Grafen ýaly iki ölçegli materiallar adaty ýarymgeçiriji goşundylar we çeýe elektronikada dörän täze programmalar üçin özüne çekiji. Şeýle-de bolsa, grafeniň ýokary dartyş güýji pes ştamlarda döwülmegine sebäp bolýar we uzalýan elektronikada adatdan daşary elektron häsiýetlerinden peýdalanmagy kynlaşdyrýar. Aç-açan grafen geçirijileriniň ajaýyp ştama bagly işleýşini üpjün etmek üçin, köp gatly grafen / grafen aýlawlary (MGGs) diýlip atlandyrylýan, grafen gatlaklarynyň arasynda grafen nanoskrollaryny döretdik. Dartgynlylykda, käbir aýlawlar ýokary ştamlarda ajaýyp geçirijiligi üpjün edýän köpelýän ulgamy saklamak üçin grafeniň bölek böleklerini köpri edipdir. Elastomerlerde goldanýan “Trilayer MGGs”, häzirki akymyň ugruna perpendikulýar bolan 100% ştammda asyl geçirijiliginiň 65% -ini saklady, nanoskrollsyz grafeniň üçburç filmleri başlangyç geçirijiliginiň diňe 25% -ini saklady. MGG-leri elektrod hökmünde ulanyp, uzaldylyp bilinýän uglerod tranzistory> 90% geçişini görkezdi we asyl häzirki çykaryşynyň 60% -ini 120% ştamda (zarýad transportynyň ugruna paralel) saklady. Bu ýokary uzalyp gidýän we aç-açan ähli uglerod tranzistorlary çylşyrymly uzalýan optoelektronikany üpjün edip biler.
Uzaldylýan aç-açan elektronika ösen biointegrirlenen ulgamlarda (1, 2) möhüm amaly bolan, şeýle hem çylşyrymly ýumşak robot we displeý öndürmek üçin uzalýan optoelektronika (3, 4) bilen integrasiýa mümkinçiligine eýe bolan ösýän meýdan. Grafen atom galyňlygynyň, ýokary aç-açanlygynyň we ýokary geçirijiliginiň ýokary islenýän häsiýetlerini görkezýär, ýöne uzaldylan programmalarda ýerine ýetirilmegi ownuk ştamlarda ýarylmak meýli bilen saklandy. Grafeniň mehaniki çäklendirmelerini ýeňip geçmek, uzalýan aç-açan enjamlarda täze işlemäge mümkinçilik döredip biler.
Grafeniň özboluşly aýratynlyklary, ony açyk geçiriji elektrodlaryň indiki nesli üçin güýçli dalaşgär edýär (5, 6). Iň köp ulanylýan aç-açan geçiriji bilen deňeşdirilende, indiý galaýy oksidi [ITO; 100 ohm / inedördül (inedördül) 90% aç-açanlykda], himiki bug çöketligi (CVD) bilen ösdürilip ýetişdirilen monolaýer grafen, list garşylygy (125 ohm / kw) we aç-açanlyk (97,4%) (5). Mundan başga-da, grafen filmleri ITO (7) bilen deňeşdirilende adatdan daşary çeýeligi bar. Mysal üçin, plastmassa substratda, onuň geçirijiligi 0,8 mm (8) ýaly egrilik radiusy üçin hem saklanyp bilner. Aç-açan çeýe geçiriji hökmünde elektrik öndürijiligini has-da ýokarlandyrmak üçin öňki işlerde bir ölçegli (1D) kümüş nanowirler ýa-da uglerod nanoturbajyklary (CNT) (9–11) bolan grafen gibrid materiallary işlenip düzüldi. Mundan başga-da, grafen garyşyk ölçegli heterostruktura ýarymgeçirijiler (2D köp Si, 1D nanowirler / nanoturbajyklar we 0D kwant nokatlary) (12), çeýe tranzistorlar, gün öýjükleri we ýagtylyk çykaryjy diodlar (13) üçin elektrod hökmünde ulanyldy. –23).
Grafen çeýe elektronika üçin geljegi uly netijeleri görkezse-de, uzalýan elektronikada ulanylmagy mehaniki aýratynlyklary bilen çäklendirildi (17, 24, 25); grafeniň uçardaky berkligi 340 N / m we Youngaşyň moduly 0,5 TPa (26). Güýçli uglerod-uglerod ulgamy ulanylýan ştammlar üçin energiýa ýaýratmak mehanizmlerini üpjün etmeýär we şonuň üçin 5% -den az ştammda aňsatlyk bilen ýarylýar. Mysal üçin, polimetilsiloksana (PDMS) elastik substrata geçirilen CVD grafeni diňe geçirijiligini 6% -den az ştatda saklap bilýär (8). Nazary hasaplamalar dürli gatlaklaryň arasynda çökmek we özara baglanyşyk gatylygy peseltmelidigini görkezýär (26). Grafeni birnäçe gatlaklara jemlemek bilen, bu bi ýa-da üçburçly grafeniň monolaýer grafeniňkiden 13 esse kiçidigini görkezýän garşylyk üýtgemesini görkezýän 30% ştama çenli uzalýandygy habar berilýär. Şeýle-de bolsa, bu uzalma häzirki zaman uzalýan c induktorlaryndan ep-esli pesdir (28, 29).
