Двумерные материалы, такие как графен, привлекательны как для традиционных полупроводниковых приложений, так и для новых приложений в гибкой электронике. Однако высокая прочность графена на разрыв приводит к разрушению при низкой деформации, что затрудняет использование его исключительных электронных свойств в растягиваемой электронике. Чтобы обеспечить превосходные характеристики прозрачных графеновых проводников в зависимости от деформации, мы создали графеновые наносвитки между сложенными друг на друга графеновыми слоями, называемые многослойными графен/графеновыми свитками (MGG). Под напряжением некоторые свитки соединяли фрагментированные домены графена, поддерживая перколяционную сеть, обеспечивающую превосходную проводимость при высоких нагрузках. Трехслойные МГГ, нанесенные на эластомеры, сохранили 65% своей исходной проводимости при 100% деформации, перпендикулярной направлению тока, тогда как трехслойные пленки графена без наносвитков сохранили только 25% своей начальной проводимости. Растяжимый полностью углеродный транзистор, изготовленный с использованием MGG в качестве электродов, продемонстрировал коэффициент пропускания> 90% и сохранил 60% своего исходного выходного тока при деформации 120% (параллельно направлению переноса заряда). Эти хорошо растягиваемые и прозрачные полностью углеродные транзисторы могут стать основой для создания сложной растяжимой оптоэлектроники.
Растягиваемая прозрачная электроника — это развивающаяся область, которая имеет важные применения в передовых биоинтегрированных системах (1, 2), а также имеет потенциал интеграции с растягиваемой оптоэлектроникой (3, 4) для создания сложной мягкой робототехники и дисплеев. Графен демонстрирует весьма желательные свойства атомной толщины, высокой прозрачности и высокой проводимости, но его применение в растягивающихся приложениях сдерживается его склонностью к растрескиванию при небольших деформациях. Преодоление механических ограничений графена может обеспечить новые функциональные возможности растягивающихся прозрачных устройств.
Уникальные свойства графена делают его сильным кандидатом на роль прозрачных проводящих электродов следующего поколения (5, 6). По сравнению с наиболее часто используемым прозрачным проводником, оксид индия-олова [ITO; 100 Ом/кв. (кв.) при прозрачности 90 %], монослойный графен, выращенный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), имеет аналогичную комбинацию листового сопротивления (125 Ом/кв.) и прозрачности (97,4%) (5). Кроме того, графеновые пленки обладают необычайной гибкостью по сравнению с ITO (7). Например, на пластиковой подложке ее проводимость может сохраняться даже при радиусе кривизны изгиба всего 0,8 мм (8). Для дальнейшего улучшения его электрических характеристик в качестве прозрачного гибкого проводника в предыдущих работах были разработаны гибридные материалы графена с одномерными (1D) серебряными нанопроволоками или углеродными нанотрубками (УНТ) (9–11). Кроме того, графен использовался в качестве электродов для смешанных гетероструктурных полупроводников (таких как 2D-объемный кремний, 1D-нанопроволоки/нанотрубки и 0D-квантовые точки) (12), гибких транзисторов, солнечных элементов и светоизлучающих диодов (LED) (13). –23).
Хотя графен показал многообещающие результаты в гибкой электронике, его применение в растяжимой электронике было ограничено его механическими свойствами (17, 24, 25); графен имеет жесткость в плоскости 340 Н/м и модуль Юнга 0,5 ТПа (26). Прочная углерод-углеродная сеть не обеспечивает никаких механизмов рассеивания энергии при приложенной деформации и поэтому легко трескается при деформации менее 5%. Например, CVD-графен, перенесенный на эластичную подложку из полидиметилсилоксана (ПДМС), может сохранять свою проводимость только при деформации менее 6% (8). Теоретические расчеты показывают, что смятие и взаимодействие между различными слоями должны сильно снизить жесткость (26). Сообщается, что при укладке графена в несколько слоев этот двух- или трехслойный графен растягивается до 30% деформации, демонстрируя изменение сопротивления в 13 раз меньше, чем у однослойного графена (27). Однако эта растяжимость все еще значительно уступает современным растягивающимся проводникам (28, 29).
