Двумерные материалы, такие как графен, привлекательны как для обычных полупроводниковых приложений, так и для зарождающихся приложений в гибкой электронике.Однако высокая прочность графена на растяжение приводит к разрушению при низкой деформации, что затрудняет использование его исключительных электронных свойств в растяжимой электронике.Чтобы обеспечить отличные характеристики прозрачных графеновых проводников в зависимости от деформации, мы создали графеновые наносвитки между сложенными графеновыми слоями, называемые многослойными графеновыми/графеновыми спиралями (MGG).При напряжении некоторые свитки соединяли фрагментированные домены графена, чтобы поддерживать перколяционную сеть, которая обеспечивала превосходную проводимость при высоких напряжениях.Трехслойные MGG, нанесенные на эластомеры, сохраняли 65 % своей исходной проводимости при 100 % деформации, перпендикулярной направлению протекания тока, тогда как трехслойные пленки графена без наносвитков сохраняли только 25 % исходной проводимости.Растяжимый полностью углеродный транзистор, изготовленный с использованием MGG в качестве электродов, показал коэффициент пропускания> 90% и сохранил 60% своего исходного выходного тока при деформации 120% (параллельно направлению переноса заряда).Эти легко растягивающиеся и прозрачные полностью углеродные транзисторы могут позволить создать сложную растяжимую оптоэлектронику.
Растягиваемая прозрачная электроника — это растущая область, которая имеет важные применения в передовых биоинтегрированных системах (1, 2), а также потенциал для интеграции с растяжимой оптоэлектроникой (3, 4) для создания сложной мягкой робототехники и дисплеев.Графен обладает очень желательными свойствами атомной толщины, высокой прозрачности и высокой проводимости, но его применение в растягиваемых приложениях сдерживается его тенденцией к растрескиванию при небольших напряжениях.Преодоление механических ограничений графена может обеспечить новые функциональные возможности растягиваемых прозрачных устройств.
Уникальные свойства графена делают его сильным кандидатом на роль следующего поколения прозрачных проводящих электродов (5, 6).По сравнению с наиболее часто используемым прозрачным проводником, оксидом индия-олова [ITO;100 Ом/квадрат (квадрат) при прозрачности 90%], монослойный графен, выращенный методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), имеет аналогичную комбинацию поверхностного 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 его проводимость может сохраняться даже при радиусе изгиба кривизны 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 размерных гетероструктурных полупроводников (таких как двумерный объемный кремний, одномерные нанопроволоки/нанотрубки и нулевые квантовые точки) (12), гибких транзисторов, солнечных элементов и светоизлучающих диодов (СИД) (13). –23).
Хотя графен показал многообещающие результаты для гибкой электроники, его применение в растягиваемой электронике было ограничено его механическими свойствами (17, 24, 25);графен имеет плоскостную жесткость 340 Н/м и модуль Юнга 0,5 ТПа (26).Прочная углерод-углеродная сеть не обеспечивает каких-либо механизмов рассеяния энергии для приложенной деформации и поэтому легко трескается при деформации менее 5%.Например, CVD-графен, перенесенный на эластичную подложку из полидиметилсилоксана (PDMS), может сохранять свою проводимость только при деформации менее 6% (8).Теоретические расчеты показывают, что смятие и взаимодействие между различными слоями должно сильно снижать жесткость (26).Сообщается, что при укладке графена в несколько слоев этот двухслойный или трехслойный графен растягивается до деформации 30%, демонстрируя изменение сопротивления в 13 раз меньше, чем у однослойного графена (27).Однако эта растяжимость по-прежнему значительно уступает современным растяжимым проводникам (28, 29).
Транзисторы играют важную роль в растяжимых приложениях, потому что они обеспечивают сложные показания датчиков и анализ сигналов (30, 31).Транзисторы на PDMS с многослойным графеном в качестве электродов истока/стока и материала канала могут сохранять электрическую функцию при деформации до 5% (32), что значительно ниже минимально необходимого значения (~50%) для носимых датчиков контроля состояния здоровья и электронной кожи ( 33, 34).Недавно был исследован подход графенового киригами, и транзистор, управляемый жидким электролитом, может быть растянут до 240% (35).Однако этот метод требует подвешенного графена, что усложняет процесс изготовления.
