Grafen ýaly iki ölçegli materiallar adaty ýarymgeçirijiler üçin hem, çeýe elektronikada täze ulanylýanlar üçin hem özüne çekijidir. Şeýle-de bolsa, grafeniň ýokary dartgynlylyk güýji pes dartgynlykda döwülmäge getirýär, bu bolsa onuň üýtgeşik elektron häsiýetlerinden dartgynly elektronikada peýdalanmagy kynlaşdyrýar. Şeffaf grafen geçirijileriniň dartgynlylyga bagly ajaýyp işini üpjün etmek üçin, biz köp gatlakly grafen/grafen rulonlary (MGG) diýlip atlandyrylýan üst-üste goýlan grafen gatlaklarynyň arasynda grafen nanosurgularyny döretdik. Gyjyndyrylanda, käbir rulonlar ýokary dartgynlyklarda ajaýyp geçirijiligi üpjün edýän perkolasiýa ulgamyny saklamak üçin grafeniň böleklenen domenlerini köprüledi. Elastomerlerde goldanylýan üç gatlakly MGG-ler tok akymynyň ugruna perpendikulýar bolan 100% dartgynlykda asyl geçirijiliginiň 65% -ni saklady, nanosurgulary bolmadyk grafeniň üç gatlakly plýonkalary bolsa başlangyç geçirijiliginiň diňe 25% -ni saklady. MGG-leri elektrod hökmünde ulanyp ýasalan uzalyp bilýän doly uglerodly tranzistor >90% geçirijilik görkezdi we asyl tok çykyşynyň 60% -ini 120% dartgynlykda (zarýad daşamagyň ugruna parallel) saklady. Bu ýokary derejede uzalyp bilýän we açyk doly uglerodly tranzistorlar çylşyrymly uzalyp bilýän optoelektronikany döretmäge mümkinçilik berip biler.
Uzalýan açyk elektronika ösen biointegrasiýa ulgamlarynda möhüm ulanylyşlara eýe bolan ösýän ugurdyr (1, 2), şeýle hem çylşyrymly ýumşak robototehnika we displeýler öndürmek üçin uzalýan optoelektronika bilen integrasiýa mümkinçiligine eýedir (3, 4). Grafen atom galyňlygynyň, ýokary açyklygyň we ýokary geçirijiligiň örän isleg bildirilýän häsiýetlerini görkezýär, ýöne onuň kiçi deformasiýalarda çatlamaga meýillidigi sebäpli uzalýan ulanylyşlarda ulanylmagyna päsgel berildi. Grafeniň mehaniki çäklendirmelerini ýeňip geçmek uzalýan açyk enjamlarda täze funksiýalary döretmäge mümkinçilik berip biler.
Grafeniň özboluşly häsiýetleri ony indiki nesil açyk geçiriji elektrodlar üçin güýçli dalaşgär edýär (5, 6). Iň köp ulanylýan açyk geçiriji, indiý galaýy oksidi [ITO; 90% açyklykda 100 ohm/kwadrat (kwadrat)] bilen deňeşdirilende, himiki bug çökündisi (CVD) arkaly ösdürilen bir gatlakly grafen list garşylygynyň (125 ohm/kwadrat) we açyklygyň (97,4%) meňzeş utgaşmasyna eýedir (5). Mundan başga-da, grafen plýonkalary ITO bilen deňeşdirilende adatdan daşary çeýelige eýedir (7). Mysal üçin, plastik substratda onuň geçirijiligi hatda 0,8 mm ýaly kiçi egrilik radiusy üçin hem saklanyp bilner (8). Onuň açyk çeýe geçiriji hökmünde elektrik öndürijiligini has-da ýokarlandyrmak üçin öňki işlerde bir ölçegli (1D) kümüş nanosimleri ýa-da uglerod nanotubalary (CNT) bolan grafen gibrid materiallary işlenip düzüldi (9–11). Mundan başga-da, grafen garyşyk ölçegli geterostruktur ýarymgeçirijiler (meselem, 2D göwrümli Si, 1D nanosimler/nanotüpler we 0D kwantum nokatlar) (12), çeýe tranzistorlar, gün batareýalary we ýagtylyk çykarýan diodlar (LED) üçin elektrod hökmünde ulanyldy (13–23).
