg Kuelestoffnanoröhrchen. (B) Foto vun den dehnbaren Transistoren aus Graphenelektroden (uewen) an CNT-Elektroden (ënnen). Den Ënnerscheed an der Transparenz ass kloer bemierkbar. (C an D) Transfer- an Ausgangskurven vum Graphenelektroden op SEBS virun der Dehnung. (E an F) Transferkurven, On- an Off-Stroum, On/Off-Verhältnis a Mobilitéit vum Graphenelektroden bei verschiddene Dehnungen.
Wéi den transparenten, ganz aus Kuelestoffmaterial ausgestatteten Apparat parallel zur Ladungstransportrichtung gestreckt gouf, gouf eng minimal Degradatioun bis zu 120% Dehnung observéiert. Wärend der Streckung ass d'Mobilitéit kontinuéierlech vun 5,6 cm2/Vs bei 0% Dehnung op 2,5 cm2/Vs bei 120% Dehnung erofgaang (Fig. 5F). Mir hunn och d'Transistorleistung fir verschidde Kanallängten verglach (kuckt Tabelle S1). Bemierkenswäert ass, datt bei enger Dehnung vu bis zu 105% all dës Transistoren ëmmer nach en héijen On/Off-Verhältnis (>103) a Mobilitéit (>3 cm2/Vs) gewisen hunn. Zousätzlech hu mir all déi rezent Aarbechten iwwer ganz aus Kuelestoffmaterial ausgestatteten Transistoren zesummegefaasst (kuckt Tabelle S2) (47–52). Duerch d'Optimiséierung vun der Fabrikatioun vun Apparater op Elastomeren an d'Benotzung vu MGGs als Kontakter weisen eis ganz aus Kuelestoffmaterial ausstatteten Transistoren eng gutt Leeschtung a punkto Mobilitéit an Hysterese, souwéi si si héich dehnbar.
Als Uwendung vum voll transparenten an dehnbaren Transistor hu mir en benotzt fir d'Schalten vun enger LED ze steieren (Fig. 6A). Wéi an der Fig. 6B gewisen, kann déi gréng LED kloer duerch den dehnbaren Kuelestoff-Apparat gesi ginn, deen direkt driwwer placéiert ass. Wärend der Dehnung bis ~100% (Fig. 6, C an D) ännert sech d'LED-Liichtintensitéit net, wat mat der uewe beschriwwener Transistorleistung iwwereneestëmmt (kuckt de Film S1). Dëst ass den éischte Bericht iwwer dehnbar Steierunitéiten, déi mat Graphenelektroden hiergestallt goufen, wat eng nei Méiglechkeet fir Graphen-dehnbar Elektronik demonstréiert.
(A) Circuit vun engem Transistor fir d'LED unzedreiwen. GND, Masse. (B) Foto vum dehnbaren an transparenten Kuelestofftransistor bei 0% Dehnung, deen iwwer enger grénger LED montéiert ass. (C) Den transparenten an dehnbaren Kuelestofftransistor, deen benotzt gëtt fir d'LED ze schalten, gëtt iwwer der LED bei 0% (lénks) an ~100% Dehnung (riets) montéiert. Wäiss Pfeile weisen als giel Markéierungen um Apparat fir d'Distanzännerung beim Dehnen ze weisen. (D) Säitenansicht vum gestreckten Transistor, mat der LED an den Elastomer gedréckt.
Schlussendlech hu mir eng transparent, leetfäeg Graphenstruktur entwéckelt, déi eng héich Leetfäegkeet ënner groussen Dehnungen als dehnbar Elektroden behält, méiglech gemaach duerch Graphen-Nanoscrollen tëscht gestapelte Graphenschichten. Dës Zwei- an Dräischichteg-MGG-Elektrodenstrukturen op engem Elastomer kënnen 21 respektiv 65% vun hirer 0% Dehnungsleetfäegkeet bei enger Dehnung vu bis zu 100% behalen, am Verglach mat engem komplette Verloscht vun der Leetfäegkeet bei 5% Dehnung fir typesch Monolayer-Graphenelektroden. Déi zousätzlech leetfäeg Weeër vu Graphen-Scrollen, souwéi déi schwaach Interaktioun tëscht den transferéierte Schichten, droen zu der iwwerleeëner Leetfäegkeetsstabilitéit ënner Dehnung bäi. Mir hunn dës Graphenstruktur weider ugewannt fir Vollkuelestoff-dehnbar Transistoren ze fabrizéieren. Bis elo ass dëst den dehnbarsten Graphen-baséierten Transistor mat der beschter Transparenz ouni Knicklung. Och wann déi aktuell Studie duerchgefouert gouf fir Graphen fir dehnbar Elektronik z'erméiglechen, gleewen mir, datt dësen Usaz op aner 2D-Materialien erweidert ka ginn, fir dehnbar 2D-Elektronik z'erméiglechen.