Здесь мы получаем графеновые устройства с высокой степенью растяжения, вставляя графеновые свитки (длиной от ~ 1 до 20 мкм, шириной от ~ 0,1 до 1 мкм и высотой от ~ 10 до 100 нм) между графеновыми слоями.Мы предполагаем, что эти свитки графена могут обеспечивать проводящие пути для перекрытия трещин в листах графена, таким образом поддерживая высокую проводимость при деформации.Графеновые свитки не требуют дополнительного синтеза или обработки;они естественным образом образуются во время процедуры влажного переноса.Используя многослойные G/G (графен/графеновые) спиральные (MGG), графеновые растягиваемые электроды (исток/сток и затвор) и полупроводниковые УНТ, мы смогли продемонстрировать высокопрозрачные и сильно растягивающиеся полностью углеродные транзисторы, которые можно растянуть до 120°. % деформации (параллельно направлению переноса заряда) и сохраняют 60 % своего первоначального выходного тока.На сегодняшний день это самый растяжимый прозрачный углеродный транзистор, и он обеспечивает достаточный ток для питания неорганического светодиода.
Чтобы получить прозрачные растягиваемые графеновые электроды с большой площадью, 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 поли(метилметакрилата) (ПММА) центрифугированием, чтобы защитить одну сторону графена, которую мы назвали графеном верхней стороны (наоборот, для другой стороны графена), а затем вся пленка (ПММА/верхний графен/Cu/нижний графен) была пропитана раствором (NH4)2S2O8 для вытравливания медной фольги.Графен на нижней стороне без покрытия из ПММА неизбежно будет иметь трещины и дефекты, через которые травитель сможет проникнуть (36, 37).Как показано на рис. 1А, под действием поверхностного натяжения высвобожденные графеновые домены сворачиваются в спираль и впоследствии прикрепляются к оставшейся пленке top-G/PMMA.Свитки top-G/G можно было перенести на любую подложку, такую как 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 MGGs в качестве растягиваемого электрода.При переносе графена обратная сторона графена на медной фольге разрывалась по границам и дефектам, сворачивалась в произвольные формы и плотно прикреплялась к верхним пленкам, образуя наносвитки.На четвертом рисунке изображена многослойная структура MGG.(B и C) Характеристики ПЭМ с высоким разрешением монослойного MGG с акцентом на монослойный графен (B) и область прокрутки (C) соответственно.Вставка (B) представляет собой изображение с малым увеличением, показывающее общую морфологию монослойных MGG на сетке ПЭМ.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 EEL углерода K-края с помеченными характерными графитовыми пиками π * и σ *.(E) АСМ-изображение монослоя G/G в разрезе с профилем высоты вдоль желтой пунктирной линии.(F к I) Оптическая микроскопия и изображения АСМ трехслойного G без (F и H) и со спиралями (G и I) на подложках SiO2/Si толщиной 300 нм соответственно.Репрезентативные свитки и морщины были помечены, чтобы подчеркнуть их различия.
Чтобы убедиться, что свитки представляют собой свернутый графен по своей природе, мы провели исследования просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (ПЭМ) и спектроскопии потерь энергии электронов (EEL) на монослойных спиральных структурах с верхним G/G.На рисунке 1B показана гексагональная структура монослойного графена, а на вставке представлена общая морфология пленки, покрытой одним углеродным отверстием сетки ПЭМ.Монослойный графен охватывает большую часть сетки, и появляются некоторые графеновые чешуйки в присутствии нескольких стопок гексагональных колец (рис. 1Б).При увеличении масштаба 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 скручены случайным образом и не являются идеальным графитом, который имеет шаг решетки 0,34 нм при укладке слоев «ABAB».На рисунке 1D показан спектр EEL углерода K-края, где пик при 285 эВ происходит от орбитали π *, а другой пик около 290 эВ связан с переходом орбитали σ *.Видно, что в этой структуре преобладает sp2-связь, что подтверждает высокую графитность свитков.