Grafen çeýe elektronika üçin geljegi uly netijeleri görkezse-de, onuň uzalyp bilýän elektronikada ulanylyşy mehaniki häsiýetleri bilen çäklendirildi (17, 24, 25); grafeniň tekizlikdäki berkligi 340 N/m we Ýung moduly 0,5 TPa (26). Güýçli uglerod-uglerod ulgamy ulanylan dartgynlyk üçin energiýanyň ýaýramagynyň hiç hili mehanizmlerini üpjün etmeýär we şonuň üçin 5% -den az dartgynlykda aňsatlyk bilen çatlaýar. Mysal üçin, polidimetilsiloksan (PDMS) elastik substratyna geçirilen CVD grafeni öz geçirijiligini diňe 6% -den az dartgynlykda saklap bilýär (8). Nazaryýet hasaplamalary dürli gatlaklaryň arasyndaky gyrymsylygyň we özara täsiriň berkligi güýçli peseltmelidigini görkezýär (26). Grafeni köp gatlaklara goşmak bilen, bu iki ýa-da üç gatlakly grafeniň 30% dartgynlyga çenli uzalyp bilýändigi, bir gatlakly grafeniňkiden 13 esse az garşylyk üýtgemesini görkezýändigi habar berilýär (27). Şeýle-de bolsa, bu uzalyp bilýänlik iň täze uzalyp bilýän c geçirijilerden has pes (28, 29).
Tranzistorlar uzaldylýan ulanyşlarda möhümdir, sebäbi olar çylşyrymly sensor okamalaryny we signal analizini üpjün edýär (30, 31). Köp gatlakly grafen çeşme/drenaj elektrodlary we kanal materialy hökmünde ulanylan PDMS-däki tranzistorlar elektrik funksiýasyny 5% deformasiýa çenli saklap bilýärler (32), bu bolsa geýilýän saglyk gözegçilik sensorlary we elektron deri üçin zerur bolan minimal gymmatdan (~50%) ep-esli pes (33, 34). Ýakynda grafen kirigami usuly öwrenildi we suwuk elektrolit bilen berkidilen tranzistor 240% -e çenli uzaldylyp bilner (35). Şeýle-de bolsa, bu usul öndürmek prosesini kynlaşdyrýan asma grafeni talap edýär.
Bu ýerde biz grafen gatlaklarynyň arasynda grafen rulonlaryny (uzynlygy ~ 1-den 20 μm-e çenli, giňligi ~ 0.1-den 1 μm-e çenli we beýikligi ~ 10-dan 100 nm-e çenli) özara birikdirip, ýokary derejede uzalyp bilýän grafen enjamlaryna ýetýäris. Biz bu grafen rulonlarynyň grafen listlerindäki ýaryklary doldurmak üçin geçirijilik ýollaryny üpjün edip biljekdigini we şeýlelik bilen dartgynlyk astynda ýokary geçirijiligi saklap biljekdigini çaklaýarys. Grafen rulonlary goşmaça sintez ýa-da işleme talap etmeýär; olar tebigy ýagdaýda çygly geçiş prosesi wagtynda emele gelýär. Köp gatlakly G/G (grafen/grafen) rulonlaryny (MGG), grafen uzalyp bilýän elektrodlary (çeşme/drenaj we derweze) we ýarymgeçiriji CNT-leri ulanmak arkaly biz ýokary derejede açyk we ýokary derejede uzalyp bilýän ähli uglerodly tranzistorlary görkezip bildik, olar 120% dartgynlykda (zarýad daşamagyň ugruna parallel) uzalyp bilýär we asyl tok çykyşynyň 60% -ini saklap bilýär. Bu häzirki wagta çenli iň uzalyp bilýän açyk uglerod esasly tranzistordyr we organiki däl LED-i herekete getirmek üçin ýeterlik tok üpjün edýär.
Giň meýdanly açyk we uzalyp bilýän grafen elektrodlaryny döretmek üçin, biz Cu folgasynda CVD-de ösdürilip ýetişdirilen grafeni saýladyk. Cu folgasy CVD kwarts turbasynyň ortasynda asylgy goýuldy, bu bolsa grafeniň iki tarapynda hem ösmegine mümkinçilik berdi we G/Cu/G gurluşlaryny emele getirdi. Grafeni geçirmek üçin, ilki bilen grafeniň bir tarapyny goramak üçin poli (metil metakrilat) inçe gatlagyny (PMMA) aýlandyrdyk, biz ony ýokarky tarap grafen diýip atlandyrdyk (grafeniň beýleki tarapy üçin tersine) we soňra tutuş plýonka (PMMA/ýokarky grafen/Cu/aşaky grafen) Cu folgasyny oýup aýyrmak üçin (NH4)2S2O8 erginine çümdürildi. PMMA örtügi bolmadyk aşaky tarapdaky grafende hökman oýup çykaryjynyň (36, 37) içine girmegine mümkinçilik berýän ýaryklar we kemçilikler bolar. 1A suratda görkezilişi ýaly, ýüz dartgynlylygynyň täsiri astynda boşadylan grafen domenleri rulonlara öwrüldi we soňra galan ýokarky G/PMMA plýonkasyna berkidildi. Üstki G/G rulonlary SiO2/Si, aýna ýa-da ýumşak polimer ýaly islendik substrata geçirip bolýar. Bu geçirmek prosesini şol bir substrata birnäçe gezek gaýtalamak MGG gurluşlaryny berýär.