Uzalýan programmalarda tranzistorlar möhümdir, sebäbi çylşyrymly datçigiň okalmagyna we signal derňewine mümkinçilik berýär (30, 31). Çeşme / drena elect elektrodlary we kanal materialy hökmünde köp gatly grafenli PDMS-de tranzistorlar, 5% ştama (32) çenli elektrik funksiýasyny saklap bilýär, bu geýilýän saglyk gözegçilik datçikleri we elektron deri üçin iň az talap edilýän bahadan (~ 50%) ep-esli pesdir ( 33, 34). Recentlyakynda grafen kirigami çemeleşmesi öwrenildi we suwuk elektrolit bilen örtülen tranzistor 240% -e çenli uzaldylyp bilner (35). Şeýle-de bolsa, bu usul ýasama prosesini çylşyrymlaşdyrýan togtadylan grafeni talap edýär.
Bu ýerde, grafen gatlaklarynyň arasynda grafen aýlawlaryny (uzynlygy ~ 1 - 20 μm, ini - 0,1 - 1 μm we beýikligi - 10 - 100 nm) biri-birine birikdirip, ýokary uzalyp gidýän grafen enjamlaryna ýetýäris. Bu grafen aýlawlary, grafen listlerindäki çatryklary köpri geçirmek üçin geçiriji ýollar berip biler, şeýlelik bilen dartyş wagtynda ýokary geçirijiligi saklar diýip çaklaýarys. Grafen aýlawlary goşmaça sintez ýa-da amal talap etmeýär; çygly geçirmek prosedurasynda tebigy ýagdaýda emele gelýär. Köp gatly G / G (grafen / grafen) aýlawlary (MGGs) grafen uzalýan elektrodlary (çeşme / drena and we derwezäni) we ýarymgeçiriji CNT-leri ulanyp, 120-e çenli uzalyp bilýän ýokary aç-açan we ýokary uzalyp gidýän uglerod tranzistorlaryny görkezip bildik. % ştamm (zarýad transportynyň ugruna paralel) we asyl häzirki çykaryşynyň 60% -ini saklaýar. Bu şu wagta çenli iň uzalyp gidýän aç-açan uglerod esasly tranzistor we organiki däl LED hereketlendirmek üçin ýeterlik tok üpjün edýär.
Uly meýdany aç-açan uzalyp gidýän grafen elektrodlaryny işletmek üçin, Cu folgasynda CVD ulalan grafeni saýladyk. Cu folga, iki tarapda grafeniň ösmegine ýol açmak üçin CVD kwars turbasynyň merkezinde asyldy we G / Cu / G gurluşlaryny emele getirdi. Grafeni geçirmek üçin ilki bilen ýokarky grafen diýip atlandyran grafeniň bir tarapyny goramak üçin inçe poli (metil metakrilat) (PMMA) bilen örtdük, soň bolsa grafeniň beýleki tarapy). tutuş filmi (PMMA / ýokarky grafen / Cu / aşaky grafen) Cu folgasyny ýok etmek üçin (NH4) 2S2O8 erginine siňdirildi. PMMA örtügi bolmazdan aşaky gapdal grafeniň, bir ethanyň içeri girmegine mümkinçilik berýän çatryklar we kemçilikler bolar (36, 37). 1A-njy suratda görkezilişi ýaly, ýerüsti dartgynlylygyň täsiri astynda goýberilen grafen domenleri aýlawlara öwrüldi we soňra galan ýokarky G / PMMA filmine dakyldy. Top-G / G aýlawlary SiO2 / Si, aýna ýa-da ýumşak polimer ýaly islendik substrata geçirilip bilner. Bu geçiriş prosesini şol bir substratda birnäçe gezek gaýtalamak MGG gurluşlaryny berýär.
(A) MGG-ler üçin uzalýan elektrod hökmünde ýasama prosedurasynyň shematiki şekili. Grafen geçirilende, Cu folgasyndaky arka grafen araçäklerde we kemçiliklerde döwüldi, özbaşdak şekillere öwrüldi we ýokarky filmlere berk birikdirilip, nanoskrollar emele geldi. Dördünji multfilmde MGG gurluşy şekillendirilýär. (B we C) Monolaýer grafenine (B) we aýlaw (C) sebitine ünsi jemläp, monolaýer MGG-iň ýokary çözgütli TEM häsiýetnamalary. (B) goýmasy, TEM torundaky monolaýer MGG-leriň umumy morfologiýasyny görkezýän pes ulaldylan şekil. (C) içerki bölekler, atom uçarlarynyň arasyndaky aralyk 0,34 we 0.41 nm bolan suratda görkezilen gönüburçly gutular boýunça alnan intensiwlik profilidir. (D) Belli grafiki π * we σ * pikleri bilen uglerod K-edge EEL spektri. (E) Sary nokatly çyzyk boýunça beýiklik profili bolan monolaýer G / G aýlawlarynyň bölekleýin AFM şekili. . Tapawutlaryny görkezmek üçin wekil aýlawlary we gyrmalar bellik edildi.