Изображения оптической микроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ) дают представление о распределении графеновых наносвитков в MGG (рис. 1, E–G и рис. S1 и S2).Завитки случайным образом распределяются по поверхности, и их плотность в плоскости увеличивается пропорционально количеству уложенных слоев.Многие свитки запутаны 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), завитки имеют значительно больший размер, чем морщины, что приводит к гораздо более грубому интерфейсу между слоями графена.
Для измерения электрических свойств мы с помощью фотолитографии сформировали графеновые пленки со спиральными структурами или без них и уложили слои в полоски шириной 300 мкм и длиной 2000 мкм.Сопротивление двухзондов в зависимости от деформации измеряли в условиях окружающей среды.Наличие завитков уменьшило удельное сопротивление однослойного графена на 80% при снижении коэффициента пропускания всего на 2,2% (рис. S4).Это подтверждает, что наносвитки с высокой плотностью тока до 5 × 107 А/см2 (38, 39) вносят очень положительный электрический вклад в MGG.Среди всех моно-, би- и трехслойных простых графенов и MGG трехслойный MGG имеет наилучшую проводимость с прозрачностью почти 90%.Чтобы сравнить с другими источниками графена, о которых сообщается в литературе, мы также измерили сопротивление листов с четырьмя датчиками (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 листовые сопротивления искусственно сложенного многослойного простого графена из литературы немного выше, чем у нашего MGG, вероятно, из-за их неоптимизированных условий роста и метода переноса.
(A) Сопротивление листа с четырьмя зондами в зависимости от пропускания при 550 нм для нескольких типов графена, где черные квадраты обозначают моно-, би- 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, а затем переносили на SiO2/Si или кварц;а зеленые треугольники — значения RGO при различных степенях редукции из исследования Bonaccorso et al.( 18).(B и C) Нормализованное изменение сопротивления моно-, двух- и трехслойных MGG и G в зависимости от перпендикулярной (B) и параллельной (C) деформации к направлению тока.(D) Нормализованное изменение сопротивления бислоя G (красный) и MGG (черный) при циклической деформации до 50% перпендикулярной деформации.(E) Нормализованное изменение сопротивления трехслойного слоя G (красный) и MGG (черный) при циклической деформации до 90% параллельной деформации.(F) Нормализованное изменение емкости моно-, двух- и трехслойных G и двух- и трехслойных MGG в зависимости от деформации.Вставка — конструкция конденсатора, где полимерная подложка — СЭБС, а полимерный диэлектрический слой — СЭБС толщиной 2 мкм.
Чтобы оценить характеристики MGG в зависимости от деформации, мы перенесли графен на подложки из термопластичного эластомера стирол-этилен-бутадиен-стирол (SEBS) (~ 2 см в ширину и ~ 5 см в длину) и измеряли проводимость по мере растяжения подложки. (см. Материалы и методы) как перпендикулярно, так и параллельно направлению тока (рис. 2, Б и В).Электрическое поведение, зависящее от деформации, улучшилось за счет включения наносвитков и увеличения количества графеновых слоев.Например, когда деформация перпендикулярна протеканию тока, для однослойного графена добавление спиралей увеличило деформацию при электрическом разрыве с 5 до 70%.Устойчивость к деформации трехслойного графена также значительно улучшена по сравнению с однослойным графеном.С наносвитками 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 раза после ~ 700 циклов при 50% перпендикулярной деформации и продолжало увеличиваться с деформацией в каждом цикле.С другой стороны, сопротивление двухслойного MGG увеличилось лишь 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 в трехслойном МГГ оно составляет всего ~8 раз (рис. 2Д).Результаты циклирования представлены на рис.С7.Относительно более быстрое увеличение сопротивления вдоль направления параллельной деформации связано с тем, что ориентация трещин перпендикулярна направлению тока.Отклонение сопротивления при нагружении и разгрузке связано с вязкоупругим восстановлением эластомерной подложки SEBS.Более стабильное сопротивление полосок MGG во время циклирования обусловлено наличием больших спиралей, которые могут перекрывать треснувшие части графена (как это наблюдалось с помощью АСМ), помогая поддерживать перколяционный путь.Об этом явлении сохранения проводимости перколяционным путем сообщалось ранее для растрескавшихся металлических или полупроводниковых пленок на эластомерных подложках (40, 41).