Транзисторы играют важную роль в расширяемых приложениях, поскольку они позволяют выполнять сложные считывания данных с датчиков и анализировать сигналы (30, 31). Транзисторы на PDMS с многослойным графеном в качестве электродов истока/стока и материалом канала могут сохранять электрическую функцию до деформации до 5% (32), что значительно ниже минимально необходимого значения (~50%) для носимых датчиков мониторинга здоровья и электронной кожи ( 33, 34). Недавно был исследован подход графенового киригами, благодаря которому транзистор, затворенный жидким электролитом, можно растянуть до 240% (35). Однако для этого метода требуется взвешенный графен, что усложняет процесс изготовления.
Здесь мы получаем устройства из графена с высокой растяжимостью, вставляя графеновые свитки (длиной от ~ 1 до 20 мкм, шириной от ~ 0,1 до 1 мкм и высотой от ~ 10 до 100 нм) между слоями графена. Мы предполагаем, что эти графеновые свитки могут обеспечить проводящие пути для перекрытия трещин в графеновых листах, тем самым поддерживая высокую проводимость при напряжении. Свитки графена не требуют дополнительного синтеза или обработки; они естественным образом образуются во время процедуры влажного переноса. Используя многослойные G/G (графен/графен) свитки (MGG), графеновые растягивающиеся электроды (исток/сток и затвор) и полупроводниковые УНТ, мы смогли продемонстрировать высокопрозрачные и легко растягивающиеся полностью углеродные транзисторы, которые можно растягивать до 120°С. % деформации (параллельно направлению переноса заряда) и сохраняют 60 % исходного выходного тока. На сегодняшний день это самый растяжимый прозрачный углеродный транзистор, и он обеспечивает достаточный ток для управления неорганическим светодиодом.
Чтобы создать прозрачные растягивающиеся графеновые электроды большой площади, мы выбрали графен, выращенный методом CVD на медной фольге. Медная фольга была подвешена в центре кварцевой трубки CVD, чтобы обеспечить рост графена с обеих сторон, образуя структуры G/Cu/G. Чтобы перенести графен, мы сначала нанесли тонкий слой полиметилметакрилата (ПММА) для защиты одной стороны графена, который мы назвали верхним графеном (наоборот для другой стороны графена), а затем Вся пленка (ПММА/верхний графен/Cu/нижний графен) была пропитана раствором (NH4)2S2O8 для травления медной фольги. Графен на нижней стороне без покрытия из ПММА неизбежно будет иметь трещины и дефекты, которые позволяют травителю проникнуть сквозь него (36, 37). Как показано на рис. 1А, под действием поверхностного натяжения высвободившиеся домены графена свернулись в свитки и впоследствии прикрепились к оставшейся пленке Top-G/ПММА. Свитки Top-G/G можно перенести на любую подложку, например, SiO2/Si, стекло или мягкий полимер. Повторение этого процесса переноса несколько раз на одну и ту же подложку дает структуры MGG.
(A) Схематическая иллюстрация процедуры изготовления МГГ в виде растягивающегося электрода. Во время переноса графена задняя сторона графена на медной фольге разрывалась по границам и дефектам, сворачивалась в произвольную форму и плотно прикреплялась к верхним пленкам, образуя наносвитки. Четвертый рисунок изображает многоуровневую структуру MGG. (B и C) ПЭМ-характеристики монослоя MGG с высоким разрешением с акцентом на монослойный графен (B) и область свитка (C) соответственно. Вставка (B) представляет собой изображение с небольшим увеличением, показывающее общую морфологию монослоя MGG на сетке TEM. Вставки (C) представляют собой профили интенсивности, взятые вдоль прямоугольных прямоугольников, указанных на изображении, где расстояния между атомными плоскостями составляют 0,34 и 0,41 нм. (D) Спектр ЭЭЛ углерода K-края с помеченными характерными графитовыми пиками π* и σ*. (E) Секционное АСМ-изображение монослойных свитков G/G с профилем высоты вдоль желтой пунктирной линии. (F–I) Оптическая микроскопия и АСМ-изображения трехслоя G без (F и H) и со свитками (G и I) на подложках SiO2/Si толщиной 300 нм соответственно. Репрезентативные завитки и морщины были помечены, чтобы подчеркнуть их различия.
