Grafen kabi ikki o'lchovli materiallar an'anaviy yarimo'tkazgichlar uchun ham, moslashuvchan elektronikada yangi qo'llanilishlar uchun ham jozibadordir. Biroq, grafenning yuqori cho'zilish kuchi past kuchlanishda sinishlarga olib keladi, bu esa cho'ziluvchan elektronikada uning ajoyib elektron xususiyatlaridan foydalanishni qiyinlashtiradi. Shaffof grafen o'tkazgichlarining zo'riqishlarga bog'liq holda ajoyib ishlashini ta'minlash uchun biz ko'p qatlamli grafen/grafen o'ramlari (MGG) deb ataladigan grafen qatlamlari orasida grafen nanosirkalarini yaratdik. Zo'riqish ostida ba'zi o'ramlar grafenning parchalangan domenlarini ko'prik qilib, yuqori zo'riqishlarda ajoyib o'tkazuvchanlikni ta'minlaydigan perkolatlovchi tarmoqni saqlab qoldi. Elastomerlarga asoslangan uch qatlamli MGGlar 100% zo'riqishda asl o'tkazuvchanligining 65% ni saqlab qoldi, bu esa oqim oqimi yo'nalishiga perpendikulyar, nano-o'ramlarsiz grafenning uch qatlamli plyonkalari esa boshlang'ich o'tkazuvchanligining atigi 25% ni saqlab qoldi. MGG'lardan elektrod sifatida foydalanib ishlab chiqarilgan cho'ziluvchan to'liq uglerodli tranzistor >90% o'tkazuvchanlikni namoyish etdi va asl tok chiqishining 60% ni 120% kuchlanishda (zaryad uzatish yo'nalishiga parallel) saqlab qoldi. Bu yuqori darajada cho'ziluvchan va shaffof to'liq uglerodli tranzistorlar murakkab cho'ziluvchan optoelektronikani yaratishga imkon berishi mumkin.
Cho'ziluvchan shaffof elektronika rivojlanayotgan soha bo'lib, u ilg'or biointegratsiyalashgan tizimlarda muhim qo'llanilishga ega (1, 2), shuningdek, murakkab yumshoq robototexnika va displeylarni ishlab chiqarish uchun cho'ziluvchan optoelektronika (3, 4) bilan integratsiyalashish imkoniyatiga ega. Grafen atom qalinligi, yuqori shaffoflik va yuqori o'tkazuvchanlik kabi juda kerakli xususiyatlarni namoyish etadi, ammo uni cho'ziluvchan ilovalarda qo'llash kichik deformatsiyalarda yorilish tendentsiyasi tufayli to'xtatildi. Grafenning mexanik cheklovlarini yengib o'tish cho'ziluvchan shaffof qurilmalarda yangi funksiyalarni yaratishga imkon berishi mumkin.
Grafenning noyob xususiyatlari uni keyingi avlod shaffof o'tkazuvchan elektrodlar uchun kuchli nomzodga aylantiradi (5, 6). Eng ko'p ishlatiladigan shaffof o'tkazgich, indiy qalay oksidi [ITO; 90% shaffoflikda 100 ohm/kvadrat (kvadrat)] bilan solishtirganda, kimyoviy bug' cho'ktirish (CVD) orqali yetishtirilgan bir qatlamli grafen varaq qarshiligi (125 ohm/kvadrat) va shaffoflikning (97,4%) o'xshash kombinatsiyasiga ega (5). Bundan tashqari, grafen plyonkalari ITOga nisbatan ajoyib moslashuvchanlikka ega (7). Masalan, plastik substratda uning o'tkazuvchanligi hatto 0,8 mm gacha bo'lgan egilish radiusi uchun ham saqlanib qolishi mumkin (8). Shaffof moslashuvchan o'tkazgich sifatida uning elektr ko'rsatkichlarini yanada oshirish uchun avvalgi ishlarda bir o'lchovli (1D) kumush nanosimlar yoki uglerod nanotubalari (CNT) bilan grafen gibrid materiallari ishlab chiqilgan (9–11). Bundan tashqari, grafen aralash o'lchovli heterostrukturaviy yarimo'tkazgichlar (masalan, 2D hajmli Si, 1D nanosimlar/nanotubkalar va 0D kvant nuqtalari) (12), egiluvchan tranzistorlar, quyosh batareyalari va yorug'lik chiqaradigan diodlar (LEDlar) uchun elektrod sifatida ishlatilgan (13–23).
Grafen egiluvchan elektronika uchun istiqbolli natijalar ko'rsatgan bo'lsa-da, uning cho'ziluvchan elektronikada qo'llanilishi mexanik xususiyatlari bilan cheklangan (17, 24, 25); grafenning tekislikdagi qattiqligi 340 N/m va Yung moduli 0,5 TPa ga teng (26). Kuchli uglerod-uglerod tarmog'i qo'llaniladigan kuchlanish uchun hech qanday energiya tarqalish mexanizmlarini ta'minlamaydi va shuning uchun 5% dan kam kuchlanishda osongina yorilib ketadi. Masalan, polidimetilsiloksan (PDMS) elastik substratiga o'tkazilgan CVD grafeni o'zining o'tkazuvchanligini faqat 6% dan kam kuchlanishda saqlab turishi mumkin (8). Nazariy hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, turli qatlamlar orasidagi g'ijimlanish va o'zaro ta'sir qattiqlikni sezilarli darajada kamaytirishi kerak (26). Grafenni bir nechta qatlamlarga joylashtirish orqali, bu ikki yoki uch qatlamli grafen 30% kuchlanishgacha cho'ziluvchanligi, monoqatlamli grafennikidan 13 baravar kichik qarshilik o'zgarishini ko'rsatishi haqida xabar berilgan (27). Biroq, bu cho'ziluvchanlik hali ham zamonaviy cho'ziluvchan c o'tkazgichlardan ancha past (28, 29).