Aýlawlaryň tebigatda togalanan grafenidigini barlamak üçin, monolaýeriň top-G / G aýlaw gurluşlarynda ýokary çözgütli elektron mikroskopiýa (TEM) we elektron energiýa ýitgisi (EEL) spektroskopiýa gözleglerini geçirdik. 1B suratda monolaýer grafeniň altyburçluk gurluşy görkezilýär we inset TEM torunyň bir uglerod çukurynda örtülen filmiň umumy morfologiýasydyr. Monolaýer grafen gözenegiň köp bölegini öz içine alýar we altyburç halkalaryň köp sanlysynyň barlygynda käbir grafen çişleri peýda bolýar (1-nji surat). Aýry-aýry aýlawlary ulaltmak bilen (1-nji surat), köp mukdarda grafen panjaralaryny gördük, panjara aralygy 0,34 bilen 0.41 nm aralygynda. Bu ölçegler, bölekleriň tötänleýin togalanandygyny we “ABAB” gatlagynda 0,34 nm aralyk aralygy bolan ajaýyp grafit däldigini görkezýär. 1D-nji suratda 285 eV-de iň ýokary π * orbitaldan, beýlekisi 290 eV töweregi σ * orbital geçiş sebäpli dörän uglerod K-edge EEL spektri görkezilýär. Aýlawlaryň ýokary grafiki bolandygyny barlap, bu gurluşda sp2 baglanyşygynyň agdyklyk edýändigini görmek bolýar.
Optiki mikroskopiýa we atom güýji mikroskopiýasy (AFM) şekilleri grafen nanoskrollarynyň MGG-lerde paýlanyşyny üpjün edýär (1-nji surat, E-den G we injir. S1 we S2). Aýlawlar tötänleýin ýer ýüzüne paýlanýar we olaryň uçardaky dykyzlygy gaplanan gatlaklaryň sanyna proporsional ýokarlanýar. Köp aýlaw düwünlere bölünýär we 10-100 nm aralygynda birmeňzeş beýiklikleri görkezýär. Olaryň başlangyç grafen bölekleriniň ululyklaryna baglylykda uzynlygy 1 to20 μm we ini 0,1 - 1 μm. 1-nji suratda görkezilişi ýaly (H we I), aýlawlar gyralardan ep-esli ululykda bolup, grafen gatlaklarynyň arasynda has gödek interfeýs döredýär.
Elektrik aýratynlyklaryny ölçemek üçin, fotolitografiýa ulanyp, 300 μm giňlikde we 2000 μm uzynlykdaky zolaklara aýlaw gurluşlary ýa-da gatlagy bolmadyk grafen filmlerini nagyşladyk. Düwürtme funksiýasy hökmünde iki zolakly aralyk daşky gurşaw şertlerinde ölçeldi. Aýlawlaryň bolmagy monolaýer grafeniň garşylygyny 80% azaldy we geçirişiň diňe 2,2% peselmegi bilen (S4-nji surat). Bu, 5 × 107 A / cm2 (38, 39) çenli ýokary tok dykyzlygy bolan nanoskrollaryň MGG-lere örän oňyn elektrik goşant goşýandygyny tassyklaýar. Ohli mono-, bi- we üçburçly ýönekeý grafen we MGG-leriň arasynda, üçburç MGG 90% töweregi aç-açanlygy bilen iň gowy geçirijilige eýe. Edebiýatda habar berlen grafeniň beýleki çeşmeleri bilen deňeşdirmek üçin dört zolakly list aralygyny (S5 surat) ölçedik we 2A-njy suratda 550 nm (S6 surat) geçiriş funksiýasy hökmünde sanadyk. MGG emeli usulda ýerleşdirilen köp gatlakly grafen we peseldilen grafen oksidi (RGO) bilen deňeşdirilende ýa-da has ýokary geçirijiligi we aýdyňlygy görkezýär (6, 8, 18). Emeli usulda örtülen köp gatlakly ýönekeý grafeniň edebiýatdan uzaklyklarynyň MGG-den birneme ýokarydygyny, belki-de, ösmedik şertleri we geçiriş usuly sebäpli bolmagy mümkin.
(A) Grafeniň birnäçe görnüşi üçin 550 nm tizlik bilen dört zolakly list aralyklary, bu ýerde gara kwadratlar mono, bi we üçburç MGG-leri aňladýar; gyzyl tegelekler we gök üçburçluklar Li we başgalaryň gözleglerinden Cu we Ni-de ösdürilip ýetişdirilen köp gatlakly grafen bilen gabat gelýär. (6) we Kim we başgalar. (8) degişlilikde we soňra SiO2 / Si ýa-da kwarsda geçirilýär; we ýaşyl üçburçluklar, Bonaccorso we başgalaryň gözleginden dürli peseliş derejelerinde RGO üçin bahalardyr. (18). . (D) 50% -e çenli perpendikulýar ştammy ýükleýän siklik ştammynda bilýer G (gyzyl) we MGG (gara) kadalaşdyrylan garşylyk üýtgemegi. (E) 90% paralel ştama ýüklenýän siklik ştamm astynda üçburçly G (gyzyl) we MGG (gara) kadalaşdyrylan garşylyk üýtgemegi. (F) Mono-, iki we üçburçly G we iki we üçburç MGG-leriň kadalaşdyrylan kuwwatynyň üýtgemegi, ştamyň funksiýasy hökmünde. Salgy, kondensator gurluşy, bu ýerde polimer substrat SEBS, polimer dielektrik gatlagy bolsa 2 μm galyňlykdaky SEBS.