Чтобы оценить эти пленки на основе графена в качестве электродов затвора в растягиваемых устройствах, мы покрыли графеновый слой диэлектрическим слоем SEBS (толщиной 2 мкм) и отслеживали изменение диэлектрической емкости в зависимости от деформации (см. рис. 2F и Дополнительные материалы для Детали).Мы заметили, что емкости с простыми монослойными и двухслойными графеновыми электродами быстро уменьшаются из-за потери проводимости графена в плоскости.Напротив, емкости, управляемые MGG, а также простой трехслойный графен, показали увеличение емкости с деформацией, что ожидается из-за уменьшения толщины диэлектрика с деформацией.Ожидаемое увеличение емкости очень хорошо соответствовало структуре MGG (рис. S8).Это указывает на то, что MGG подходит в качестве электрода затвора для растягиваемых транзисторов.
Для дальнейшего изучения роли одномерного графенового витка в устойчивости к деформации электропроводности и лучшего контроля разделения между графеновыми слоями мы использовали УНТ с напылением для замены графеновых витков (см. Дополнительные материалы).Чтобы имитировать структуры MGG, мы нанесли УНТ трех плотностей (то есть УНТ1
(от A до C) АСМ-изображения трех различных плотностей УНТ (CNT1
Чтобы лучше понять их возможности в качестве электродов для растягиваемой электроники, мы систематически исследовали морфологию MGG и G-CNT-G под нагрузкой.Оптическая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) не являются эффективными методами характеризации, поскольку оба они не имеют цветового контраста, а СЭМ подвержена артефактам изображения во время электронного сканирования, когда графен находится на полимерных подложках (рис. S9 и S10).Чтобы наблюдать на месте деформируемую поверхность графена, мы собрали 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 натянутом графене неизбежно образуются трещины, и с увеличением деформации трещины уплотняются (рис. 4, от A до D).В зависимости от структуры укладки углеродных электродов трещины имеют различную морфологию (рис. S11) (27).Плотность площади трещины (определяемая как площадь трещины/анализируемая площадь) многослойного графена меньше, чем плотность однослойного графена после деформации, что согласуется с увеличением электропроводности для MGG.С другой стороны, часто наблюдаются завитки, перекрывающие трещины, обеспечивая дополнительные проводящие пути в натянутой пленке.Например, как отмечено на изображении на рис. 4B, широкий завиток пересек трещину в трехслойном MGG, но в простом графене завитка не наблюдалось (рис. 4, от E до H).Точно так же УНТ перекрывают трещины в графене (рис. S11).Плотность площади трещины, плотность площади завитка и шероховатость пленок представлены на рис. 4K.
(A–H) АСМ-изображения in situ трехслойных завитков G/G (A–D) и трехслойных G-структур (E–H) на очень тонком эластомере SEBS (толщиной ~0,1 мм) при 0, 20, 60 и 100°. % напряжение.Репрезентативные трещины и свитки отмечены стрелками.Все изображения АСМ находятся в области 15 мкм × 15 мкм с использованием той же шкалы цветовой шкалы, что и помечено.(I) Моделирование геометрии узорчатых однослойных графеновых электродов на подложке SEBS.(J) Контурная карта моделирования максимальной основной логарифмической деформации в монослойном графене и подложке SEBS при 20% внешней деформации.(K) Сравнение плотности площади трещины (красный столбец), плотности площади завитка (желтый столбец) и шероховатости поверхности (синий столбец) для различных графеновых структур.