Tranzistorlar cho'ziluvchan ilovalarda muhim ahamiyatga ega, chunki ular murakkab sensor o'qish va signal tahlilini ta'minlaydi (30, 31). Ko'p qatlamli grafen manba/drenaj elektrodlari va kanal materiali sifatida ishlatilgan PDMS tranzistorlari elektr funktsiyasini 5% gacha kuchlanishgacha saqlab turishi mumkin (32), bu kiyiladigan sog'liqni saqlashni kuzatuvchi sensorlar va elektron teri uchun minimal talab qilinadigan qiymatdan (~50%) sezilarli darajada past (33, 34). Yaqinda grafen kirigami yondashuvi o'rganildi va suyuq elektrolit bilan bog'langan tranzistorni 240% gacha cho'zish mumkin (35). Biroq, bu usul ishlab chiqarish jarayonini murakkablashtiradigan to'xtatilgan grafenni talab qiladi.
Bu yerda biz grafen qatlamlari orasiga grafen rulonlarini (uzunligi ~1 dan 20 mkm gacha, kengligi ~0,1 dan 1 mkm gacha va balandligi ~10 dan 100 nm gacha) birlashtirish orqali yuqori darajada cho'ziluvchan grafen qurilmalariga erishamiz. Biz bu grafen rulonlari grafen varaqlaridagi yoriqlarni ko'prik qilish uchun o'tkazuvchan yo'llarni ta'minlashi va shu bilan kuchlanish ostida yuqori o'tkazuvchanlikni saqlab qolishi mumkin, deb taxmin qilamiz. Grafen rulonlari qo'shimcha sintez yoki jarayonni talab qilmaydi; ular tabiiy ravishda nam uzatish jarayonida hosil bo'ladi. Ko'p qatlamli G/G (grafen/grafen) rulonlari (MGG), grafen cho'ziluvchan elektrodlari (manba/drenaj va darvoza) va yarim o'tkazgichli CNTlardan foydalanib, biz 120% kuchlanishgacha (zaryad tashish yo'nalishiga parallel ravishda) cho'zilishi va asl tok chiqishining 60% ni saqlab qolishi mumkin bo'lgan yuqori darajada shaffof va yuqori darajada cho'ziluvchan to'liq uglerodli tranzistorlarni namoyish eta oldik. Bu hozirgacha eng cho'ziluvchan shaffof uglerod asosidagi tranzistor bo'lib, u noorganik LEDni boshqarish uchun yetarli tokni ta'minlaydi.
Keng maydonli shaffof cho'ziluvchan grafen elektrodlarini yaratish uchun biz CVDda o'stirilgan grafenni Cu folgasida tanladik. Cu folgasi CVD kvarts naychasining markaziga osib qo'yildi, bu esa grafenning ikki tomondan o'sishiga imkon berdi va G/Cu/G tuzilmalarini hosil qildi. Grafenni o'tkazish uchun biz avval grafenning bir tomonini himoya qilish uchun yupqa poli (metil metakrilat) (PMMA) qatlamini spinning usulida qopladik, biz uni yuqori grafen deb atadik (grafenning ikkinchi tomoni uchun aksincha) va keyinchalik butun plyonka (PMMA/yuqori grafen/Cu/pastki grafen) Cu folgasini o'yib olish uchun (NH4)2S2O8 eritmasiga namlandi. PMMA qoplamasiz pastki tomondagi grafen muqarrar ravishda o'yib tashlovchining (36, 37) o'tishiga imkon beradigan yoriqlar va nuqsonlarga ega bo'ladi. 1A-rasmda ko'rsatilganidek, sirt tarangligi ta'sirida ajralib chiqqan grafen domenlari o'ramlarga o'ralgan va keyinchalik qolgan yuqori G/PMMA plyonkasiga biriktirilgan. Yuqori G/G rulonlari SiO2/Si, shisha yoki yumshoq polimer kabi har qanday substratga o'tkazilishi mumkin. Ushbu o'tkazish jarayonini bir xil substratga bir necha marta takrorlash MGG tuzilmalarini beradi.
(A) MGGlarni cho'ziluvchan elektrod sifatida ishlab chiqarish jarayonining sxematik illyustratsiyasi. Grafenni uzatish jarayonida Cu folgasidagi orqa grafen chegaralar va nuqsonlarda sindirilgan, o'zboshimchalik bilan shaklga o'ralgan va yuqori plyonkalarga mahkam yopishtirilgan va nanosuratlar hosil qilgan. To'rtinchi multfilmda ustma-ust qo'yilgan MGG tuzilishi tasvirlangan. (B va C) Monoqatlamli MGG ning yuqori aniqlikdagi TEM tavsiflari, mos ravishda monoqatlamli grafen (B) va aylanma (C) mintaqasiga qaratilgan. (B) ning ichki qismi TEM panjarasidagi monoqatlamli MGGlarning umumiy morfologiyasini ko'rsatadigan past kattalashtirilgan tasvirdir. (C) ning ichki qismlari - bu tasvirda ko'rsatilgan to'rtburchaklar katakchalar bo'ylab olingan intensivlik profillari, bu yerda atom tekisliklari orasidagi masofalar 0,34 va 0,41 nm. (D) Xarakterli grafit π* va σ* cho'qqilari bilan belgilangan uglerod K-chegara EEL spektri. (E) Sariq nuqta chiziq bo'ylab balandlik profiliga ega monoqatlamli G/G aylanmalarining kesimli AFM tasviri. (F dan I gacha) Mos ravishda 300 nm qalinlikdagi SiO2/Si substratlarida (F va H) bo'lmagan va o'ramlari (G va I) bo'lgan uch qatlamli G ning optik mikroskopiyasi va AFM tasvirlari. Ularning farqlarini ta'kidlash uchun namunaviy o'ramlar va ajinlar belgilandi.