MGG-iň ştama bagly işine baha bermek üçin grafeni termoplastiki elastomer stiren-etilen-butadien-stirol (SEBS) substratlaryna (ini cm 2 sm we uzynlygy cm 5 sm) geçirdik we geçirijilik substratyň uzalmagy bilen ölçenildi. (materiallara we usullara serediň) perpendikulýar we häzirki akymyň ugruna paralel (2-nji surat, B we C). Düwürtige bagly elektrik häsiýeti, nanoskrollaryň goşulmagy we grafen gatlaklarynyň sanynyň köpelmegi bilen gowulaşdy. Mysal üçin, ştamm tok akymyna perpendikulýar bolanda, monolaýer grafen üçin, aýlawlaryň goşulmagy elektrik togundaky ştammy 5-70% ýokarlandyrdy. Üçburçly grafeniň dartyş çydamlylygy monolaýer grafeni bilen deňeşdirilende ep-esli gowulaşýar. Nanoskrollar bilen, 100% perpendikulýar süzgüçde, üçburç MGG gurluşynyň garşylygy, aýlawsyz üçburç grafeniň 300% bilen deňeşdirilende diňe 50% ýokarlandy. Siklik süzgüçli ýüküň aşagynda garşylygyň üýtgemegi derňeldi. Deňeşdirmek üçin (2D-nji surat), ýönekeý bilýer grafen filminiň garşylyklary per 700 perpendikulýar ştammda ~ 700 aýlawdan soň takmynan 7,5 esse ýokarlandy we her sikldäki dartyşlar bilen artdy. Beýleki tarapdan, bilýer MGG-iň garşylygy ~ 700 aýlawdan soň takmynan 2,5 esse ýokarlandy. Paralel ugur boýunça 90% -e çenli ştamm ulanyp, üç aýlawly grafeniň garşylygy 1000 aýlawdan soň ~ 100 esse ýokarlandy, üçburç MGG-de bary-ýogy 8 esse bolýar (2E-nji surat). Tigir sürmegiň netijeleri injirde görkezilýär. S7. Paralel dartyş ugry boýunça garşylygyň has çalt ýokarlanmagy, çatryklaryň ugry häzirki akymyň ugruna perpendikulýar bolmagydyr. Ştamy ýüklemek we düşürmek wagtynda garşylygyň gyşarmagy SEBS elastomer substratynyň viskoelastik dikelmegi bilen baglanyşyklydyr. Tigir sürmek wagtynda MGG zolaklarynyň has durnukly garşylygy, grafeniň döwülen böleklerini (AFM tarapyndan görkezilen ýaly) köpri edip bilýän uly aýlawlaryň bolmagy bilen baglanyşyklydyr. Geçiriji ýol bilen geçirijiligi saklamagyň bu hadysasy, elastomer substratlarynda döwülen metal ýa-da ýarymgeçiriji filmler üçin öň habar berlipdi (40, 41).
Grafen esasly filmlere uzalýan enjamlarda derwezäniň elektrodlary hökmünde baha bermek üçin, grafen gatlagyny SEBS dielektrik gatlagy bilen örtdük (galyňlygy 2 μm) we dartyş funksiýasy hökmünde dielektrik kuwwatynyň üýtgemegine gözegçilik etdik (2F-nji surata we goşmaça materiallara serediň) jikme-jiklikleri). Plaönekeý monolaýer we bilýer grafen elektrodlary bilen kuwwatlyklaryň grafeniň uçardaky geçirijiliginiň ýitmegi sebäpli çalt azalandygyny gördük. Munuň tersine, MGG-ler bilen örtülen kuwwatlyklar we ýönekeý üçburç grafen ştammlar bilen dielektrik galyňlygynyň azalmagy sebäpli garaşylýan ştamm bilen sygymlylygyň ýokarlanandygyny görkezdi. Kuwwatlylygyň garaşylýan ýokarlanmagy MGG gurluşy bilen gaty laýyk gelýär (S8-nji surat). Bu, MGG-iň uzalýan tranzistorlar üçin derwezeli elektrod hökmünde laýykdygyny görkezýär.
1D grafen aýlawynyň elektrik geçirijiliginiň dartyş çydamlylygyndaky roluny has giňişleýin öwrenmek we grafen gatlaklarynyň arasyndaky bölünişige has gowy gözegçilik etmek üçin, grafen aýlawlaryny çalyşmak üçin pürküji örtükli CNT-leri ulanýardyk (Goşmaça materiallara serediň). MGG gurluşlaryny meňzeş etmek üçin üç dykyzlykly CNT (ýagny CNT1) goýduk
(A-dan C) CNT-leriň üç dürli dykyzlygynyň AFM şekilleri (CNT1)
Uzalýan elektronika üçin elektrod hökmünde olaryň mümkinçiliklerine has gowy düşünmek üçin, MGG we G-CNT-G dartyş astynda morfologiýalary yzygiderli gözledik. Optiki mikroskopiýa we skaner elektron mikroskopiýasy (SEM) täsirli häsiýetlendiriş usullary däl, sebäbi ikisinde-de reňk kontrastynyň ýoklugy we grafen polimer substratlarynda bolanda SEM şekil artefaktlaryna sezewar bolýar (S9 we S10 suratlar). Grafeniň üstüni dartyş astynda synlamak üçin, gaty inçe (thick 0,1 mm galyňlykda) we elastik SEBS substratlaryna geçenden soň üçburç MGG we ýönekeý grafen boýunça AFM ölçeglerini ýygnadyk. Geçiriş prosesinde CVD grafeniniň içindäki kemçilikler we daşarky zeperler sebäpli, dartylan grafeniň üstünde çatryklar döreýär we dartgynlylygyň ýokarlanmagy bilen çatryklar has dykyz bolýar (4-nji surat, A-dan D). Uglerod esasly elektrodlaryň gaplanyş gurluşyna baglylykda, çatryklar dürli morfologiýalary görkezýär (S11-nji surat) (27). Köp gatly grafeniň ýarylýan ýeriniň dykyzlygy (MGG-ler üçin elektrik geçirijiliginiň ýokarlanmagyna laýyk gelýän dartyşdan soň monolaýer grafeniňkiden az). Beýleki bir tarapdan, dartylan filmde goşmaça geçiriji ýollary üpjün edip, çatryklary köpri etmek üçin aýlawlar köplenç synlanýar. Mysal üçin, 4B-nji suratda görkezilişi ýaly, MGG üçburçlukdaky çatrykdan giň aýlaw geçdi, ýöne ýönekeý grafenada hiç hili aýlaw ýokdy (4-nji surat, E-H). Şonuň ýaly-da, CNT-ler grafendäki çatryklary köprilediler (S11-nji surat). Crackaryk meýdanynyň dykyzlygy, aýlaw meýdanynyň dykyzlygy we filmleriň gödekligi 4K-nji suratda jemlenendir.