Groussflächeg CVD-Graphen gouf op suspendéierte Cu-Folien (99,999%; Alfa Aesar) ënner engem konstante Drock vun 0,5 mtorr mat 50–SCCM (Standard Kubikzentimeter pro Minutt) CH4 an 20–SCCM H2 als Virleefer bei 1000°C ugebaut. Béid Säite vun der Cu-Folie goufen mat Monolayer-Graphen bedeckt. Eng dënn Schicht PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) gouf op enger Säit vun der Cu-Folie spin-beschichtet, wouduerch eng PMMA/G/Cu-Folie/G-Struktur entstanen ass. Duerno gouf de ganze Film ongeféier 2 Stonnen an enger 0,1 M Ammoniumpersulfat-[(NH4)2S2O8]-Léisung gedränkt, fir d'Cu-Folie ewechzeätzen. Wärend dësem Prozess ass de Graphen ouni Schutz op der Récksäit fir d'éischt laanscht d'Käregrenzen gerappt an dann wéinst der Uewerflächespannung zu Scrollen opgerullt. D'Scrollen goufen op de PMMA-ënnerstëtzte ieweschte Graphenfilm befestegt, wouduerch PMMA/G/G-Scrollen entstane sinn. D'Filmer goufen duerno e puermol an deioniséiertem Waasser gewäsch an op en Zilsubstrat, wéi zum Beispill engem steife SiO2/Si oder Plastiksubstrat, geluecht. Soubal de befestegte Film um Substrat gedréchent war, gouf d'Prouf hannereneen an Aceton, 1:1 Aceton/IPA (Isopropylalkohol) an IPA fir all 30 Sekonnen ageweit, fir PMMA ze entfernen. D'Filmer goufen 15 Minutte laang bei 100°C erhëtzt oder iwwer Nuecht am Vakuum gehale, fir dat agefaangent Waasser komplett ze entfernen, ier eng weider Schicht G/G-Scroll drop transferéiert gouf. Dëse Schrëtt war geduecht fir d'Ofléisung vum Graphenfilm vum Substrat ze vermeiden an eng voll Ofdeckung vun den MGGs während der Fräisetzung vun der PMMA-Trägerschicht ze garantéieren.
D'Morphologie vun der MGG-Struktur gouf mat engem optesche Mikroskop (Leica) an engem Rasterelektronemikroskop (1 kV; FEI) observéiert. En Atomkraaftmikroskop (Nanoscope III, Digital Instrument) gouf am Tapping-Modus bedriwwen, fir d'Detailer vun de G-Scrollen ze observéieren. D'Filmtransparenz gouf mat engem ultraviolett-sichtbare Spektrometer (Agilent Cary 6000i) getest. Fir d'Tester, wou d'Dehnung laanscht d'senkrecht Richtung vum Stroumfluss war, goufen Photolithographie an O2-Plasma benotzt, fir Graphenstrukturen a Sträifen (~300 μm breet an ~2000 μm laang) ze musteren, an Au (50 nm) Elektroden goufen thermesch mat Schiedmasken op béide Enden vun der laanger Säit ofgesat. D'Graphensträife goufen dann a Kontakt mat engem SEBS-Elastomer (~2 cm breet an ~5 cm laang) bruecht, mat der laanger Achs vun de Sträifen parallel zur kuerzer Säit vum SEBS, gefollegt vun BOE (gepufferten Oxidätz) (HF:H2O 1:6) Ätzen an eutekteschem Galliumindium (EGaIn) als elektresch Kontakter. Fir parallel Dehnungstester goufen ongemustert Graphenstrukturen (~5 × 10 mm) op SEBS-Substrater transferéiert, mat laangen Achsen parallel zu der laanger Säit vum SEBS-Substrat. An deenen zwou Fäll gouf de ganze G (ouni G-Scrollen)/SEBS laanscht déi laang Säit vum Elastomer an engem manuellen Apparat gestreckt, an in situ hu mir hir Widderstandsännerungen ënner Dehnung op enger Sondestatioun mat engem Hallefleederanalysator (Keithley 4200-SCS) gemooss.