O'ramlarning tabiatan o'ralgan grafen ekanligini tekshirish uchun biz monoqatlamli yuqori G/G o'ram tuzilmalarida yuqori aniqlikdagi uzatish elektron mikroskopiyasi (TEM) va elektron energiyasini yo'qotish (EEL) spektroskopiyasi tadqiqotlarini o'tkazdik. 1B-rasmda monoqatlamli grafenning olti burchakli tuzilishi ko'rsatilgan va qo'shimchada TEM panjarasining bitta uglerod teshigi bilan qoplangan plyonkaning umumiy morfologiyasi ko'rsatilgan. Monoqatlamli grafen panjaraning katta qismini qamrab oladi va olti burchakli halqalarning bir nechta to'plamlari mavjud bo'lganda ba'zi grafen parchalari paydo bo'ladi (1B-rasm). Alohida o'ramga yaqinlashtirish orqali (1C-rasm) biz panjara oralig'i 0,34 dan 0,41 nm gacha bo'lgan ko'p miqdordagi grafen panjara chekkalarini kuzatdik. Bu o'lchovlar parchalar tasodifiy o'ralganligini va "ABAB" qatlamli stackingda panjara oralig'i 0,34 nm bo'lgan mukammal grafit emasligini ko'rsatadi. 1D-rasmda uglerod K-chegara EEL spektri ko'rsatilgan, bu yerda 285 eV cho'qqisi π* orbitalidan, ikkinchisi esa 290 eV atrofida σ* orbitalidan o'tish natijasida yuzaga keladi. Ko'rinib turibdiki, bu strukturada sp2 bog'lanishi ustunlik qiladi, bu esa o'ramlarning yuqori darajada grafit ekanligini tasdiqlaydi.
Optik mikroskopiya va atom kuch mikroskopiyasi (AFM) tasvirlari MGGlarda grafen nanosillarning tarqalishi haqida tasavvur beradi (1-rasm, E dan G gacha va S1 va S2-rasmlar). O'ramlar sirt bo'ylab tasodifiy taqsimlangan va ularning tekislikdagi zichligi qatlamlar soniga mutanosib ravishda oshadi. Ko'pgina o'ramlar tugunlarga o'ralgan va 10 dan 100 nm gacha bo'lgan diapazonda notekis balandliklarni namoyish etadi. Ularning uzunligi 1 dan 20 mkm gacha va kengligi 0,1 dan 1 mkm gacha, bu ularning dastlabki grafen parchalarining o'lchamlariga bog'liq. 1-rasmda (H va I) ko'rsatilganidek, o'ramlar ajinlarga qaraganda ancha katta o'lchamlarga ega, bu esa grafen qatlamlari orasidagi ancha qo'polroq interfeysga olib keladi.
Elektr xususiyatlarini o'lchash uchun biz fotolitografiya yordamida 300 mkm kenglikdagi va 2000 mkm uzunlikdagi chiziqlarga rulonli yoki rulonsiz grafen plyonkalarini va qatlamlarni ustma-ust qo'yishni naqshladik. Deformatsiya funktsiyasi sifatida ikki zondli qarshilik atrof-muhit sharoitida o'lchandi. Rulonlarning mavjudligi monoqatlamli grafenning qarshiligini 80% ga kamaytirdi, o'tkazuvchanlik esa atigi 2,2% ga kamaydi (S4-rasm). Bu 5 × 107 A/sm2 gacha yuqori tok zichligiga ega bo'lgan nanosrolllarning MGGlarga juda ijobiy elektr hissa qo'shishini tasdiqlaydi (38, 39). Barcha mono-, bi- va uch qatlamli oddiy grafen va MGGlar orasida uch qatlamli MGG eng yaxshi o'tkazuvchanlikka ega bo'lib, shaffofligi deyarli 90% ni tashkil qiladi. Adabiyotda keltirilgan boshqa grafen manbalari bilan taqqoslash uchun biz to'rt zondli varaq qarshiligini ham o'lchadik (S5-rasm) va ularni 2A-rasmda 550 nm da o'tkazuvchanlik funktsiyasi sifatida sanab o'tdik (S6-rasm). MGG sun'iy ravishda yotqizilgan ko'p qatlamli oddiy grafen va qaytarilgan grafen oksidi (RGO) ga qaraganda taqqoslanadigan yoki yuqori o'tkazuvchanlik va shaffoflikni ko'rsatadi (6, 8, 18). Shuni e'tiborga olingki, adabiyotlarda keltirilgan sun'iy ravishda yotqizilgan ko'p qatlamli oddiy grafenning varaq qarshiligi bizning MGG ga qaraganda biroz yuqoriroq, ehtimol ularning optimallashtirilmagan o'sish sharoitlari va uzatish usuli tufayli.
(A) Bir nechta grafen turlari uchun 550 nm da to'rt zondli varaq qarshiligi va o'tkazuvchanlik, bu yerda qora kvadratlar mono-, bi- va uch qatlamli MGGlarni bildiradi; qizil doiralar va ko'k uchburchaklar mos ravishda Li va boshqalar (6) va Kim va boshqalar (8) tadqiqotlaridan Cu va Ni ustida o'stirilgan va keyinchalik SiO2/Si yoki kvartsga o'tkazilgan ko'p qatlamli oddiy grafenga mos keladi; va yashil uchburchaklar Bonaccorso va boshqalar (18) tadqiqotidan olingan turli xil pasayish darajalarida RGO uchun qiymatlardir. (B va C) Monokorso va boshqalarning tadqiqotidan olingan turli xil pasayish darajalarida MGGlar va G ning normallashtirilgan qarshilik o'zgarishi tok oqimi yo'nalishiga perpendikulyar (B) va parallel (C) kuchlanish funksiyasi sifatida. (D) Ikki qatlamli G (qizil) va MGG (qora) ning 50% gacha perpendikulyar kuchlanish yuklamasi ostida normallashtirilgan qarshilik o'zgarishi. (E) 90% gacha parallel kuchlanish yuklamasi ostida uch qatlamli G (qizil) va MGG (qora) ning normallashtirilgan qarshilik o'zgarishi. (F) Mono-, bi- va uch qatlamli G hamda ikki va uch qatlamli MGGlarning kuchlanish funktsiyasi sifatida normallashtirilgan sig'im o'zgarishi. Qo'shimcha kondensator tuzilishi bo'lib, bu yerda polimer substrati SEBS va polimer dielektrik qatlami 2 mkm qalinlikdagi SEBS hisoblanadi.