. % dartyş. Wekilçilikli çatryklar we aýlawlar oklar bilen görkezilýär. AFM suratlarynyň hemmesi bellik edilişi ýaly reňk şkalasyny ulanyp, 15 μm × 15 μm meýdanda. (I) SEBS substratynda nagyşly monolaýer grafen elektrodlarynyň simulýasiýa geometriýasy. (J) Monolaýer grafeninde we SEBS substratynda 20% daşarky ştammda iň esasy esasy logarifmiki ştammyň simulýasiýa kontur kartasy. (K) Dürli grafen gurluşlary üçin çatryk meýdanynyň dykyzlygyny (gyzyl sütün), aýlaw meýdanynyň dykyzlygyny (sary sütün) we ýeriň gödekligini (gök sütün) deňeşdirmek.
MGG filmleri uzaldylanda, aýlawlaryň grafeniň döwülen sebitlerini köpri edip, köpelýän ulgamy saklap biljek möhüm goşmaça mehanizm bar. Grafen aýlawlary geljegi uludyr, sebäbi uzynlygy onlarça mikrometr bolup biler we şonuň üçin adatça mikrometr şkalasyna çenli çatryklary köpri edip biler. Mundan başga-da, aýlawlar grafeniň köp gatlaklaryndan ybarat bolany üçin, garşylygy pes bolar diýlip garaşylýar. Deňeşdirilende, deňeşdirip geçiriji köpri mümkinçiligini üpjün etmek üçin has dykyz (pes geçiriş) CNT torlary talap edilýär, sebäbi CNT-ler has kiçi (adatça uzynlygy birnäçe mikrometr) we aýlawlardan has az geçirijidir. Beýleki tarapdan, injirde görkezilişi ýaly. S12, dartyşlary ýerleşdirmek üçin uzalanda grafen ýarylsa, aýlawlar döwülmeýär, bu ikinjisiniň esasy grafeniň üstünde süýşüp biljekdigini görkezýär. Olaryň döwülmezliginiň sebäbi, grafeniň köp gatlaklaryndan (uzynlygy ~ 1 - 2 0 μm, ini - 0,1 - 1 μm we beýikligi - 10 - 100 nm) emele gelen gurluş bilen baglanyşyklydyr. bir gatly grafeniňkiden has täsirli modul. “Green and Hersam” (42) habar berşi ýaly, CNT metal torlary (turbanyň diametri 1,0 nm), CNT-leriň arasyndaky uly çatryk garşylygyna garamazdan pes list aralyklaryna <100 ohms / kw. Grafen aýlawlarymyzyň ini 0,1-1 mkm we G / G aýlawlarynyň CNT-lerden has uly aragatnaşyk meýdançalarynyň bardygyny göz öňünde tutup, grafen we grafen aýlawlarynyň arasyndaky kontakt garşylygy we aragatnaşyk meýdany ýokary geçirijiligi saklamak üçin faktorlary çäklendirmeli däldir.
Grafeniň SEBS substratyndan has ýokary moduly bar. Grafen elektrodynyň täsirli galyňlygy substratyňkydan has pes bolsa-da, grafeniň galyňlygynyň gatylygy substratyňky bilen deňeşdirilýär (43, 44), netijede orta ada täsiri bolýar. SEBS substratynda 1 nm galyňlykdaky grafeniň deformasiýasyny simulasiýa etdik (jikme-jiklikler üçin goşmaça materiallara serediň). Simulýasiýa netijelerine görä, daşarky SEBS substratyna 20% ştamm ulanylanda, eksperimental gözegçiliklere laýyk gelýän grafendäki ortaça ştamm ~ 6,6% (4J-nji surat we S13D surat) (S13 surata serediň) . Optiki mikroskopiýa ulanyp, nagyşly grafen we substrat sebitlerindäki ştamlary deňeşdirdik we substrat sebitindäki ştammlaryň grafen sebitindäki ştamlardan azyndan iki esse köpdügini gördük. Bu, grafen elektrod nagyşlarynda ulanylýan ştammyň ep-esli çäklendirilip, SEBS-iň üstünde grafen gaty adalary emele getirip biljekdigini görkezýär (26, 43, 44).