(A) MGG-leriň dartgyn elektrod hökmünde öndüriliş tertibiniň shematiki suraty. Grafen geçirilişi mahalynda, Cu folgasyndaky arka tarapdaky grafen serhetlerde we kemçiliklerde döwüldi, islendik görnüşlere dürlendi we ýokarky plýonkalara berk berkidildi we nanosurgunlary emele getirdi. Dördünji multfilmde üst-üste goýlan MGG gurluşy suratlandyrylýar. (B we C) Bir gatlakly MGG-niň ýokary çözgütli TEM häsiýetnamalary, degişlilikde bir gatlakly grafen (B) we rulon (C) sebitine ünsi jemleýär. (B)-niň içine TEM torundaky bir gatlakly MGG-leriň umumy morfologiýasyny görkezýän pes ulaldyşly suratdyr. (C)-niň içine atom tekizlikleriniň arasyndaky aralyklar 0,34 we 0,41 nm bolan suratda görkezilen gönüburçluk gutulary boýunça alnan intensiwlik profilleridir. (D) Karbon K-gyrasyndaky EEL spektri, häsiýetli grafit π* we σ* depeleri bilen belgilendi. (E) Sary nokatly çyzyk boýunça beýiklik profili bolan bir gatlakly G/G rulonlarynyň kesim AFM suraty. (F-dan I-a) Degişlilikde 300 nm galyňlykdaky SiO2/Si substratlarynda (F we H) bolmadyk we rulonlary (G we I) bolan üç gatlakly G-niň optiki mikroskopiýa we AFM şekilleri. Olaryň tapawudyny görkezmek üçin wekilçilikli rulonlar we gyrymsyklar belgilendi.
Burulmalaryň tebigatda grafen görnüşinde bolandygyny barlamak üçin, biz monogatlakly ýokarky G/G burulma gurluşlarynda ýokary çözgütli geçirijilikli elektron mikroskopiýasyny (TEM) we elektron energiýasynyň ýitgisini (EEL) spektroskopiýa barlaglaryny geçirdik. 1B suratda monogatlakly grafeniň altyburçluk gurluşy görkezilýär, içine bolsa TEM torunyň ýeke uglerod deşiginde örtülen plýonkanyň umumy morfologiýasy görkezilýär. Monogatlakly grafen toruň köp bölegini öz içine alýar we altyburçluk halkalaryň köp sanly üýşügi bolan käbir grafen bölekleri peýda bolýar (1B surat). Aýratyn burulmanyň içine ýakynlaşdyryp (1C surat), biz tor aralygy 0,34-den 0,41 nm-e çenli bolan köp mukdarda grafen tor gyralaryny synladyk. Bu ölçegler bölekleriň tötänleýin burulandygyny we "ABAB" gatlaklarynyň üst-üst goýulmasynda 0,34 nm tor aralygy bolan kämil grafit däldigini görkezýär. 1D suratda uglerodyň K-gyrasyndaky EEL spektri görkezilýär, bu ýerde 285 eV-däki pik π* orbitalyndan, beýlekisi bolsa 290 eV töweregindäki pik bolsa σ* orbitalynyň geçişinden gelip çykýar. Bu gurluşda sp2 baglanyşygynyň agdyklyk edýändigini we rulonlaryň ýokary derejede grafitlidigini tassyklaýandygyny görmek bolýar.
Optiki mikroskopiýa we atom güýji mikroskopiýasynyň (AFM) suratlary MGG-lerde grafen nanosurglarynyň paýlanyşyna düşünmäge mümkinçilik berýär (1-nji surat, E-den G-e çenli we S1 we S2 suratlary). Surglar ýüz boýunça tötänleýin paýlanypdyr we olaryň tekizlikdäki dykyzlygy üst-üste goýlan gatlaklaryň sanyna proporsional taýdan artýar. Köp skruglar düwünlere bulaşypdyr we 10-dan 100 nm-e çenli aralykda deň däl beýiklikleri görkezýär. Olaryň uzynlygy 1-den 20 mkm-e çenli we ini 0,1-den 1 mkm-e çenli bolup, bu olaryň başlangyç grafen bölekleriniň ölçeglerine baglylykdadyr. 1-nji suratda (H we I) görkezilişi ýaly, skruglar gyrymsyklardan has uly ölçeglere eýedir, bu bolsa grafen gatlaklarynyň arasynda has gödek serhete getirýär.