MGG ning kuchlanishga bog'liq ishlashini baholash uchun biz grafenni termoplastik elastomer stirol-etilen-butadien-stirol (SEBS) substratlariga (~2 sm kenglikda va ~5 sm uzunlikda) o'tkazdik va substrat cho'zilganda o'tkazuvchanlik o'lchandi (Materiallar va usullarga qarang) tok oqimi yo'nalishiga perpendikulyar va parallel ravishda (2-rasm, B va C). Deformatsiyaga bog'liq elektr xususiyatlari nanosillarning qo'shilishi va grafen qatlamlari sonining ko'payishi bilan yaxshilandi. Masalan, kuchlanish tok oqimiga perpendikulyar bo'lganda, bir qatlamli grafen uchun rulonlarning qo'shilishi elektr uzilishidagi kuchlanishni 5 dan 70% gacha oshirdi. Uch qatlamli grafenning kuchlanishga chidamliligi ham bir qatlamli grafenga nisbatan sezilarli darajada yaxshilandi. Nanoosillarda, 100% perpendikulyar kuchlanishda, rulonsiz uch qatlamli grafen uchun 300% ga nisbatan uch qatlamli MGG strukturasining qarshiligi atigi 50% ga oshdi. Tsiklik kuchlanish yuklamasi ostida qarshilik o'zgarishi o'rganildi. Taqqoslash uchun (2D-rasm), oddiy ikki qatlamli grafen plyonkasining qarshiligi 50% perpendikulyar kuchlanishda ~700 sikldan keyin taxminan 7,5 marta oshdi va har bir siklda kuchlanish bilan ortib bordi. Boshqa tomondan, ikki qatlamli MGG ning qarshiligi ~700 sikldan keyin atigi 2,5 marta oshdi. Parallel yo'nalishda 90% gacha kuchlanish qo'llanilganda, uch qatlamli grafenning qarshiligi 1000 sikldan keyin ~100 marta oshdi, uch qatlamli MGG da esa bu atigi ~8 marta (2E-rasm). Sikl natijalari S7-rasmda ko'rsatilgan. Parallel kuchlanish yo'nalishi bo'ylab qarshilikning nisbatan tezroq o'sishi yoriqlarning yo'nalishi tok oqimi yo'nalishiga perpendikulyar bo'lganligi bilan bog'liq. Yuklash va tushirish kuchlanishi paytida qarshilikning og'ishi SEBS elastomer substratining viskoelastik tiklanishi bilan bog'liq. MGG chiziqlarining sikl paytida barqarorroq qarshiligi grafenning yorilgan qismlarini (AFM tomonidan kuzatilganidek) ko'prik qila oladigan katta rulonlarning mavjudligi bilan bog'liq bo'lib, perkolatatsiya yo'lini saqlab qolishga yordam beradi. Perkolatatsiya yo'li orqali o'tkazuvchanlikni saqlab qolishning bu hodisasi elastomer substratlardagi yorilgan metall yoki yarimo'tkazgich plyonkalar uchun ilgari xabar qilingan edi (40, 41).
Ushbu grafen asosidagi plyonkalarni cho'ziluvchan qurilmalarda darvoza elektrodlari sifatida baholash uchun biz grafen qatlamini SEBS dielektrik qatlami (qalinligi 2 mkm) bilan qopladik va dielektrik sig'im o'zgarishini kuchlanish funktsiyasi sifatida kuzatdik (batafsil ma'lumot uchun 2F-rasm va qo'shimcha materiallarga qarang). Biz oddiy monoqatlamli va ikki qatlamli grafen elektrodlari bilan sig'imlarning grafenning tekislik ichidagi o'tkazuvchanligining yo'qolishi tufayli tezda kamayganini kuzatdik. Aksincha, MGG bilan darvozalangan sig'imlar, shuningdek, oddiy uch qatlamli grafenlarda kuchlanish bilan sig'imning oshishini ko'rsatdi, bu esa kuchlanish bilan dielektrik qalinligining pasayishi tufayli kutilmoqda. Sig'imning kutilgan o'sishi MGG tuzilishiga juda mos keldi (S8-rasm). Bu shuni ko'rsatadiki, MGG cho'ziluvchan tranzistorlar uchun darvoza elektrodi sifatida mos keladi.
1D grafen o'ramining elektr o'tkazuvchanligining kuchlanishga chidamliligidagi rolini yanada chuqurroq o'rganish va grafen qatlamlari orasidagi ajralishni yaxshiroq nazorat qilish uchun biz grafen o'ramlarini almashtirish uchun purkagich bilan qoplangan CNTlardan foydalandik (qo'shimcha materiallarga qarang). MGG tuzilmalarini taqlid qilish uchun biz uchta zichlikdagi CNTlarni (ya'ni CNT1) joylashtirdik.