Şonuň üçin MGG elektrodlarynyň ýokary ştammda ýokary geçirijiligi saklamak ukyby iki esasy mehanizm bilen üpjün edilen bolsa gerek: (i) Aýlawlar geçiriji perkolasiýa ýoluny saklamak üçin kesilen sebitleri köpri edip biler we (ii) köp gatly grafen listleri / elastomer süýşüp biler biri-biriniň üstünden, grafen elektrodlarynyň dartylmagyna sebäp boldy. Elastomerde geçirilen grafeniň birnäçe gatlagy üçin gatlaklar biri-biri bilen berk birikdirilmeýär, ştama jogap hökmünde süýşüp biler (27). Aýlawlar, şeýle hem grafen gatlaklarynyň arasyndaky aýralygy ýokarlandyrmaga we şonuň üçin grafen gatlaklarynyň süýşmegine mümkinçilik döredip biljek grafen gatlaklarynyň gödekligini ýokarlandyrdy.
Carbonhli uglerod enjamlary arzan bahadan we ýokary geçirijilik sebäpli höwes bilen yzarlanýar. Biziň ýagdaýymyzda, ähli uglerod tranzistorlary aşaky grafen derwezesini, ýokarky grafen çeşmesini / zeýkeş kontaktyny, sortlanan CNT ýarymgeçirijisini we dielektrik hökmünde SEBS ulanyp ýasaldy (5A-njy surat). 5B-nji suratda görkezilişi ýaly, çeşme / drena and we derweze (aşaky enjam) hökmünde CNT-leri bolan ähli uglerodly enjam, grafen elektrodlary (ýokarky enjam) bilen deňeşdirilende has açykdyr. Sebäbi CNT torlary grafeniňkä meňzeş list aralyklaryna ýetmek üçin has uly galyňlygy we netijede pes optiki geçirişleri talap edýär (S4-nji surat). 5-nji suratda (C we D) bilýer MGG elektrodlary bilen ýasalan tranzistor üçin dartylmazdan ozal wekilçilikli geçiş we çykyş egrileri görkezilýär. Kanalyň giňligi we gözegçilik edilmedik tranzistoryň uzynlygy degişlilikde 800 we 100 μm. Ölçenen / öçürilen gatnaşygy degişlilikde 10−5 we 10−8 A derejesinde işleýän we öçýän toklar bilen 103-den uly. Çykyş egrisi, CNT-ler bilen grafen elektrodlarynyň arasynda ideal aragatnaşygy görkezýän açyk derwezäniň naprýa .eniýesine baglylygy bilen ideal çyzykly we okuw tertibini görkezýär (45). Grafen elektrodlary bilen kontakt garşylygy bugarýan Au filminden has pesdigi göründi (S14 surata serediň). Uzalýan tranzistoryň doýma hereketi takmynan 5,6 sm2 / Vs, dielektrik gatlagy hökmünde 300 nm SiO2 bolan gaty Si substratlardaky polimer görnüşli CNT tranzistorlaryna meňzeýär. Hereketiň hasam gowulaşmagy turbalaryň optimal dykyzlygy we beýleki turbalar bilen mümkindir (46).
(A) Grafen esasly uzalýan tranzistoryň shemasy. SWNT-ler, bir diwarly uglerod nanoturbajyklary. (B) Grafen elektrodlaryndan (ýokarky) we CNT elektrodlaryndan (aşaky) uzalýan tranzistorlaryň suraty. Aç-açanlygyň tapawudy göze ilýär. (C we D) Grafen esasly tranzistoryň dartylmazyndan ozal SEBS-de geçiriş we çykyş egrileri. .
Aç-açan, ähli uglerod enjamy zarýad transport ugruna paralel ugurda uzalanda, 120% -e çenli iň pes zaýalanma ýüze çykdy. Uzaldylanda hereket 5,6 sm2 / Vs-den 0% ştammda 2,5 sm2 / Vs-e 120% ştammda yzygiderli azaldy (5F-nji surat). Şeýle hem dürli kanal uzynlygy üçin tranzistor öndürijiligini deňeşdirdik (S1 tablisa serediň). 105eri gelende aýtsak, 105% ululykdaky dartyşda bu tranzistorlaryň hemmesi ýokary / ýapyk gatnaşygy (> 103) we hereketliligi (> 3 sm2 / Vs) görkezýär. Mundan başga-da, ähli uglerod tranzistorlary boýunça soňky işleri jemledik (S2 tablisa serediň) (47–52). Elastomerlerde enjam ýasalyşyny optimizirlemek we MGG-leri kontakt hökmünde ulanmak bilen, ähli uglerodly tranzistorlarymyz hereket we histerezi taýdan ýokary öndürijilikli bolmak bilen birlikde ýokary öndürijilik görkezýär.
Doly aç-açan we uzalyp gidýän tranzistoryň ulanylyşy hökmünde, ony LED-iň kommutatoryna gözegçilik etmek üçin ulandyk (6A-njy surat). 6B-nji suratda görkezilişi ýaly, ýaşyl LED gönüden-göni ýokarda ýerleşdirilen uzalyp gidýän uglerod enjamy arkaly aýdyň görünýär. ~ 100% (6-njy surat, C we D) uzalýarka, ýokarda beýan edilen tranzistor öndürijiligine laýyk gelýän LED ýagtylygyň intensiwligi üýtgemeýär (S1 filmine serediň). Bu, grafen elektrodlaryny ulanyp, uzalyp gidýän dolandyryş bölümleriniň ilkinji hasabaty, grafen uzalýan elektronika üçin täze mümkinçiligi görkezýär.