Чтобы убедиться, что свитки по своей природе представляют собой свернутый графен, мы провели исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ) и спектроскопии потерь энергии электронов (EEL) на монослойных структурах свитков Top-G/G. На рисунке 1B показана гексагональная структура монослойного графена, а на вставке показана общая морфология пленки, покрытой одним углеродным отверстием сетки TEM. Монослойный графен занимает большую часть сетки, и появляются некоторые чешуйки графена при наличии нескольких стопок шестиугольных колец (рис. 1Б). Увеличивая масштаб отдельного свитка (рис. 1C), мы наблюдали большое количество полос решетки графена с шагом решетки в диапазоне от 0,34 до 0,41 нм. Эти измерения показывают, что чешуйки свернуты случайным образом и не являются идеальным графитом, период решетки которого составляет 0,34 нм при укладке слоев «ABAB». На рисунке 1D показан спектр ЭЭЛ K-края углерода, где пик при 285 эВ происходит от π*-орбитали, а другой около 290 эВ обусловлен переходом σ*-орбитали. Видно, что в этой структуре преобладают связи sp2, что подтверждает высокую графитность свитков.
Изображения оптической микроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ) дают представление о распределении графеновых наносвитков в MGG (рис. 1, от E до G и рис. S1 и S2). Свитки распределены по поверхности случайным образом, а их плотность в плоскости увеличивается пропорционально количеству уложенных друг на друга слоев. Многие свитки запутались в узлы и имеют неравномерную высоту в диапазоне от 10 до 100 нм. Они имеют длину от 1 до 20 мкм и ширину от 0,1 до 1 мкм, в зависимости от размеров исходных чешуек графена. Как показано на рис. 1 (H и I), свитки имеют значительно больший размер, чем морщины, что приводит к гораздо более шероховатой границе раздела между слоями графена.
Для измерения электрических свойств мы с помощью фотолитографии моделировали графеновые пленки со спиральными структурами или без них и укладку слоев в полосы шириной 300 мкм и длиной 2000 мкм. Сопротивления двух зондов в зависимости от деформации измерялись в условиях окружающей среды. Наличие свитков снизило удельное сопротивление монослойного графена на 80% при уменьшении коэффициента пропускания всего на 2,2% (рис. S4). Это подтверждает, что наносвитки, имеющие высокую плотность тока до 5 × 107 А/см2 (38, 39), вносят очень положительный электрический вклад в МГГ. Среди всех одно-, двух- и трехслойных простых графенов и МГГ трехслойный МГГ имеет лучшую проводимость с прозрачностью почти 90%. Для сравнения с другими источниками графена, описанными в литературе, мы также измерили четырехзондовые сопротивления листов (рис. S5) и перечислили их как функцию пропускания при 550 нм (рис. S6) на рис. 2A. MGG демонстрирует сравнимую или более высокую проводимость и прозрачность, чем искусственно сложенный многослойный простой графен и восстановленный оксид графена (RGO) (6, 8, 18). Обратите внимание, что листовое сопротивление искусственно сложенного многослойного простого графена из литературы немного выше, чем у нашего MGG, вероятно, из-за неоптимизированных условий выращивания и метода переноса.
(A) Сопротивление четырехзондового листа в зависимости от коэффициента пропускания при 550 нм для нескольких типов графена, где черные квадраты обозначают моно-, двух- и трехслойные MGG; красные кружки и синие треугольники соответствуют многослойному простому графену, выращенному на Cu и Ni, из исследований Li et al. (6) и Ким и др. (8) соответственно и впоследствии перенесены на SiO2/Si или кварц; а зеленые треугольники — значения для RGO при разных степенях восстановления из исследования Bonaccorso et al. (18). (B и C) Нормализованное изменение сопротивления одно-, двух- и трехслойных МГГ и G в зависимости от деформации, перпендикулярной (B) и параллельной (C) направлению тока. (D) Нормализованное изменение сопротивления бислоя G (красный) и MGG (черный) при циклической деформационной нагрузке до 50% перпендикулярной деформации. (E) Нормализованное изменение сопротивления трехслоев G (красный) и MGG (черный) при циклической деформационной нагрузке до 90% параллельной деформации. (F) Нормализованное изменение емкости моно-, би- и трехслойных G, а также двух- и трехслойных МГГ в зависимости от деформации. На вставке представлена структура конденсатора, в которой полимерная подложка представляет собой SEBS, а полимерный диэлектрический слой — SEBS толщиной 2 мкм.