(A dan C gacha) Uch xil zichlikdagi CNTlarning AFM tasvirlari (CNT1)
Ularning cho'ziluvchan elektronika uchun elektrod sifatidagi imkoniyatlarini yanada chuqurroq tushunish uchun biz MGG va G-CNT-G ning kuchlanish ostidagi morfologiyalarini tizimli ravishda o'rganib chiqdik. Optik mikroskopiya va skanerlash elektron mikroskopiyasi (SEM) samarali tavsiflash usullari emas, chunki ikkalasida ham rang kontrasti yo'q va grafen polimer substratlarida bo'lganida SEM elektron skanerlash paytida tasvir artefaktlariga duchor bo'ladi (S9 va S10-rasmlar). Grafen yuzasini kuchlanish ostida kuzatish uchun biz juda yupqa (~0,1 mm qalinlikdagi) va elastik SEBS substratlariga o'tkazilgandan so'ng uch qatlamli MGG va oddiy grafenlarda AFM o'lchovlarini to'pladik. CVD grafenidagi ichki nuqsonlar va uzatish jarayonida tashqi shikastlanishlar tufayli, muqarrar ravishda kuchlanishli grafenda yoriqlar hosil bo'ladi va kuchlanishning ortishi bilan yoriqlar zichroq bo'ladi (4-rasm, A dan D gacha). Uglerod asosidagi elektrodlarning ustma-ust tushish tuzilishiga qarab, yoriqlar turli morfologiyalarni namoyon qiladi (S11-rasm) (27). Ko'p qatlamli grafenning yoriq maydoni zichligi (yoriq maydoni/tahlil qilingan maydon sifatida aniqlanadi) zo'riqishdan keyin bir qatlamli grafennikidan kamroq, bu MGGlar uchun elektr o'tkazuvchanligining oshishi bilan mos keladi. Boshqa tomondan, ko'pincha yoriqlarni ko'prik qilish uchun rulonlar kuzatiladi, bu esa zo'riqish plyonkasida qo'shimcha o'tkazuvchan yo'llarni ta'minlaydi. Masalan, 4B-rasmdagi rasmda ko'rsatilganidek, keng rulon uch qatlamli MGGdagi yoriq ustidan o'tgan, ammo oddiy grafenda rulon kuzatilmagan (4-rasm, E dan H gacha). Xuddi shunday, CNTlar ham grafendagi yoriqlarni ko'prik bilan bog'lagan (S11-rasm). Yoriq maydoni zichligi, rulon maydoni zichligi va plyonkalarning pürüzlülüğü 4K-rasmda umumlashtirilgan.
(A dan H gacha) Juda yupqa SEBS (~0,1 mm qalinlikdagi) elastomerda 0, 20, 60 va 100% kuchlanishda uch qatlamli G/G rulonlarining (A dan D gacha) va uch qatlamli G tuzilmalarining (E dan H gacha) joyida AFM tasvirlari. Vakillik qiluvchi yoriqlar va rulonlar strelkalar bilan ko'rsatilgan. Barcha AFM tasvirlari 15 μm × 15 μm maydonda, belgilangan rang shkala chizig'idan foydalanilgan. (I) SEBS substratidagi naqshli monoqatlamli grafen elektrodlarining simulyatsiya geometriyasi. (J) 20% tashqi kuchlanishda monoqatlamli grafen va SEBS substratidagi maksimal asosiy logarifmik kuchlanishning simulyatsiya kontur xaritasi. (K) Turli grafen tuzilmalari uchun yoriq maydoni zichligi (qizil ustun), rulon maydoni zichligi (sariq ustun) va sirt pürüzlülüğünün (ko'k ustun) taqqoslash.
MGG plyonkalari cho'zilganda, rulonlar grafenning yorilgan qismlarini ko'prik qilib, perkolatatsiya tarmog'ini saqlab qolishi mumkinligi kabi muhim qo'shimcha mexanizm mavjud. Grafen rulonlari istiqbolli, chunki ular uzunligi o'nlab mikrometrga teng bo'lishi mumkin va shuning uchun odatda mikrometrgacha bo'lgan yoriqlarni ko'prik qila oladi. Bundan tashqari, rulonlar grafenning ko'p qatlamlaridan iborat bo'lganligi sababli, ularning qarshiligi past bo'lishi kutilmoqda. Taqqoslash uchun, CNTlar rulonlarga qaraganda kichikroq (odatda uzunligi bir necha mikrometr) va kamroq o'tkazuvchan bo'lgani uchun, o'xshash o'tkazuvchanlik ko'priklarini ta'minlash uchun nisbatan zich (past o'tkazuvchanlik) CNT tarmoqlari talab qilinadi. Boshqa tomondan, S12-rasmda ko'rsatilgandek, grafen cho'zilish paytida kuchlanishni ushlab turish uchun yorilib ketsa-da, rulonlar yorilib ketmaydi, bu esa ikkinchisi ostidagi grafen ustida sirpanayotgan bo'lishi mumkinligini ko'rsatadi. Ularning yorilib ketmasligining sababi, ehtimol, bir qavatli grafenga qaraganda yuqori samarali modulga ega bo'lgan ko'p qatlamli grafendan (~1 dan 20 mkm gacha, ~0,1 dan 1 mkm gacha va ~10 dan 100 nm gacha) tashkil topgan o'ralgan tuzilishga bog'liq bo'lib, bu bir qavatli grafenga qaraganda yuqori samarali modulga ega. Green va Hersam (42) xabar berganidek, metall CNT tarmoqlari (naycha diametri 1,0 nm) CNTlar orasidagi katta ulanish qarshiligiga qaramay, past varaq qarshiligiga <100 ohm/kv.m ga erishishi mumkin. Bizning grafen o'ramlarimizning kengligi 0,1 dan 1 mkm gacha va G/G o'ramlari CNTlarga qaraganda ancha katta kontakt maydonlariga ega ekanligini hisobga olsak, grafen va grafen o'ramlari orasidagi kontakt qarshiligi va kontakt maydoni yuqori o'tkazuvchanlikni saqlab qolish uchun cheklovchi omillar bo'lmasligi kerak.
Grafen SEBS substratiga qaraganda ancha yuqori modulga ega. Grafen elektrodining samarali qalinligi substratnikidan ancha past bo'lsa-da, grafenning qattiqligi uning qalinligiga ko'paytiriladi (43, 44), bu esa o'rtacha qattiq orol effektini keltirib chiqaradi. Biz SEBS substratida 1 nm qalinlikdagi grafenning deformatsiyasini simulyatsiya qildik (batafsil ma'lumot uchun Qo'shimcha materiallarga qarang). Simulyatsiya natijalariga ko'ra, SEBS substratiga tashqi tomondan 20% kuchlanish qo'llanilganda, grafendagi o'rtacha kuchlanish ~6,6% ni tashkil qiladi (4J-rasm va S13D-rasm), bu eksperimental kuzatishlarga mos keladi (S13-rasmga qarang). Biz optik mikroskopiya yordamida naqshli grafen va substrat mintaqalaridagi kuchlanishni taqqosladik va substrat mintaqasidagi kuchlanish grafen mintaqasidagi kuchlanishdan kamida ikki baravar ko'p ekanligini aniqladik. Bu shuni ko'rsatadiki, grafen elektrod naqshlariga qo'llaniladigan kuchlanish sezilarli darajada cheklangan bo'lishi mumkin, bu SEBS ustida grafen qattiq orollarini hosil qiladi (26, 43, 44).