Когда пленки MGG растягиваются, существует важный дополнительный механизм, благодаря которому спираль может соединять потрескавшиеся области графена, поддерживая перколяционную сеть.Свитки графена перспективны, потому что они могут иметь длину в десятки микрометров и, следовательно, способны перекрывать трещины, размер которых обычно достигает микрометра.Кроме того, поскольку свитки состоят из многослойного графена, ожидается, что они будут иметь низкое сопротивление.Для сравнения, относительно плотные (с более низким коэффициентом пропускания) сети УНТ необходимы для обеспечения сравнимой способности проводящего моста, поскольку УНТ меньше (обычно несколько микрометров в длину) и обладают меньшей проводимостью, чем спиральные.С другой стороны, как показано на рис.S12, в то время как графен трескается во время растяжения, чтобы приспособиться к деформации, свитки не трескаются, что указывает на то, что последние могут скользить по нижележащему графену.Причина того, что 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). более высокий эффективный модуль, чем у однослойного графена.Как сообщают Грин и Херсам (42), металлические сети УНТ (диаметр трубки 1,0 нм) могут обеспечивать низкое поверхностное сопротивление <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 большую площадь контакта, чем УНТ, контактное сопротивление и площадь контакта между графеновыми и графеновыми спиралями 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 (подробности см. В дополнительных материалах).Согласно результатам моделирования, когда к подложке SEBS снаружи прикладывается 20% деформации, средняя деформация в графене составляет ~6,6% (рис. 4J и рис. S13D), что согласуется с экспериментальными наблюдениями (см. рис. S13). .Мы сравнили деформацию в узорчатом графене и области 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 напряжение, приложенное к рисункам графеновых электродов, может быть значительно ограничено, образуя жесткие островки графена поверх СЭБС (26, 43, 44).
Таким образом, способность электродов MGG поддерживать высокую проводимость при высоких нагрузках, вероятно, обеспечивается двумя основными механизмами: (i) спираль может соединять разъединенные области для поддержания проводящего пути перколяции, и (ii) многослойные графеновые листы/эластомер могут скользить. друг над другом, что снижает нагрузку на графеновые электроды.Для нескольких слоев перенесенного графена на эластомер слои не сильно связаны друг с другом, что может привести к скольжению 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 исток/сток, отсортированного полупроводника из УНТ и СЭБС в качестве диэлектрика (рис. 5А).Как показано на рис. 5B, 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 CNT требуют большей толщины и, следовательно, более низкого оптического пропускания для достижения поверхностных сопротивлений, подобных графену (рис. S4).На рис. 5 (C и D) показаны репрезентативные кривые передачи и выхода до деформации для транзистора, изготовленного с двухслойными электродами MGG.Ширина канала и длина ненапряженного транзистора составляли 800 и 100 мкм соответственно.Измеренное отношение 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).Было замечено, что контактное сопротивление с графеновыми электродами ниже, чем с напыленной пленкой Au (см. рис. S14).Подвижность насыщения растягиваемого транзистора составляет около 5,6 см2/Вс, что аналогично подвижности таких же полимерных УНТ-транзисторов на жестких кремниевых подложках с 300-нм SiO2 в качестве диэлектрического слоя.Дальнейшее улучшение подвижности возможно при оптимизированной плотности трубок и других типах трубок (46).
(A) Схема растягиваемого транзистора на основе графена.ОСНТ, однослойные углеродные нанотрубки.(B) Фотография растягиваемых транзисторов 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, отношение включения/выключения и подвижность транзистора на основе графена при различных нагрузках.
Когда прозрачное полностью углеродное устройство растягивалось в направлении, параллельном направлению переноса заряда, минимальная деградация наблюдалась до деформации 120%.Во время растяжения подвижность непрерывно снижалась с 5,6 см2/Вс при 0% деформации до 2,5 см2/Вс при 120% деформации (рис. 5F).Мы также сравнили производительность транзисторов при разной длине канала (см. таблицу S1).Примечательно, что при напряжении до 105 % все эти транзисторы по-прежнему демонстрировали высокий коэффициент включения/выключения (>103) и подвижность (>3 см2/Вс).Кроме того, мы обобщили все последние работы по полностью углеродным транзисторам (см. таблицу S2) (47–52).Благодаря оптимизации изготовления устройств на эластомерах и использованию MGG в качестве контактов наши полностью углеродные транзисторы демонстрируют хорошие характеристики с точки зрения подвижности и гистерезиса, а также обладают высокой эластичностью.
В качестве применения полностью прозрачного и растягиваемого транзистора мы использовали его для управления переключением светодиода (рис. 6А).Как показано на рис. 6В, зеленый светодиод хорошо виден через растяжимое полностью углеродное устройство, расположенное прямо над ним.При растяжении до ~100% (рис. 6, C и D) интенсивность свечения светодиода не меняется, что согласуется с описанными выше характеристиками транзистора (см. фильм S1).Это первый отчет о растягиваемых блоках управления, изготовленных с использованием графеновых электродов, демонстрирующий новые возможности растягиваемой электроники из графена.