Чтобы оценить характеристики MGG в зависимости от деформации, мы перенесли графен на подложки из термопластичного эластомера стирола-этилен-бутадиен-стирола (SEBS) (шириной ~ 2 см и длиной ~ 5 см), а проводимость измеряли при растяжении подложки. (см. «Материалы и методы») как перпендикулярно, так и параллельно направлению тока (рис. 2, Б и В). Зависимое от деформации электрическое поведение улучшилось за счет включения наносвитков и увеличения количества слоев графена. Например, когда деформация перпендикулярна потоку тока, для однослойного графена добавление свитков увеличило деформацию при электрическом разрыве с 5 до 70%. Устойчивость к деформации трехслойного графена также значительно улучшена по сравнению с однослойным графеном. При использовании наносвитков при 100% перпендикулярной деформации сопротивление трехслойной структуры MGG увеличилось только на 50% по сравнению с 300% для трехслойного графена без свитков. Исследовано изменение сопротивления при циклическом деформационном нагружении. Для сравнения (рис. 2D), сопротивление простой двухслойной графеновой пленки увеличилось примерно в 7,5 раз после ~ 700 циклов при перпендикулярной деформации 50% и продолжало увеличиваться с деформацией в каждом цикле. С другой стороны, сопротивление двухслойного МГГ увеличилось всего примерно в 2,5 раза после ~700 циклов. При приложении деформации до 90% в параллельном направлении сопротивление трехслойного графена увеличилось в ~100 раз после 1000 циклов, тогда как у трехслойного МГГ оно всего лишь в ~8 раз (рис. 2Д). Результаты циклирования показаны на рис. С7. Относительно более быстрое увеличение сопротивления вдоль параллельного направления деформации обусловлено тем, что ориентация трещин перпендикулярна направлению тока. Отклонение сопротивления при нагрузке и разгрузке обусловлено вязкоупругим восстановлением эластомерной основы SEBS. Более стабильное сопротивление полосок MGG во время езды на велосипеде обусловлено наличием больших свитков, которые могут перекрывать растрескавшиеся части графена (что наблюдается с помощью АСМ), помогая поддерживать путь просачивания. Об этом явлении сохранения проводимости путем перколяции сообщалось ранее для растрескавшихся металлических или полупроводниковых пленок на эластомерных подложках (40, 41).
Чтобы оценить эти пленки на основе графена в качестве затворных электродов в растягивающихся устройствах, мы покрыли слой графена диэлектрическим слоем SEBS (толщиной 2 мкм) и контролировали изменение диэлектрической емкости в зависимости от деформации (см. рис. 2F и дополнительные материалы для подробности). Мы заметили, что емкости однослойных и двухслойных графеновых электродов быстро уменьшаются из-за потери плоскостной проводимости графена. Напротив, емкости, управляемые MGG, а также простой трехслойный графен, показали увеличение емкости с деформацией, что и ожидалось из-за уменьшения толщины диэлектрика с деформацией. Ожидаемое увеличение емкости очень хорошо соответствовало структуре MGG (рис. S8). Это указывает на то, что МГГ пригоден в качестве электрода затвора для растяжимых транзисторов.
Для дальнейшего изучения роли одномерной графеновой свитки на устойчивость к деформации электропроводности и лучшего контроля разделения между графеновыми слоями мы использовали УНТ с напылением вместо графеновых свитков (см. Дополнительные материалы). Чтобы имитировать структуры MGG, мы нанесли УНТ трех плотностей (т.е. УНТ1
(от A до C) АСМ-изображения УНТ трех разных плотностей (CNT1
Чтобы лучше понять их возможности в качестве электродов для растягивающейся электроники, мы систематически исследовали морфологию MGG и G-CNT-G под нагрузкой. Оптическая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) не являются эффективными методами определения характеристик, поскольку им не хватает цветового контраста, а СЭМ подвержен артефактам изображения во время электронного сканирования, когда графен находится на полимерных подложках (рис. S9 и S10). Чтобы наблюдать in situ поверхность графена под напряжением, мы провели измерения АСМ на трехслойных MGG и простом графене после переноса на очень тонкие (толщиной ~ 0,1 мм) и эластичные подложки SEBS. Из-за внутренних дефектов CVD-графена и внешних повреждений в процессе переноса на деформированном графене неизбежно образуются трещины, и с увеличением деформации трещины становятся более плотными (рис. 4, A–D). В зависимости от структуры укладки углеродных электродов трещины имеют различную морфологию (рис. S11) (27). Плотность площади трещин (определяемая как площадь трещины/анализируемая площадь) многослойного графена меньше, чем у монослойного графена после деформации, что согласуется с увеличением электропроводности МГГ. С другой стороны, часто наблюдаются свитки, перекрывающие трещины, обеспечивая дополнительные проводящие пути в напряженной пленке. Например, как показано на изображении на рис. 4B, широкая свитка пересекла трещину в трехслойном MGG, но в простом графене свитка не наблюдалась (рис. 4, от E до H). Точно так же УНТ перекрывают трещины в графене (рис. S11). Плотность площади трещин, плотность площади прокрутки и шероховатость пленок суммированы на рис. 4K.