Shuning uchun, MGG elektrodlarining yuqori kuchlanish ostida yuqori o'tkazuvchanlikni saqlab qolish qobiliyati ikkita asosiy mexanizm bilan ta'minlangan bo'lishi mumkin: (i) rulonlar o'tkazuvchan perkolyatsiya yo'lini saqlab qolish uchun uzilgan mintaqalarni ko'prik bilan bog'lashi mumkin va (ii) ko'p qatlamli grafen varaqlari/elastomer bir-birining ustiga siljishi mumkin, bu esa grafen elektrodlariga tushadigan kuchlanishni kamaytiradi. Elastomerga o'tkazilgan grafenning bir nechta qatlamlari uchun qatlamlar bir-biriga kuchli bog'lanmagan, bu esa kuchlanishga javoban siljishi mumkin (27). Rulonlar shuningdek, grafen qatlamlarining pürüzlülüğünü oshirdi, bu esa grafen qatlamlari orasidagi ajralishni oshirishga yordam beradi va shuning uchun grafen qatlamlarining siljishini ta'minlaydi.
To'liq uglerodli qurilmalar arzonligi va yuqori o'tkazuvchanligi tufayli ishtiyoq bilan izlanmoqda. Bizning holatimizda, to'liq uglerodli tranzistorlar pastki grafen darvozasi, yuqori grafen manbai/drenaj kontakti, saralangan CNT yarimo'tkazgichi va dielektrik sifatida SEBS yordamida ishlab chiqarilgan (5A-rasm). 5B-rasmda ko'rsatilganidek, manba/drenaj va darvoza (pastki qurilma) sifatida CNTlarga ega bo'lgan to'liq uglerodli qurilma grafen elektrodlariga ega qurilmaga (yuqori qurilma) qaraganda ko'proq shaffof emas. Buning sababi, CNT tarmoqlari grafenga o'xshash varaq qarshiligiga erishish uchun kattaroq qalinliklarni va natijada pastroq optik o'tkazuvchanlikni talab qiladi (S4-rasm). 5-rasmda (C va D) ikki qatlamli MGG elektrodlari bilan tayyorlangan tranzistor uchun kuchlanishdan oldingi vakillik uzatish va chiqish egri chiziqlari ko'rsatilgan. Kuchlanmagan tranzistorning kanal kengligi va uzunligi mos ravishda 800 va 100 mkm edi. O'lchangan yoqish/o'chirish nisbati mos ravishda 10−5 va 10−8 A darajalarida yoqish va o'chirish toklari bilan 103 dan katta. Chiqish egri chizig'i aniq darvoza kuchlanishiga bog'liq bo'lgan ideal chiziqli va to'yinganlik rejimlarini namoyish etadi, bu CNTlar va grafen elektrodlari o'rtasidagi ideal aloqani ko'rsatadi (45). Grafen elektrodlari bilan aloqa qarshiligi bug'langan Au plyonkasiga qaraganda pastroq ekanligi kuzatildi (S14-rasmga qarang). Cho'ziladigan tranzistorning to'yinganlik harakatchanligi taxminan 5,6 sm2/Vs ni tashkil qiladi, bu dielektrik qatlam sifatida 300 nm SiO2 bo'lgan qattiq Si substratlarida xuddi shu polimer-sarflangan CNT tranzistorlarinikiga o'xshaydi. Optimallashtirilgan naycha zichligi va boshqa turdagi naychalar bilan harakatchanlikni yanada yaxshilash mumkin (46).
(A) Grafen asosidagi cho'ziluvchan tranzistor sxemasi. SWNTlar, bitta devorli uglerod nanotubalari. (B) Grafen elektrodlaridan (yuqori) va CNT elektrodlaridan (pastki) yasalgan cho'ziluvchan tranzistorlarning fotosurati. Shaffoflikdagi farq aniq seziladi. (C va D) Grafen asosidagi tranzistorning kuchlanishdan oldin SEBSdagi uzatish va chiqish egri chiziqlari. (E va F) Turli kuchlanishlarda uzatish egri chiziqlari, yoqish va o'chirish tok, yoqish/o'chirish nisbati va grafen asosidagi tranzistorning harakatchanligi.
Shaffof, to'liq uglerodli qurilma zaryad tashish yo'nalishiga parallel ravishda cho'zilganda, minimal degradatsiya 120% gacha bo'lgan kuchlanish kuzatildi. Cho'zilish paytida harakatchanlik 0% kuchlanishdagi 5,6 sm2/Vs dan 120% kuchlanishdagi 2,5 sm2/Vs gacha doimiy ravishda pasaydi (5F-rasm). Shuningdek, biz turli kanal uzunliklari uchun tranzistorning ishlashini taqqosladik (S1-jadvalga qarang). Shunisi e'tiborga loyiqki, 105% gacha bo'lgan kuchlanishda bu tranzistorlarning barchasi hali ham yuqori yoqish/o'chirish nisbati (>103) va harakatchanlikni (>3 sm2/Vs) namoyish etdi. Bundan tashqari, biz to'liq uglerodli tranzistorlar bo'yicha so'nggi ishlarning barchasini umumlashtirdik (S2-jadvalga qarang) (47–52). Elastomerlarda qurilma ishlab chiqarishni optimallashtirish va MGGlarni kontakt sifatida ishlatish orqali bizning to'liq uglerodli tranzistorlarimiz harakatchanlik va gisterezis jihatidan yaxshi natijalarga erishdi, shuningdek, yuqori darajada cho'zilishi mumkin.