(A) Схема транзистора для управления светодиодом.GND, земля.(B) Фотография растягиваемого и прозрачного полностью углеродного транзистора при деформации 0%, установленного над зеленым светодиодом.(C) Полностью углеродный прозрачный и эластичный транзистор, используемый для переключения светодиода, установлен над светодиодом при 0% (слева) и ~ 100% деформации (справа).Белые стрелки указывают на желтые маркеры на устройстве, чтобы показать изменение расстояния при растяжении.(D) Вид сбоку на растянутый транзистор со светодиодом, вставленным в эластомер.
В заключение, мы разработали прозрачную проводящую графеновую структуру, которая поддерживает высокую проводимость при больших напряжениях в качестве растягиваемых электродов благодаря графеновым наносвиткам между слоями графена.Эти двух- и трехслойные электродные структуры MGG на эластомере могут поддерживать 21 и 65%, соответственно, своей проводимости при нулевой деформации при деформации до 100% по сравнению с полной потерей проводимости при деформации 5% для типичных однослойных графеновых электродов. .Дополнительные проводящие пути графеновых спиралей, а также слабое взаимодействие между переносимыми слоями способствуют превосходной стабильности проводимости при деформации.Далее мы применили эту графеновую структуру для изготовления полностью углеродных растяжимых транзисторов.На данный момент это самый растяжимый транзистор на основе графена с лучшей прозрачностью без использования коробления.Хотя настоящее исследование было проведено для использования графена в растяжимой электронике, мы считаем, что этот подход может быть распространен на другие 2D-материалы для создания растяжимой 2D-электроники.
CVD-графен большой площади был выращен на подвешенной медной фольге (99,999%; Alfa Aesar) при постоянном давлении 0,5 мторр с 50–SCCM (стандартный кубический сантиметр в минуту) CH4 и 20–SCCM H2 в качестве прекурсоров при 1000°C.Обе стороны медной фольги были покрыты однослойным графеном.Тонкий слой ПММА (2000 об/мин; A4, Microchem) наносился центрифугированием на одну сторону медной фольги, образуя структуру ПММА/G/медная фольга/G.затем всю пленку замачивали в 0,1 М растворе персульфата аммония [(NH4)2S2O8] примерно на 2 часа, чтобы вытравить медную фольгу.Во время этого процесса незащищенный графен с обратной стороны сначала рвался по границам зерен, а затем скручивался в спираль из-за поверхностного натяжения.Свитки были прикреплены к верхней графеновой пленке на основе ПММА, образуя свитки из ПММА/Г/Г.Затем пленки несколько раз промывали в деионизированной воде и укладывали на целевую подложку, такую как жесткая SiO2/Si или пластиковая подложка.Как только прикрепленная пленка высыхала на подложке, образец последовательно замачивали в ацетоне, 1:1 ацетон/ИПС (изопропиловый спирт) и ИПС на 30 с каждый 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 нее следующего слоя G/G-скролла.Этот шаг должен был избежать отделения графеновой пленки от подложки и обеспечить полное покрытие MGG во время высвобождения несущего слоя из ПММА.
Морфологию структуры MGG наблюдали с помощью оптического микроскопа (Leica) и сканирующего электронного микроскопа (1 кВ; FEI).Атомно-силовой микроскоп (Nanoscope III, Digital Instrument) работал в режиме постукивания для наблюдения за деталями свитков G.Прозрачность пленки проверяли с помощью спектрометра ультрафиолетового и видимого диапазонов (Agilent Cary 6000i).Для испытаний, когда деформация происходила вдоль перпендикулярного направления тока, фотолитография и плазма O2 использовались для формирования структур графена в полоски (~ 300 мкм шириной и ~ 2000 мкм), а электроды Au (50 нм) были термически осаждены с использованием теневые маски на обоих концах длинной стороны.Затем графеновые полоски контактировали с эластомером SEBS (шириной ~ 2 см и длиной ~ 5 см), при этом длинная ось полосок была параллельна короткой стороне SEBS с последующим BOE (травление буферным оксидом) (HF:H2O). 1:6) травление и эвтектика галлия-индия (EGaIn) в качестве электрических контактов.Для испытаний на параллельную деформацию графеновые структуры без рисунка (~5 × 10 мм) переносили на подложки СЭБС, причем длинные оси были параллельны длинной стороне подложки СЭБС.Для обоих случаев весь G (без витков G)/СЭБС растягивали вдоль длинной стороны эластомера в ручном аппарате, и на месте измеряли изменение их сопротивления при деформации на зондовой станции с полупроводниковым анализатором (Keithley 4200). -СКС).