Elektrik häsiýetlerini ölçemek üçin, biz 300 μm giňlikde we 2000 μm uzynlykdaky zolaklara rulon gurluşly ýa-da rulonsyz grafen plýonkalaryny we gatlaklaryň üst-üst goýulmagyny fotolitografiýa arkaly 300 μm giňlikde we 2000 μm uzynlykdaky zolaklara nagyşladyk. Daşky gurşaw şertlerinde dartgynlylygyň funksiýasy hökmünde iki zondly garşylyklar ölçendi. Rulonlaryň bolmagy bir gatlakly grafen üçin garşylygy 80% azaldyp, geçirijiligi diňe 2,2% azaldy (S4 surat). Bu, 5 × 107 A/sm2 çenli ýokary tok dykyzlygyna eýe bolan nanosrolllaryň MGG-lere örän oňyn elektrik goşandyny goşýandygyny tassyklaýar (38, 39). Ähli mono-, iki- we üç gatlakly ýönekeý grafenleriň we MGG-leriň arasynda üç gatlakly MGG iň gowy geçirijilige eýe bolup, tas 90% açyklyk bilen tapawutlanýar. Edebiýatda görkezilen grafeniň beýleki çeşmeleri bilen deňeşdirmek üçin, biz dört zondly list garşylygyny hem ölçäp gördük (S5 surat) we olary 2A suratda 550 nm-de geçirijiligiň funksiýasy hökmünde görkezdik (S6 surat). MGG, emeli üýşürilen köp gatlakly ýönekeý grafen we azaldylan grafen oksidi (RGO) bilen deňeşdirip boljak ýa-da has ýokary geçirijiligi we açyklygy görkezýär (6, 8, 18). Edebiýatda görkezilen emeli üýşürilen köp gatlakly ýönekeý grafeniň list garşylygynyň biziň MGG-miziňkiden birneme ýokarydygyny belläň, bu, ähtimal, olaryň optimizirlenmedik ösüş şertleri we geçiş usuly bilen baglanyşyklydyr.
(A) Gara kwadratlar mono-, bi- we üç gatlakly MGG-leri aňladýan birnäçe grafen üçin 550 nm-de dört zondly list garşylyklaryna garşy geçirijilik; gyzyl tegelekler we gök üçburçluklar degişlilikde Li we beýlekileriň (6) we Kim we beýlekileriň (8) barlaglaryndan Cu we Ni-de ösdürilip ýetişdirilen we soňra SiO2/Si ýa-da kwarsyň üstüne geçirilen köp gatlakly ýönekeý grafen bilen gabat gelýär; we ýaşyl üçburçluklar Bonaccorso we beýlekileriň barlaglaryndan dürli peseldiji derejelerde RGO üçin gymmatlyklardyr (18). (B we C) Tok akymynyň ugruna perpendikulýar (B) we parallel (C) dartgynlylygyň funksiýasy hökmünde mono-, bi- we üç gatlakly MGG-leriň we G-niň normallaşdyrylan garşylyk üýtgemesi. (D) 50% perpendikulýar dartgynlylyga çenli siklik dartgynlylyk ýüklenmesi astynda iki gatlakly G (gyzyl) we MGG (gara)-nyň normallaşdyrylan garşylyk üýtgemesi. (E) 90% parallel dartgynlylyga çenli siklik dartgynlylyk ýüklenmesi astynda üç gatlakly G (gyzyl) we MGG (gara)-nyň normallaşdyrylan garşylyk üýtgemesi. (F) Deformasiýanyň funksiýasy hökmünde mono-, bi- we üç gatlakly G-leriň we iki- we üç gatlakly MGG-leriň normallaşdyrylan kuwwatlylyk üýtgemesi. Girdeji kondensatoryň gurluşydyr, bu ýerde polimer substraty SEBS we polimer dielektrik gatlagy 2 μm galyňlykdaky SEBS-dir.
MGG-niň deformasiýa bagly işini bahalandyrmak üçin, biz grafeni termoplastik elastomer stirol-etilen-butadien-stirol (SEBS) substratlaryna (~2 sm giňlikde we ~5 sm uzynlykda) geçirdik we substrat tok akymynyň ugruna perpendikulýar we parallel uzadylanda geçirijilik ölçeldi (Materiallar we usullar bölümine serediň) (2-nji surat, B we C). Deformasiýa bagly elektrik häsiýeti nanosurglaryň goşulmagy we grafen gatlaklarynyň sanynyň köpelmegi bilen gowulaşdy. Mysal üçin, deformasiýa tok akymyna perpendikulýar bolanda, bir gatlakly grafen üçin rulonlaryň goşulmagy elektrik döwülmesinde deformasiýany 5-den 70% -e çenli ýokarlandyrdy. Üç gatlakly grafeniň deformasiýa çydamlylygy hem bir gatlakly grafen bilen deňeşdirilende ep-esli gowulaşdy. Nanosurglarda, 100% perpendikulýar deformasiýada, üç gatlakly MGG gurluşynyň garşylygy rulonsyz üç gatlakly grafen üçin 300% bilen deňeşdirilende diňe 50% ýokarlandy. Siklik deformasiýa ýüklenmesi astynda garşylygyň üýtgemegi öwrenildi. Deňeşdirmek üçin (2D surat), ýönekeý iki gatlakly grafen plýonkasynyň garşylyklary 50% perpendikulýar deformasiýada ~700 siklden soň takmynan 7,5 esse artdy we her siklde deformasiýa bilen artmagyny dowam etdirdi. Beýleki tarapdan, iki gatlakly MGG-niň garşylygy ~700 siklden soň diňe 2,5 esse artdy. Parallel ugur boýunça 