To'liq shaffof va cho'ziluvchan tranzistorni qo'llash sifatida biz uni LEDning kommutatsiyasini boshqarish uchun ishlatdik (6A-rasm). 6B-rasmda ko'rsatilganidek, yashil LEDni to'g'ridan-to'g'ri yuqorida joylashgan cho'ziluvchan to'liq uglerodli qurilma orqali aniq ko'rish mumkin. ~100% gacha cho'zilganda (6-rasm, C va D), LED yorug'lik intensivligi o'zgarmaydi, bu yuqorida tavsiflangan tranzistorning ishlashiga mos keladi (S1 filmiga qarang). Bu grafen elektrodlaridan foydalangan holda tayyorlangan cho'ziluvchan boshqaruv bloklarining birinchi hisoboti bo'lib, grafen cho'ziluvchan elektronika uchun yangi imkoniyatni namoyish etadi.
(A) LEDni boshqarish uchun tranzistor sxemasi. GND, yerga ulash. (B) Yashil LED ustiga o'rnatilgan 0% kuchlanishdagi cho'ziluvchan va shaffof to'liq uglerodli tranzistorning fotosurati. (C) LEDni almashtirish uchun ishlatiladigan to'liq uglerodli shaffof va cho'ziluvchan tranzistor LED ustiga 0% (chapda) va ~100% kuchlanishda (o'ngda) o'rnatilmoqda. Oq strelkalar qurilmadagi sariq markerlar sifatida yo'naltirilgan bo'lib, masofa o'zgarishini ko'rsatadi. (D) LED elastomerga surilgan holda cho'ziluvchan tranzistorning yon ko'rinishi.
Xulosa qilib aytganda, biz cho'ziluvchan elektrodlar sifatida katta deformatsiyalar ostida yuqori o'tkazuvchanlikni saqlaydigan shaffof o'tkazuvchan grafen strukturasini ishlab chiqdik, bu esa grafen qatlamlari orasidagi grafen nanosillari orqali ta'minlanadi. Elastomerdagi bu ikki va uch qatlamli MGG elektrod strukturalari odatdagi bir qatlamli grafen elektrodlari uchun 5% deformatsiyada o'tkazuvchanlikning to'liq yo'qolishiga nisbatan 100% gacha bo'lgan deformatsiyada o'zlarining 0% deformatsiya o'tkazuvchanliklarining mos ravishda 21 va 65% ni saqlab qolishi mumkin. Grafen siljishlarining qo'shimcha o'tkazuvchanlik yo'llari, shuningdek, uzatilgan qatlamlar orasidagi zaif o'zaro ta'sir deformatsiya ostida yuqori o'tkazuvchanlik barqarorligiga hissa qo'shadi. Biz ushbu grafen strukturasini to'liq uglerodli cho'ziluvchan tranzistorlarni ishlab chiqarish uchun qo'lladik. Hozircha bu eng yaxshi shaffoflikka ega bo'lgan eng cho'ziluvchan grafen asosidagi tranzistor bo'lib, bukishni ishlatmasdan amalga oshiriladi. Ushbu tadqiqot cho'ziluvchan elektronika uchun grafenni qo'llash uchun o'tkazilgan bo'lsa-da, biz bu yondashuvni cho'ziluvchan 2D elektronikani qo'llash uchun boshqa 2D materiallarga ham kengaytirish mumkin deb hisoblaymiz.
Katta maydonli CVD grafeni 1000°C da prekursorlar sifatida 50–SCCM (standart kub santimetr/daqiqa) CH4 va 20–SCCM H2 bilan 0,5 mtorr doimiy bosim ostida suspenziyalangan Cu folgalarida (99,999%; Alfa Aesar) o'stirildi. Cu folgasining ikkala tomoni ham bir qatlamli grafen bilan qoplangan. Cu folgasining bir tomoniga yupqa PMMA qatlami (2000 rpm; A4, Microchem) aylantirilib, PMMA/G/Cu folga/G tuzilishini hosil qildi. Keyinchalik, butun plyonka Cu folgasini o'yib olish uchun taxminan 2 soat davomida 0,1 M ammoniy persulfat [(NH4)2S2O8] eritmasiga namlangan. Bu jarayon davomida himoyalanmagan orqa grafen avval dona chegaralari bo'ylab yirtilib, keyin sirt tarangligi tufayli o'ramlarga o'ralgan. O'ramlar PMMA tomonidan qo'llab-quvvatlanadigan yuqori grafen plyonkasiga biriktirilib, PMMA/G/G o'ramlarini hosil qildi. Keyinchalik plyonkalar deionlangan suvda bir necha marta yuvildi va maqsadli substratga, masalan, qattiq SiO2/Si yoki plastik substratga yotqizildi. Qo'shilgan plyonka substratda quriganidan so'ng, namuna PMMA ni olib tashlash uchun ketma-ket aseton, 1:1 aseton/IPA (izopropil spirti) va IPA ga 30 soniya davomida namlandi. Plyonkalar 100°C da 15 daqiqa davomida qizdirildi yoki G/G rulosining yana bir qatlami o'tkazilishidan oldin tuzoqqa tushgan suvni to'liq olib tashlash uchun bir kechada vakuumda saqlandi. Bu qadam grafen plyonkasining substratdan ajralishini oldini olish va PMMA tashuvchi qatlamining chiqarilishi paytida MGG ning to'liq qoplanishini ta'minlash edi.