(от A до H) АСМ-изображения in situ трехслойных свитков G/G (от A до D) и трехслойных структур G (от E до H) на очень тонком эластомере SEBS (толщина ~ 0,1 мм) при 0, 20, 60 и 100. % напряжение. Характерные трещины и завитки отмечены стрелками. Все изображения АСМ имеют площадь 15 мкм × 15 мкм и имеют ту же цветовую шкалу, что и маркировка. (I) Геометрия моделирования узорчатых однослойных графеновых электродов на подложке SEBS. (J) Контурная карта моделирования максимальной главной логарифмической деформации в монослойном графене и подложке SEBS при внешней деформации 20%. (K) Сравнение плотности площади трещин (красный столбец), плотности площади прокрутки (желтый столбец) и шероховатости поверхности (синий столбец) для различных графеновых структур.
Когда пленки MGG растягиваются, существует важный дополнительный механизм, благодаря которому свитки могут перекрывать потрескавшиеся участки графена, поддерживая перколяционную сеть. Свитки графена многообещающи, поскольку они могут достигать десятков микрометров в длину и, следовательно, способны перекрывать трещины, размер которых обычно достигает микрометра. Кроме того, поскольку свитки состоят из нескольких слоев графена, ожидается, что они будут иметь низкое сопротивление. Для сравнения, относительно плотные (с более низким коэффициентом пропускания) сети УНТ должны обеспечивать сопоставимую способность проводящего мостика, поскольку УНТ меньше (обычно несколько микрометров в длину) и менее проводящие, чем свитки. С другой стороны, как показано на рис. S12, хотя графен трескается во время растяжения, чтобы выдержать напряжение, свитки не трескаются, что указывает на то, что последние могут скользить по нижележащему графену. Причина, по которой они не трескаются, вероятно, связана со свернутой структурой, состоящей из множества слоев графена (длиной от ~1 до 20 мкм, шириной от ~0,1 до 1 мкм и высотой от ~10 до 100 нм), которая имеет более высокий эффективный модуль, чем у однослойного графена. Как сообщили Грин и Херсам (42), сети металлических УНТ (диаметр трубки 1,0 нм) могут достигать низкого поверхностного сопротивления <100 Ом/кв., несмотря на большое сопротивление перехода между УНТ. Учитывая, что наши графеновые свитки имеют ширину от 0,1 до 1 мкм и что свитки G/G имеют гораздо большие площади контакта, чем УНТ, контактное сопротивление и площадь контакта между графеном и графеновыми свитками не должны быть ограничивающими факторами для поддержания высокой проводимости.
Графен имеет гораздо более высокий модуль, чем подложка SEBS. Хотя эффективная толщина графенового электрода намного меньше, чем у подложки, жесткость графена, умноженная на его толщину, сравнима с жесткостью подложки (43, 44), что приводит к умеренному эффекту жесткого острова. Мы смоделировали деформацию графена толщиной 1 нм на подложке SEBS (подробнее см. В дополнительных материалах). Согласно результатам моделирования, когда к подложке SEBS снаружи прикладывается 20% деформации, средняя деформация графена составляет ~6,6% (рис. 4J и рис. S13D), что согласуется с экспериментальными наблюдениями (см. рис. S13). . Мы сравнили деформацию в областях узорчатого графена и подложки с помощью оптической микроскопии и обнаружили, что деформация в области подложки как минимум в два раза превышает деформацию в области графена. Это указывает на то, что деформация, приложенная к рисункам графеновых электродов, может быть значительно ограничена, образуя жесткие островки графена поверх SEBS (26, 43, 44).