(A) LED sürmek üçin tranzistoryň zynjyry. GND, ýer (B) greenaşyl yşyk-diodly ýokarda oturdylan 0% ştammda uzalyp gidýän we aç-açan ähli uglerod tranzistorynyň suraty. (C) LED yşyklandyrmak üçin ulanylýan ähli uglerod aýdyň we uzalyp gidýän tranzistor, LED-iň üstünde 0% (çepde) we ~ 100% ştammda (sagda) oturdylýar. Ak oklar, uzaklygyň üýtgemegini görkezmek üçin enjamdaky sary bellikleri görkezýär. (D) LED elastomeriň içine süýşürilen uzalýan tranzistoryň gapdal görnüşi.
Sözümiziň ahyrynda, uzalyp gidýän elektrodlar ýaly uly ştamlaryň aşagynda ýokary geçirijiligi saklaýan, açyk grafen gatlaklarynyň arasynda grafen nanoskrollary bilen üpjün edilen aç-açan geçiriji grafen gurluşyny taýýarladyk. Elastomerdäki bu iki we üçburç MGG elektrod gurluşlary, adaty monolaýer grafen elektrodlary üçin 5% ştammda geçirijiligiň doly ýitirilmegi bilen deňeşdirilende, 100% -e çenli ştammdaky 0% ştam geçirijiligini degişlilikde 21 we 65% saklap biler. . Grafen aýlawlarynyň goşmaça geçiriji ýollary, şeýle hem geçirilen gatlaklaryň arasyndaky gowşak täsir, dartyş wagtynda ýokary geçirijilik durnuklylygyna kömek edýär. Mundan başga-da, ähli uglerod uzalýan tranzistorlary ýasamak üçin bu grafen gurluşyny ulandyk. Şu wagta çenli bu iň uzyn grafen esasly tranzistor, tok ulanman iň oňat aýdyňlygy. Bu gözleg, uzalýan elektronika üçin grafeni işletmek üçin geçirilen hem bolsa, bu çemeleşmäniň uzalyp gidýän 2D elektronikasyny işletmek üçin beýleki 2D materiallara hem ulanylyp biljekdigine ynanýarys.
Uly meýdany CVD grafeni, 50 ° SCCM (minutda adaty kub santimetr) CH4 we 20 - SCCM H2 bilen hemişelik basyşda asylan Cu folgalarynda (99.999%; Alfa Aesar) ösdürilip ýetişdirildi. Cu folgasynyň iki tarapy monolaýer grafen bilen örtüldi. PM folgaň bir gapdalynda PMMA / G / Cu folga / G gurluşyny emele getirýän inçe gatlak PMMA (2000 rpm; A4, Microchem). Netijede, tutuş filmi Cu folgasyny ýok etmek üçin takmynan 2 sagat ammiak persulfat [(NH4) 2S2O8] erginine siňdirildi. Bu amalyň dowamynda goralmadyk arka grafen ilki däne araçäklerini ýyrtdy, üstündäki dartgynlylyk sebäpli aýlawlara aýlandy. Aýlawlar PMMA / G / G aýlawlaryny emele getirýän PMMA goldaýan ýokarky grafen filmine berkidildi. Filmler soňra deionizasiýa edilen suwda birnäçe gezek ýuwuldy we berk SiO2 / Si ýa-da plastmassa substrat ýaly maksatly substrata goýuldy. Berkidilen film substratda guradylandan soň, PMMA-ny aýyrmak üçin asetona 1: 1 aseton / IPA (izopropil alkogoly) we IPA yzygiderli siňdirilen w nusgasy. Filmler 100 ° C-de 15 minut gyzdyryldy ýa-da G / G aýlawynyň başga bir gatlagyna geçmezden ozal duzakly suwy doly aýyrmak üçin wakuumda saklandy. Bu ädim grafen filminiň substratdan bölünmeginden gaça durmak we PMMA daşaýjy gatlagynyň goýberilişinde MGG-leriň doly örtülmegini üpjün etmekdi.
MGG gurluşynyň morfologiýasy optiki mikroskop (Leica) we skanerleýän elektron mikroskop (1 kV; FEI) ulanylyp syn edildi. G aýlawlarynyň jikme-jikliklerini synlamak üçin atom güýji mikroskopy (Nanoskop III, Sanly gural) degmek tertibinde işledi. Filmiň aýdyňlygy ultramelewşe görünýän spektrometr (Agilent Cary 6000i) tarapyndan synag edildi. Synaglar üçin akymyň perpendikulýar ugry boýunça bolanda, grafen gurluşlaryny zolaklara (~ 300 μm we uzynlygy ~ 2000 μm) nagyşlamak üçin fotolitografiýa we O2 plazma ulanyldy we Au (50 nm) elektrodlar termiki ýagdaýda goýuldy. uzyn tarapyň iki ujunda kölegeli maskalar. Soňra grafen zolaklary SEBS elastomer (ini cm 2 sm we cm 5 sm) bilen zolaklaryň uzyn oky SEBS-iň gysga tarapyna paralel, soň bolsa BOE (buferlenen oksid eti) (HF: H2O) bilen baglanyşykda goýuldy. 1: 6) elektrik aragatnaşygy hökmünde efektiki we ewtektiki gallium indiý (EGaIn). Paralel dartyş synaglary üçin, patlanmadyk grafen gurluşlary (~ 5 × 10 mm) SEBS substratlaryna geçirildi, uzyn oklar SEBS substratynyň uzyn tarapyna paralel. Iki ýagdaýda-da el bilen enjamda elastomeriň uzyn tarapy boýunça tutuş G (G aýlawsyz) / SEBS uzaldyldy we ýerinde, ýarymgeçiriji analizator bilen barlag stansiýasyndaky dartyş astynda olaryň garşylyk üýtgemelerini ölçedik (Kitli 4200) -SCS).