Déi héich dehnbar an transparent Kuelestofftransistoren op engem elastesche Substrat goufen no de folgende Prozedure fabrizéiert, fir Schied un der Polymerdielektrikum an dem Substrat duerch organescht Léisungsmëttel ze vermeiden. MGG-Strukturen goufen op SEBS als Gate-Elektroden transferéiert. Fir eng eenheetlech Dënnfilm-Polymerdielektrikumschicht (2 μm déck) ze kréien, gouf eng SEBS-Toluol-Léisung (80 mg/ml) op engem Octadecyltrichlorsilan (OTS)-modifizéierten SiO2/Si-Substrat bei 1000 rpm fir 1 Minutt spinbeschichtet. Den dënnen dielektresche Film kann einfach vun der hydrophober OTS-Uewerfläch op de SEBS-Substrat transferéiert ginn, deen mam virbereete Graphen bedeckt ass. E Kondensator kéint hiergestallt ginn, andeems eng flësseg-Metall-(EGaIn; Sigma-Aldrich) iewescht Elektrode ofgesat gëtt, fir d'Kapazitéit als Funktioun vun der Dehnung mat engem LCR-Meter (Induktivitéit, Kapazitéit, Widderstand) (Agilent) ze bestëmmen. Den aneren Deel vum Transistor bestoung aus Polymer-sortéierten Hallefleitenden-CNTs, no de Prozeduren, déi virdru beschriwwe goufen (53). Déi gemustert Source/Drain-Elektroden goufen op steife SiO2/Si-Substrater fabrizéiert. Duerno goufen déi zwee Deeler, dielektresch/G/SEBS an CNTs/gemustert G/SiO2/Si, uneneen laminéiert an a BOE gedränkt fir dat steift SiO2/Si-Substrat ze entfernen. Sou goufen déi voll transparent an dehnbar Transistoren fabrizéiert. Den elektreschen Test ënner Belaaschtung gouf op engem manuelle Dehnungsopbau wéi déi uewe genannte Method duerchgefouert.
Zousätzlech Material fir dësen Artikel ass verfügbar op http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Abb. S1. Optesch Mikroskopiebiller vu Monolayer-MGG op SiO2/Si-Substrater bei verschiddene Vergréisserungen.
Abb. S4. Vergläich vun den Widderstänn an den Transmittanzen vun zwou Sonden-Schichten bei 550 nm vu Mono-, Bi- an Dräischichteg-Einfache Graphen (schwaarz Quadraten), MGG (rout Kreesser) an CNTs (bloen Dräieck).
Fig. S7. Normaliséiert Widderstandsännerung vu Mono- a Bilayer-MGGs (schwaarz) a G (rout) ënner ~1000 zyklischer Dehnungsbelaaschtung bis zu 40 respektiv 90% paralleler Dehnung.
Abb. S10. SEM-Bild vun dräischichteger MGG op SEBS-Elastomer no der Dehnung, dat e laange Kräiz iwwer verschidde Rëss weist.
Fig. S12. AFM-Bild vun dräischichteger MGG op ganz dënnem SEBS-Elastomer bei 20% Dehnung, dat weist, datt eng Schrout iwwer e Rëss gaangen ass.
Tabelle S1. Mobilitéite vun Duebelschicht-MGG – Eenzelwandige Kuelestoff-Nanoröhrchen-Transistoren bei verschiddene Kanallängten virun an no der Dehnung.
Dëst ass en Open-Access-Artikel, deen ënner de Bedéngunge vun der Creative Commons Attribution-NonCommercial Lizenz verdeelt gëtt, déi d'Benotzung, d'Verdeelung an d'Reproduktioun an all Medium erlaabt, soulaang déi resultéierend Benotzung net fir kommerzielle Virdeel ass a virausgesat datt d'Originalwierk korrekt zitéiert gëtt.
NOTÉIERT: Mir froen nëmmen no Ärer E-Mailadress, fir datt déi Persoun, där Dir d'Säit recommandéiert, weess, datt Dir wëllt, datt si se gesäit, an datt et keng Junkmail ass. Mir erfassen keng E-Mailadress.
Dës Fro ass fir ze testen, ob Dir e mënschleche Besucher sidd oder net, an fir automatiséiert Spam-Beiträg ze verhënneren.
Vum 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
Vum 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 American Association for the Advancement of Science. All Rechter reservéiert. AAAS ass e Partner vun HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef a COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.