MGG strukturasining morfologiyasi optik mikroskop (Leica) va skanerlovchi elektron mikroskop (1 kV; FEI) yordamida kuzatildi. G o'ramlarining tafsilotlarini kuzatish uchun atom kuch mikroskopi (Nanoscope III, Digital Instrument) teginish rejimida ishladi. Plyonka shaffofligi ultrabinafsha ko'rinadigan spektrometr (Agilent Cary 6000i) yordamida sinovdan o'tkazildi. Deformatsiya tok oqimining perpendikulyar yo'nalishi bo'ylab bo'lgan sinovlar uchun grafen tuzilmalarini chiziqlarga (~300 mkm kenglikda va ~2000 mkm uzunlikda) naqshlash uchun fotolitografiya va O2 plazmasidan foydalanildi va uzun tomonning ikkala uchida soya niqoblari yordamida Au (50 nm) elektrodlari termal ravishda cho'ktirildi. Keyin grafen chiziqlari SEBS elastomeri (kengligi ~2 sm va uzunligi ~5 sm) bilan aloqa qildi, chiziqlarning uzun o'qi SEBS ning qisqa tomoniga parallel bo'lib, undan keyin BOE (buferlangan oksidli o'ymakorlik) (HF:H2O 1:6) o'ymakorligi va elektr kontaktlari sifatida evtektik galliy indiy (EGaIn) kuzatildi. Parallel kuchlanish sinovlari uchun naqshsiz grafen tuzilmalari (~5 × 10 mm) SEBS substratlariga o'tkazildi, uzun o'qlar SEBS substratining uzun tomoniga parallel edi. Ikkala holatda ham butun G (G rulonlarisiz)/SEBS qo'lda ishlaydigan apparatda elastomerning uzun tomoni bo'ylab cho'zildi va joyida biz yarimo'tkazgich analizatori (Keithley 4200-SCS) bilan zond stantsiyasida kuchlanish ostida ularning qarshilik o'zgarishlarini o'lchadik.
Elastik substratdagi yuqori darajada cho'ziluvchan va shaffof to'liq uglerodli tranzistorlar polimer dielektrik va substratning organik erituvchi shikastlanishiga yo'l qo'ymaslik uchun quyidagi protseduralar yordamida ishlab chiqarildi. MGG tuzilmalari SEBS ga darvoza elektrodlari sifatida o'tkazildi. Bir xil yupqa plyonkali polimer dielektrik qatlamini (qalinligi 2 mkm) olish uchun SEBS toluol (80 mg/ml) eritmasi oktadetsiltrixlorosilan (OTS) bilan modifikatsiyalangan SiO2/Si substratiga 1000 rpm tezlikda 1 daqiqa davomida aylanib qoplandi. Yupqa dielektrik plyonka gidrofob OTS yuzasidan tayyorlangan grafen bilan qoplangan SEBS substratiga osongina o'tkazilishi mumkin. LCR (induktivlik, sig'im, qarshilik) o'lchagichi (Agilent) yordamida sig'imning kuchlanish funktsiyasi sifatida aniqlanishi uchun suyuq metall (EGaIn; Sigma-Aldrich) yuqori elektrodini qo'yish orqali kondensator yasash mumkin. Tranzistorning boshqa qismi ilgari xabar qilingan protseduralarga muvofiq (53) polimer-sarflangan yarim o'tkazgichli CNTlardan iborat edi. Naqshli manba/drenaj elektrodlari qattiq SiO2/Si substratlarida ishlab chiqarildi. Keyinchalik, dielektrik/G/SEBS va CNT/naqshli G/SiO2/Si kabi ikki qism bir-biriga laminatlangan va qattiq SiO2/Si substratini olib tashlash uchun BOE ga namlangan. Shunday qilib, to'liq shaffof va cho'ziluvchan tranzistorlar ishlab chiqarildi. Kuchlanish ostida elektr sinovlari yuqorida aytib o'tilgan usul sifatida qo'lda cho'zish moslamasida amalga oshirildi.
Ushbu maqola uchun qo'shimcha materiallar http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 manzilida mavjud.
S1-rasm. Turli kattalashtirishlarda SiO2/Si substratlarida monoqatlamli MGG ning optik mikroskopiya tasvirlari.
S4-rasm. Mono-, bi- va uch qatlamli oddiy grafen (qora kvadratlar), MGG (qizil doiralar) va CNT (ko'k uchburchak) ning 550 nm da ikki zondli varaq qarshiligi va o'tkazuvchanligini taqqoslash.
S7-rasm. Mos ravishda 40 va 90% parallel kuchlanishgacha ~1000 tsiklik deformatsiya yuklamasi ostida mono- va ikki qatlamli MGG (qora) va G (qizil) ning normallashtirilgan qarshilik o'zgarishi.
S10-rasm. SEBS elastomeridagi uch qatlamli MGG ning zo'riqishdan keyin SEM tasviri, unda bir nechta yoriqlar ustida uzun aylanma xoch ko'rsatilgan.
S12-rasm. Juda yupqa SEBS elastomerida 20% kuchlanish ostida uch qatlamli MGG ning AFM tasviri, bu yoriq ustidan o'ralgan chiziq kesib o'tganini ko'rsatadi.
S1 jadvali. Ikki qavatli MGG-bitta devorli uglerod nanotubali tranzistorlarning kuchlanishdan oldin va keyin turli kanal uzunliklarida harakatchanligi.
Bu Creative Commons Attribution-NonCommercial litsenziyasi shartlari asosida tarqatilgan ochiq kirishli maqola bo'lib, u har qanday vositada foydalanish, tarqatish va ko'paytirishga ruxsat beradi, agar natijada tijorat maqsadlarida foydalanilmasa va asl asar to'g'ri iqtibos keltirilsa.
ESLATMA: Biz sizning elektron pochta manzilingizni faqat sahifani tavsiya qilayotgan odam siz uni ko'rishini xohlaganingizni va bu keraksiz pochta emasligini bilishi uchun so'raymiz. Biz hech qanday elektron pochta manzilini yozib olmaymiz.
Bu savol sizning inson tashrif buyuruvchi ekanligingizni tekshirish va avtomatik spam yuborishlarning oldini olish uchun.
Muallif: Nan Liu, Aleks Chortos, Ting Ley, Lixua Jin, Taexo Roy Kim, Von-Gyu Bae, Chenxin Chju, Sihong Vang, Rafael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinkler, Zhenan Bao
Muallif: Nan Liu, Aleks Chortos, Ting Ley, Lixua Jin, Taexo Roy Kim, Von-Gyu Bae, Chenxin Chju, Sihong Vang, Rafael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinkler, Zhenan Bao
© 2021 Amerika fan taraqqiyoti assotsiatsiyasi. Barcha huquqlar himoyalangan. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef va COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 hamkori hisoblanadi.
Joylashtirilgan vaqt: 2021-yil 28-yanvar