Таким образом, способность электродов MGG сохранять высокую проводимость при высоких нагрузках, вероятно, обеспечивается двумя основными механизмами: (i) спирали могут перекрывать разъединенные области, поддерживая проводящий путь перколяции, и (ii) многослойные листы графена/эластомер могут скользить. друг над другом, что приводит к снижению нагрузки на графеновые электроды. В случае нескольких слоев перенесенного графена на эластомер слои не прочно связаны друг с другом, что может скользить в ответ на деформацию (27). Свитки также увеличили шероховатость слоев графена, что может помочь увеличить расстояние между слоями графена и, следовательно, обеспечить скольжение слоев графена.
Полностью углеродные устройства пользуются большим спросом из-за низкой стоимости и высокой производительности. В нашем случае полностью углеродные транзисторы были изготовлены с использованием нижнего графенового затвора, верхнего графенового контакта истока/стока, отсортированного полупроводника УНТ и SEBS в качестве диэлектрика (рис. 5А). Как показано на рис. 5Б, полностью углеродное устройство с УНТ в качестве истока/стока и затвора (нижнее устройство) более непрозрачно, чем устройство с графеновыми электродами (верхнее устройство). Это связано с тем, что сети УНТ требуют большей толщины и, следовательно, более низких оптических коэффициентов пропускания для достижения поверхностного сопротивления, аналогичного сопротивлению графена (рис. S4). На рисунке 5 (C и D) показаны характерные кривые передачи и вывода до деформации для транзистора, изготовленного с двухслойными электродами MGG. Ширина канала и длина ненапряженного транзистора составляли 800 и 100 мкм соответственно. Измеренный коэффициент включения/выключения превышает 103 при токах включения и выключения на уровне 10-5 и 10-8 А соответственно. Выходная кривая демонстрирует идеальные линейные режимы и режимы насыщения с четкой зависимостью от напряжения на затворе, что указывает на идеальный контакт между УНТ и графеновыми электродами (45). Контактное сопротивление с графеновыми электродами оказалось ниже, чем с напыленной пленкой Au (см. рис. S14). Подвижность насыщения растягиваемого транзистора составляет около 5,6 см2/Вс, что аналогично подвижности тех же УНТ-транзисторов с полимерной сортировкой на жестких кремниевых подложках с SiO2 толщиной 300 нм в качестве диэлектрического слоя. Дальнейшее улучшение мобильности возможно за счет оптимизации плотности трубок и других типов трубок (46).
(А) Схема растягиваемого транзистора на основе графена. ОСНТ – одностенные углеродные нанотрубки. (Б) Фотография растягиваемых транзисторов, изготовленных из графеновых электродов (вверху) и электродов из УНТ (внизу). Разница в прозрачности хорошо заметна. (C и D) Кривые передачи и вывода транзистора на основе графена на SEBS до деформации. (E и F) Кривые передачи, ток включения и выключения, коэффициент включения/выключения и подвижность транзистора на основе графена при различных нагрузках.
Когда прозрачное полностью углеродное устройство было растянуто в направлении, параллельном направлению переноса заряда, минимальная деградация наблюдалась до деформации 120%. Во время растяжения подвижность постоянно уменьшалась от 5,6 см2/Вс при деформации 0% до 2,5 см2/Вс при деформации 120% (рис. 5F). Мы также сравнили характеристики транзисторов для каналов разной длины (см. таблицу S1). Примечательно, что при деформации до 105% все эти транзисторы по-прежнему демонстрировали высокий коэффициент включения/выключения (>103) и подвижность (>3 см2/Вс). Кроме того, мы суммировали все последние работы по полностью углеродным транзисторам (см. таблицу S2) (47–52). За счет оптимизации изготовления устройств на основе эластомеров и использования MGG в качестве контактов наши полностью углеродные транзисторы демонстрируют хорошие характеристики с точки зрения подвижности и гистерезиса, а также высокую растяжимость.
В качестве применения полностью прозрачного и растягиваемого транзистора мы использовали его для управления переключением светодиода (рис. 6А). Как показано на рис. 6B, зеленый светодиод хорошо виден через растягивающееся полностью углеродное устройство, расположенное прямо над ним. При растяжении до ~100% (рис. 6, C и D) интенсивность света светодиода не меняется, что соответствует характеристикам транзистора, описанным выше (см. фильм S1). Это первый отчет о растягиваемых блоках управления, изготовленных с использованием графеновых электродов, демонстрирующий новые возможности растягиваемой графеновой электроники.