Elastik substratda ýokary uzalyp gidýän we aç-açan ähli uglerod tranzistorlary polimer dielektrik we substratyň organiki çözüji zeperlenmeginiň öňüni almak üçin aşakdaky proseduralar bilen ýasaldy. MGG gurluşlary derwezäniň elektrodlary hökmünde SEBS-e geçirildi. Bitewi inçe filmli polimer dielektrik gatlagyny (galyňlygy 2 μm) almak üçin, SEBS toluen (80 mg / ml) ergini, sekiz minutda 1000 rpm-de okadekiltrihlorosilanyň (OTS) üýtgedilen SiO2 / Si substratyna örtüldi. Inçe dielektrik film, gidrofob OTS ýüzünden taýýarlanylan grafen bilen örtülen SEBS substratyna aňsatlyk bilen geçirilip bilner. Kondensator, LCR (induksion, sygymlylyk, garşylyk) ölçeýjini (Agilent) ulanyp, ştamm funksiýasyny kesgitlemek üçin suwuk metal (EGaIn; Sigma-Aldrih) ýokarky elektrody goýup bolýar. Tranzistoryň beýleki bölegi öň habar berlen proseduralara laýyklykda polimer görnüşli ýarymgeçiriji CNT-lerden ybaratdy (53). Nagyşly çeşme / drena elect elektrodlary gaty SiO2 / Si substratlarynda ýasaldy. Netijede, dielektrik / G / SEBS we CNT / nagyşly G / SiO2 / Si atly iki bölek biri-birine laminirlendi we berk SiO2 / Si substratyny aýyrmak üçin BOE-e siňdi. Şeýlelik bilen, doly aç-açan we uzalyp gidýän tranzistorlar ýasaldy. Ştamyň aşagyndaky elektrik synagy, ýokarda görkezilen usul hökmünde el bilen uzaldylan gurnama arkaly geçirildi.
Bu makala üçin goşmaça material http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
injir. S1. Dürli ulaldylyşda SiO2 / Si substratlarynda monolaýer MGG-iň optiki mikroskopiýa şekilleri.
injir. S4. Iki zolakly list aralyklary we geçirişleri @ 550 nm mono-, iki we üçburçly ýönekeý grafen (gara kwadratlar), MGG (gyzyl tegelekler) we CNT (gök üçburçluk) bilen deňeşdirmek.
injir. S7. Mono we bilýer MGG-leriň (gara) we G (gyzyl) degişlilikde ~ 1000 siklik ştammynyň degişlilikde 40 we 90% paralel ştama ýüklenýän kadaly garşylyk üýtgemegi.
injir. S10. SEBS elastomerindäki dartyşdan soň üçburç MGG-iň SEM şekili, birnäçe çatryklaryň üstünden uzyn aýlaw haçyny görkezýär.
injir. S12. 20% ştammda gaty inçe SEBS elastomerinde üçburç MGG-iň AFM şekili, bir aýlawyň çatrykdan geçendigini görkezýär.
tablisa S1. Bleýer MGG - dartyşdan öň we soň dürli kanal uzynlygyndaky bir diwarly uglerod nanotube tranzistorlarynyň hereketleri.
Bu, Creative Commons Attribution-Non-täjirçilik ygtyýarnamasynyň şertleri boýunça paýlanan açyk makala, netijede ulanmak täjirçilik artykmaçlygy üçin däl-de, asyl işiniň dogry bolmagy şerti bilen islendik gurşawda ulanmaga, paýlamaga we köpeltmäge rugsat berýär. getirildi.
ÜNS BERI .: Sahypany maslahat berýän adamyňyzyň görmek isleýändigini we gereksiz poçta däldigini bilmek üçin diňe e-poçta salgyňyzy soraýarys. Biz haýsydyr bir e-poçta salgysyny almaýarys.
Bu sorag, adam zyýaratçydygyňyzy ýa-da ýokdugyňyzy barlamak we spamyň awtomatiki iberilmeginiň öňüni almak üçin.
Nan Liu, Aleks Çortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roý Kim, Won-Gýu Bae, Çençin Zhu, Sihong Wan, Rafael Pfattner, Siýuan Çen, Robert Sinkleýr, Zhenan Bao
Nan Liu, Aleks Çortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roý Kim, Won-Gýu Bae, Çençin Zhu, Sihong Wan, Rafael Pfattner, Siýuan Çen, Robert Sinkleýr, Zhenan Bao
© 2021 Ylmyň ösüşi üçin Amerikan birleşigi. Rightshli hukuklar goralandyr. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHOR, CLOCKSS, CrossRef we COUNTER-iň hyzmatdaşy. Science Advances ISSN 2375-2548.
Iş wagty: -20anwar-28-2021