90% -e çenli deformasiýa ulanylanda, üç gatlakly grafeniň garşylygy 1000 siklden soň ~100 esse artdy, üç gatlakly MGG-de bolsa ol diňe ~8 esse artdy (2E surat). Sikl netijeleri S7 suratda görkezilen. Parallel deformasiýa ugry boýunça garşylygyň deňeşdirme boýunça has çalt artmagy, çatlaklaryň ugrynyň tok akymynyň ugruna perpendikulýar bolmagy bilen baglanyşyklydyr. Deformasiýa ýüklenýän we düşürilýän mahalynda garşylygyň üýtgemesi SEBS elastomer substratynyň wiskoelastik dikeldilmegi bilen baglanyşyklydyr. MGG zolaklarynyň sikl wagtynda has durnukly garşylygy, grafeniň döwülen böleklerini (AFM tarapyndan görkezilişi ýaly) köprüläp bilýän uly rulonlaryň bolmagy bilen baglanyşyklydyr we perkolasiýa ýoluny saklamaga kömek edýär. Perkolasiýa ýoly bilen geçirijiligi saklamagyň bu hadysasy elastomer substratlarynda döwülen metal ýa-da ýarymgeçiriji plýonkalar üçin öň hem habar berlipdi (40, 41).
Bu grafen esasly plýonkalary dartgynly enjamlarda derweze elektrodlary hökmünde bahalandyrmak üçin, biz grafen gatlagyny SEBS dielektrik gatlagy (2 μm galyňlykda) bilen örtdik we dielektrik kuwwatlylygyň üýtgemegini dartgynlylygyň funksiýasy hökmünde gözegçilik etdik (jikme-jiklikler üçin 2F surata we goşmaça materiallara serediň). Biz grafeniň tekizlikdäki geçirijiliginiň ýitmegi sebäpli ýönekeý bir gatlakly we iki gatlakly grafen elektrodlary bolan kuwwatlylyklaryň çalt azalandygyny gördük. Tersine, MGG-ler, şeýle hem ýönekeý üç gatlakly grafen bilen dartgynly kuwwatlylyklar dartgynlylyk bilen kuwwatlylygyň artandygyny görkezdi, bu bolsa dartgynlylyk bilen dielektrik galyňlygynyň azalmagy sebäpli garaşylýar. Kuwwatyň garaşylýan artmagy MGG gurluşy bilen örän gowy gabat geldi (S8 surat). Bu MGG-niň dartgynly tranzistorlar üçin derweze elektrody hökmünde amatlydygyny görkezýär.
1D grafen rulonynyň elektrik geçirijiliginiň dartgynlylyga çydamlylygyndaky roluny has çuňňur öwrenmek we grafen gatlaklarynyň arasyndaky bölünişi has gowy dolandyrmak üçin, grafen rulonlarynyň ýerine sprey bilen örtülen CNT-leri ulandyk (Goşmaça materiallara serediň). MGG gurluşlaryny gaýtalamak üçin, üç sany dykyzlykdaky CNT-leri (ýagny CNT1) ýerleşdirdik.
(A-dan C-a çenli) Üç dürli dykyzlykdaky CNT-leriň AFM suratlary (CNT1)
Olaryň dartgyn elektronika üçin elektrod hökmünde mümkinçiliklerini has çuňňur düşünmek üçin, biz dartgynlyk astynda MGG we G-CNT-G morfologiýalaryny yzygiderli öwrendik. Optiki mikroskopiýa we skanerleýji elektron mikroskopiýa (SEM) netijeli häsiýetlendirme usullary däl, sebäbi ikisi hem reňk kontrastyna eýe däl we grafen polimer substratlarynda bolanda SEM elektron skanerleme wagtynda surat artefaktlaryna sezewar bolýar (S9 we S10 suratlar). Dartgynlyk astynda grafen ýüzüni ýerinde synlamak üçin, örän inçe (~0.1 mm galyňlykda) we elastik SEBS substratlaryna geçirilenden soň, üç gatlakly MGG-lerde we ýönekeý grafenlerde AFM ölçeglerini ýygnadyk. CVD grafeniniň içki kemçilikleri we geçiş prosesinde daşarky zeperler sebäpli, dartgynly grafende ýaryklar hökman döreýär we dartgynlyk artansoň, ýaryklar has dykyzlaşýar (4-nji surat, A-dan D-ä çenli). Uglerod esasly elektrodlaryň üst-üste goýulýan gurluşyna baglylykda, ýaryklar dürli morfologiýalary görkezýär (S11 surat) (27). Köp gatlakly grafeniň çatlak meýdanynyň dykyzlygy (çatlak meýdany/seljerilen meýdan hökmünde kesgitlenýär) dartgynlykdan soň bir gatlakly grafeniňkiden azdyr, bu bolsa MGG-leriň elektrik geçirijiliginiň ýokarlanmagy bilen gabat gelýär. Beýleki tarapdan, dartgynlyk plyonkasynda goşmaça geçirijilik ýollaryny üpjün edýän, çatlaklary köprülemek üçin köplenç rulonlar syn edilýär. Mysal üçin, 4B suratdaky suratda görkezilişi ýaly, giň rulon üç gatlakly MGG-däki çatlagyň üstünden geçýär, ýöne ýönekeý grafende hiç hili rulon syn edilmedi (4-nji surat, E-den H-a çenli). Şonuň ýaly-da, CNT-ler grafendäki çatlaklary hem köprüledi (S11 surat). Çatlak meýdanynyň dykyzlygy, rulon meýdanynyň dykyzlygy we plyonkalaryň gödekligi 4K suratda jemlenendir.