(A) Схема транзистора для управления светодиодом. GND, земля. (B) Фотография растягивающегося и прозрачного полностью углеродного транзистора при деформации 0%, установленного над зеленым светодиодом. (C) Полностью углеродный прозрачный и растягивающийся транзистор, используемый для переключения светодиода, устанавливается над светодиодом при деформации 0% (слева) и ~ 100% (справа). Белые стрелки указывают на желтые маркеры на устройстве, показывая изменение растягиваемого расстояния. (D) Вид сбоку на растянутый транзистор со светодиодом, вставленным в эластомер.
В заключение мы разработали прозрачную проводящую структуру графена, которая сохраняет высокую проводимость при больших деформациях в качестве растягивающихся электродов, что обеспечивается за счет графеновых наносвитков между сложенными друг на друга графеновыми слоями. Эти двух- и трехслойные структуры электродов MGG на эластомере могут сохранять 21 и 65%, соответственно, от их 0% проводимости при деформации при деформации до 100% по сравнению с полной потерей проводимости при деформации 5% для типичных однослойных графеновых электродов. . Дополнительные проводящие пути графеновых свитков, а также слабое взаимодействие между переносимыми слоями способствуют превосходной стабильности проводимости при растяжении. Далее мы применили эту графеновую структуру для изготовления полностью углеродных растягивающихся транзисторов. На данный момент это самый растяжимый транзистор на основе графена с лучшей прозрачностью без использования коробления. Хотя настоящее исследование было проведено с целью использования графена в растягиваемой электронике, мы считаем, что этот подход можно распространить на другие 2D-материалы, чтобы сделать возможным растягивающуюся 2D-электронику.
Графен CVD большой площади выращивали на подвешенных медных фольгах (99,999%; Alfa Aesar) при постоянном давлении 0,5 мторр с использованием 50–SCCM (стандартный кубический сантиметр в минуту) CH4 и 20–SCCM H2 в качестве предшественников при 1000°C. Обе стороны медной фольги были покрыты монослоем графена. Тонкий слой ПММА (2000 об/мин; A4, Microchem) был нанесен методом центрифугирования на одну сторону медной фольги, образуя структуру ПММА/G/Cu фольга/G. затем всю пленку замачивали в 0,1 М растворе персульфата аммония [(NH4)2S2O8] примерно на 2 часа для травления медной фольги. Во время этого процесса незащищенная задняя сторона графена сначала разрывалась по границам зерен, а затем сворачивалась в свитки из-за поверхностного натяжения. Свитки были прикреплены к верхней графеновой пленке, нанесенной на PMMA, образуя свитки PMMA/G/G. Затем пленки несколько раз промывали в деионизированной воде и укладывали на целевую подложку, например жесткую SiO2/Si или пластиковую подложку. После высыхания прикрепленной пленки на подложке образец последовательно замачивали в ацетоне, ацетоне/IPA (изопропиловый спирт) в соотношении 1:1 и IPA по 30 с для удаления ПММА. Пленки нагревали при 100°C в течение 15 мин или выдерживали в вакууме в течение ночи для полного удаления захваченной воды перед переносом на них еще одного слоя G/G-свитка. Этот шаг был направлен на то, чтобы избежать отделения графеновой пленки от подложки и обеспечить полное покрытие МГГ во время освобождения несущего слоя ПММА.
Морфологию структуры МГГ наблюдали с помощью оптического микроскопа (Leica) и сканирующего электронного микроскопа (1 кВ; FEI). Атомно-силовой микроскоп (Nanscope III, Digital Instrument) работал в постукивающем режиме для наблюдения за деталями G-свитков. Прозрачность пленки проверяли с помощью ультрафиолето-видимого спектрометра (Agilent Cary 6000i). Для испытаний, когда деформация осуществлялась перпендикулярно направлению тока тока, применялись фотолитография и O2-плазма для формирования структуры графеновых структур в полоски (шириной ~300 мкм и длиной ~2000 мкм), а Au (50 нм) электроды термически наносились с использованием теневые маски на обоих концах длинной стороны. Затем графеновые полоски приводили в контакт с эластомером SEBS (шириной ~2 см и длиной ~5 см), причем длинная ось полосок была параллельна короткой стороне SEBS, с последующим BOE (травлением буферного оксида) (HF:H2O). 1:6) травление и эвтектический галлий-индий (EGaIn) в качестве электрических контактов. Для испытаний на параллельную деформацию графеновые структуры без рисунка (~5 × 10 мм) переносили на подложки SEBS, причем длинные оси были параллельны длинной стороне подложки SEBS. В обоих случаях весь G (без G-свитков)/SEBS растягивали вдоль длинной стороны эластомера в ручном аппарате и in situ измеряли изменение их сопротивления под нагрузкой на зондовой станции с полупроводниковым анализатором (Keithley 4200 -СКС).