Полностью растяжимые и прозрачные полностью углеродные транзисторы на эластичной подложке были изготовлены с использованием следующих процедур, чтобы избежать повреждения полимерного диэлектрика и подложки органическими растворителями.Структуры MGG переносили на SEBS в качестве электродов затвора.Для получения однородного тонкопленочного полимерного диэлектрического слоя (толщиной 2 мкм) раствор СЭБС в толуоле (80 мг/мл) наносили центрифугированием на подложку SiO2/Si, модифицированную октадецилтрихлорсиланом (OTS), при 1000 об/мин в течение 1 мин.Тонкая диэлектрическая пленка легко переносится с гидрофобной поверхности ОТС на подложку СЭБС, покрытую свежеприготовленным графеном.Конденсатор можно изготовить путем осаждения жидкометаллического (EGaIn; Sigma-Aldrich) верхнего электрода для определения емкости как функции напряжения с помощью измерителя LCR (индуктивность, емкость, сопротивление) (Agilent).Другая часть транзистора состояла из полупроводниковых УНТ, отсортированных по полимеру, в соответствии с процедурами, о которых сообщалось ранее (53).Схемированные электроды исток/сток были изготовлены на жестких подложках SiO2/Si.Затем две части, диэлектрик/G/SEBS и УНТ/узорчатый G/SiO2/Si, ламинировали друг с другом и пропитывали BOE для удаления жесткой подложки SiO2/Si.Таким образом, были изготовлены полностью прозрачные и растягиваемые транзисторы.Электрические испытания под нагрузкой проводились на установке с ручным растяжением, как описано выше.
Дополнительные материалы к этой статье доступны по адресу http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1.
инжир.С1.Оптические микроскопические изображения монослоя МГГ на подложках SiO2/Si при различном увеличении.
инжир.С4.Сравнение двухзондовых сопротивлений и коэффициентов пропускания при 550 нм моно-, двух- и трехслойного простого графена (черные квадраты), MGG (красные кружки) и УНТ (синий треугольник).
инжир.С7.Нормированное изменение сопротивления моно- и двухслойных MGG (черный) и G (красный) при ~1000 циклических деформационных нагрузках до 40 и 90% параллельной деформации соответственно.
инжир.С10.СЭМ-изображение трехслойного MGG на эластомере SEBS после деформации, показывающее длинный спиральный крест на нескольких трещинах.
инжир.С12.АСМ-изображение трехслойного MGG на очень тонком эластомере SEBS при деформации 20%, показывающее, что спираль пересекает трещину.
таблица С1.Подвижности двухслойных транзисторов MGG-одностенные углеродные нанотрубки при различной длине канала до и после деформации.
Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial, которая разрешает использование, распространение и воспроизведение на любом носителе, если полученное в результате использование не преследует коммерческих целей и при условии, что оригинальная работа надлежащим образом цитируется.
ПРИМЕЧАНИЕ. Мы запрашиваем ваш адрес электронной почты только для того, чтобы человек, которому вы рекомендуете страницу, знал, что вы хотите, чтобы он ее увидел, и что это не нежелательная почта.Мы не фиксируем никаких адресов электронной почты.
Этот вопрос предназначен для проверки того, являетесь ли вы человеком или нет, и для предотвращения автоматической рассылки спама.
Нан Лю, Алекс Чортос, Тин Лэй, Лихуа Джин, Тэхо Рой Ким, Вон-Гю Бэ, Ченсин Чжу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюань Чен, Роберт Синклер, Чжэнан Бао
Нан Лю, Алекс Чортос, Тин Лэй, Лихуа Джин, Тэхо Рой Ким, Вон-Гю Бэ, Ченсин Чжу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюань Чен, Роберт Синклер, Чжэнан 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.