(A-dan H-a çenli) Üç gatlakly G/G rulonlarynyň (A-dan D-a çenli) we üç gatlakly G gurluşlarynyň (E-den H-a çenli) örän inçe SEBS (~0.1 mm galyňlykda) elastomerinde 0, 20, 60 we 100% dartgynlykda inçe AFM suratlary. Wekilçilikli ýaryklar we rulonlar ok bilen uzaldy. Ähli AFM suratlary 15 μm × 15 μm meýdanda, belliklenen reňk ölçegli çyzyk ulanylypdyr. (I) SEBS substratyndaky nagyşly monogatlakly grafen elektrodlarynyň simulýasiýa geometriýasy. (J) 20% daşarky dartgynlykda monogatlakly grafen we SEBS substratyndaky maksimal esasy logarifmik dartgynlygyň simulýasiýa kontur kartasy. (K) Dürli grafen gurluşlary üçin ýaryk meýdanynyň dykyzlygynyň (gyzyl sütün), rulon meýdanynyň dykyzlygynyň (sary sütün) we ýüziň tekizliginiň (gök sütün) deňeşdirilmegi.
MGG plýonkalary uzadylanda, rulonlaryň grafeniň döwülen sebitlerini köprüläp bilmegi we perkolasiýa ulgamyny saklamagyň möhüm goşmaça mehanizmi bar. Grafen rulonlary geljegi uly, sebäbi olaryň uzynlygy onlarça mikrometr bolup biler we şonuň üçin adatça mikrometr ölçegine çenli bolan döwükleri köprüläp bilýär. Mundan başga-da, rulonlar grafeniň köp gatlakly gatlaklaryndan ybarat bolandygy sebäpli, olaryň pes garşylyga eýe bolmagyna garaşylýar. Deňeşdirmek üçin, deňeşdirip boljak geçirijilik köprüsini üpjün etmek üçin deňeşdirip boljak dykyz (pes geçirijilik) CNT torlary gerek, sebäbi CNT-ler rulonlardan has kiçi (adatça birnäçe mikrometr uzynlygynda) we az geçirijilikli bolýar. Beýleki tarapdan, S12-nji suratda görkezilişi ýaly, grafen dartgynlylygy kabul etmek üçin uzadylanda döwülýän bolsa, rulonlar döwülmeýär, bu bolsa soňkysynyň aşagyndaky grafende süýşüp biljekdigini görkezýär. Olaryň çatlamazlygynyň sebäbi, bir gatlakly grafenden has ýokary netijeli modula eýe bolan köp gatlakly grafenden (~1-den 20 μm-e çenli, ~0.1-den 1 μm-e çenli we ~10-dan 100 nm-e çenli beýiklikdäki) ybarat bolan dürlen gurluş bilen baglanyşykly bolmagy mümkin, bu bolsa bir gatlakly grafenden has ýokary netijeli modula eýedir. Grin we Hersamyň (42) habar bermegine görä, metal CNT torlary (turba diametri 1.0 nm) CNT-leriň arasyndaky uly birleşme garşylygyna garamazdan, pes list garşylygyna <100 ohm/kwadrat metr ýetip bilýär. Grafen rulonlarymyzyň ini 0.1-den 1 μm-e çenli we G/G rulonlarynyň CNT-lerden has uly kontakt meýdanlarynyň bardygyny göz öňünde tutup, grafen we grafen rulonlarynyň arasyndaky kontakt garşylygy we kontakt meýdany ýokary geçirijiligi saklamak üçin çäklendiriji faktor bolmaly däl.