Полностью углеродные транзисторы с высокой степенью растягиваемости и прозрачностью на эластичной подложке были изготовлены с помощью следующих процедур, чтобы избежать повреждения полимерного диэлектрика и подложки органическими растворителями. Структуры MGG были перенесены на SEBS в качестве затворных электродов. Для получения однородного тонкопленочного полимерного диэлектрического слоя (толщиной 2 мкм) раствором СЭБС в толуоле (80 мг/мл) наносили методом центрифугирования подложку SiO2/Si, модифицированную октадецилтрихлорсиланом (ОТС), при 1000 об/мин в течение 1 мин. Тонкая диэлектрическая пленка может быть легко перенесена с гидрофобной поверхности OTS на подложку SEBS, покрытую свежеприготовленным графеном. Конденсатор можно изготовить путем нанесения верхнего электрода из жидкого металла (EGaIn; Sigma-Aldrich) для определения емкости как функции деформации с помощью измерителя LCR (индуктивности, емкости, сопротивления) (Agilent). Другая часть транзистора состояла из полупроводниковых УНТ, отсортированных по полимерам, в соответствии с описанными ранее процедурами (53). Узорчатые электроды истока/стока были изготовлены на жестких подложках SiO2/Si. Впоследствии две части, диэлектрик/G/SEBS и УНТ/с рисунком G/SiO2/Si, были ламинированы друг с другом и пропитаны БОЭ для удаления жесткой подложки SiO2/Si. Таким образом, были изготовлены полностью прозрачные и растяжимые транзисторы. Электрические испытания под нагрузкой проводили на установке для ручного растяжения, как описано выше.
Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1.
инжир. С1. Изображения оптической микроскопии монослоя МГГ на подложках SiO2/Si при различных увеличениях.
инжир. С4. Сравнение сопротивлений и коэффициентов пропускания двухзондовых листов при 550 нм моно-, двух- и трехслойного простого графена (черные квадраты), MGG (красные кружки) и УНТ (синий треугольник).
инжир. С7. Нормализованное изменение сопротивления одно- и двухслойных МГГ (черный) и G (красный) при циклическом деформационном нагружении ~1000 до 40 и 90% параллельной деформации соответственно.
инжир. С10. СЭМ-изображение трехслойного MGG на эластомере SEBS после деформации, показывающее длинный завиток, пересекающий несколько трещин.
инжир. С12. АСМ-изображение трехслойного MGG на очень тонком эластомере SEBS при деформации 20%, показывающее, что спираль пересекла трещину.
таблица С1. Подвижность двухслойных транзисторов МГГ – одностенные углеродные нанотрубки при различной длине канала до и после деформации.
Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях некоммерческой лицензии Creative Commons с указанием авторства, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, при условии, что результирующее использование не преследует коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа надлежащим образом сохранена. цитируется.
ПРИМЕЧАНИЕ. Мы запрашиваем ваш адрес электронной почты только для того, чтобы человек, которому вы рекомендуете страницу, знал, что вы хотели, чтобы он ее увидел, и что это не нежелательная почта. Мы не фиксируем адреса электронной почты.
Этот вопрос предназначен для проверки того, являетесь ли вы посетителем-человеком, и для предотвращения автоматической рассылки спама.
Нан Лю, Алекс Чортос, Тинг Лэй, Лихуа Цзинь, Тэхо Рой Ким, Вон Гю Пэ, Чэньсин Чжу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюань Чен, Роберт Синклер, Чженань Бао
Нан Лю, Алекс Чортос, Тинг Лэй, Лихуа Цзинь, Тэхо Рой Ким, Вон Гю Пэ, Чэньсин Чжу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюань Чен, Роберт Синклер, Чженань Бао
© 2021 Американская ассоциация содействия развитию науки. Все права защищены. AAAS является партнером HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef и COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Время публикации: 28 января 2021 г.