Grafen SEBS substratyna garanyňda has ýokary modula eýedir. Grafen elektrodynyň netijeli galyňlygy substratyňkydan has pes bolsa-da, grafeniň berkliginiň onuň galyňlygyna köpeltmesi substratyňky bilen deňeşdirilip bilner (43, 44), bu bolsa ortaça berk ada täsirini döredýär. Biz SEBS substratynda 1 nm galyňlykdaky grafeniň deformasiýasyny simulýasiýa etdik (jikme-jiklikler üçin Goşmaça materiallara serediň). Simulýasiýa netijelerine görä, SEBS substratyna daşarky tarapdan 20% deformasiýa ulanylanda, grafendäki ortaça deformasiýa ~6,6% (4J surat we S13D surat), bu bolsa tejribe gözegçiliklerine laýyk gelýär (S13 surata serediň). Biz nagyşly grafen we substrat sebitlerindäki deformasiýany optiki mikroskopiýa arkaly deňeşdirdik we substrat sebitindäki deformasiýanyň grafen sebitindäki deformasiýanyň azyndan iki esse köpdigini anykladyk. Bu bolsa grafen elektrod nusgalaryna ulanylýan deformasiýanyň SEBS-iň üstünde grafen berk adalaryny emele getirip, ep-esli çäklendirilip bilinjekdigini görkezýär (26, 43, 44).
Şonuň üçin MGG elektrodlarynyň ýokary dartgynlyk astynda ýokary geçirijiligi saklamak ukyby iki esasy mehanizm arkaly üpjün edilýär: (i) Sürümler geçiriji perkolasiýa ýoluny saklamak üçin aýrylan sebitleri köprüläp bilýär we (ii) köp gatlakly grafen listleri/elastomer biri-biriniň üstünden süýşüp bilýär, bu bolsa grafen elektrodlaryna düşýän dartgynlylygyň azalmagyna getirýär. Elastomeriň üstünde geçirilýän grafeniň köp gatlaklary üçin gatlaklar biri-biri bilen berk baglanyşmaýar, bu bolsa dartgynlyga jogap hökmünde süýşüp bilýär (27). Sürümler şeýle hem grafen gatlaklarynyň gödekligini artdyrdy, bu bolsa grafen gatlaklarynyň arasyndaky aralygy artdyrmaga kömek edip biler we şonuň üçin grafen gatlaklarynyň süýşmegini üpjün edip biler.
Ähli uglerodly enjamlar arzan we ýokary geçirijilik ukyby sebäpli uly höwes bilen ulanylýar. Biziň ýagdaýymyzda ähli uglerodly tranzistorlar aşaky grafen derwezesi, ýokarky grafen çeşmesi/drenaj kontakty, tertiplenen CNT ýarymgeçirijisi we dielektrik hökmünde SEBS ulanylyp öndürildi (5A surat). 5B suratda görkezilişi ýaly, çeşme/drenaj we derweze (aşaky enjam) hökmünde CNT-leri bolan ähli uglerodly enjam grafen elektrodlary bolan enjama (ýokarky enjam) garanda has mat. Sebäbi CNT ulgamlary grafeniňki ýaly list garşylyklaryna ýetmek üçin has uly galyňlyklary we netijede pes optiki geçirijilikleri talap edýär (S4 surat). 5-nji surat (C we D) iki gatlakly MGG elektrodlary bilen ýasalan tranzistor üçin deformasiýadan öňki wekilçilikli geçirijilik we çykyş egrilerini görkezýär. Deformasiýasyz tranzistoryň kanal giňligi we uzynlygy degişlilikde 800 we 100 μm boldy. Ölçenen açyk/ýapyk gatnaşygy degişlilikde 10−5 we 10−8 A derejelerinde açyk we ýapyk toklarda 103-den uly. Çykyş egrisi CNT-ler bilen grafen elektrodlarynyň arasyndaky ideal gatnaşygy görkezýän aýdyň derweze-naprýaženiýe baglylygy bilen ideal çyzykly we doýgunlyk režimlerini görkezýär (45). Grafen elektrodlary bilen kontakt garşylygynyň bugarylan Au plýonkasyndaky garşylykdan pesdigi syn edildi (S14-nji surata serediň). Uzynýan tranzistoryň doýgunlyk hereketliligi takmynan 5,6 sm2/Vs, dielektrik gatlak hökmünde 300 nm SiO2 bolan berk Si substratlarynda şol bir polimer-sortirlenen CNT tranzistorlarynyňky ýaly. Hereketliligiň has-da gowulanmagy optimizirlenen turba dykyzlygy we beýleki turba görnüşleri bilen mümkin (46).
(A) Grafen esasly uzaldylýan tranzistoryň shemasy. SWNT-ler, bir diwarly uglerod nanotubalary. (B) Grafen elektrodlaryndan (ýokarda) we CNT elektrodlaryndan (aşakda) ýasalan uzaldylýan tranzistorlaryň suraty. Açyklykdaky tapawut aýdyň görünýär. (C we D) Grafen esasly tranzistoryň dartgynlykdan öň SEBS-de geçirijilik we çykyş egrileri. (E we F) Geçirilik egrileri, açyk we ýapyk tok, açyk/ýapyk gatnaşygy we grafen esasly tranzistoryň dürli dartgynlyklarda hereketliligi.
Şeffaf, doly uglerodly enjam zarýad daşamak ugry boýunça parallel ugrukdyrylanda, minimal dargama 120% deformasiýa çenli syn edildi. Uzatma wagtynda hereketlilik 0% deformasiýada 5,6 sm2/Vs-den 120% deformasiýada 2,5 sm2/Vs-e çenli yzygiderli pese gaçdy (5F surat). Şeýle hem, dürli kanal uzynlyklary üçin tranzistoryň işini deňeşdirdik (S1 tablisasyna serediň). Belli bir zat, 105% deformasiýada bu tranzistorlaryň hemmesi ýokary açyk/ýapyk gatnaşygyny (>103) we hereketliligi (>3 sm2/Vs) görkezdi. Mundan başga-da, doly uglerodly tranzistorlar boýunça soňky işleriň hemmesini jemledik (S2 tablisasyna serediň) (47–52). Elastomerlerde enjam öndürilişini optimizirlemek we MGG-leri kontakt hökmünde ulanmak arkaly, doly uglerodly tranzistorlarymyz hereketlilik we gisterezis babatda gowy netije görkezýärler, şeýle hem ýokary derejede uzalyp bilýärler.
Doly açyk we uzalyp bilýän tranzistoryň ulanylyşy hökmünde, biz ony LED-iň geçişini dolandyrmak üçin ulandyk (6A surat). 6B suratda görkezilişi ýaly, ýaşyl LED göni ýokarda ýerleşdirilen uzalyp bilýän doly uglerodly enjam arkaly aýdyň görünýär. ~100% çenli uzalyp barýarka (6-njy surat, C we D), LED çyrasynyň intensiwligi üýtgemeýär, bu bolsa ýokarda beýan edilen tranzistoryň iş görkezijisine laýyk gelýär (S1 filmine serediň). Bu, grafen elektrodlaryny ulanyp ýasalan uzalyp bilýän dolandyryş bloklarynyň ilkinji hasabaty bolup, grafen uzalyp bilýän elektronika üçin täze mümkinçiligi görkezýär.
(A) LED-i herekete getirmek üçin tranzistoryň zynjyry. GND, topraklama. (B) Ýaşyl LED-iň üstünde oturdylan 0% dartgynlykda uzalyp bilýän we açyk uglerodly tranzistoryň suraty. (C) LED-i üýtgetmek üçin ulanylýan açyk uglerodly we uzalyp bilýän tranzistor LED-iň üstünde 0% (çepde) we ~100% dartgynlykda (sagda) oturdylýar. Ak oklaryň uzaldylýan aralygyň üýtgemegini görkezmek üçin enjamdaky sary markerler hökmünde görkezilmegi. (D) Uzaldylan tranzistoryň gapdal görnüşi, LED elastomere basylyp goýulýar.
Netijede, biz uly deformasiýalaryň aşagynda ýokary geçirijiligi saklaýan, uzalyp bilýän elektrodlar hökmünde ýokary geçirijiligi saklaýan açyk geçiriji grafen gurluşyny işläp düzdik, bu bolsa gatlaklanan grafen gatlaklarynyň arasyndaky grafen nanosurgulary arkaly üpjün edilýär. Elastomerdäki bu iki we üç gatlakly MGG elektrod gurluşlary, adaty bir gatlakly grafen elektrodlary üçin 5% deformasiýada geçirijiligiň doly ýitmegine garanyňda, 100% deformasiýada 0% deformasiýa geçirijiliginiň degişlilikde 21 we 65% -ni saklap bilýär. Grafen surgularynyň goşmaça geçirijilik ýollary, şeýle hem geçirilen gatlaklaryň arasyndaky gowşak özara täsir, deformasiýa astynda ýokary geçirijilik durnuklylygyna goşant goşýar. Biz bu grafen gurluşyny doly uglerodly uzalyp bilýän tranzistorlary öndürmek üçin has-da ulandyk. Häzirlikçe, bu, bükülme ulanmazdan iň gowy açyklygy bolan iň uzalyp bilýän grafen esasly tranzistordyr. Häzirki gözleg uzalyp bilýän elektronika üçin grafeni ulanmak üçin geçirilse-de, bu çemeleşmäniň uzalyp bilýän 2D elektronikany döretmek üçin beýleki 2D materiallara hem giňeldilip bilinjekdigine ynanýarys.
Uly meýdanly CVD grafeni 1000°C-de 50–SCCM (standart kub santimetr/minut) CH4 we 20–SCCM H2 öňbaşçy hökmünde 0,5 mtorr yzygiderli basyş astynda asma Cu folgalarynda (99.999%; Alfa Aesar) ösdürilip ýetişdirildi. Cu folgasynyň iki tarapy hem bir gatlakly grafen bilen örtüldi. Cu folgasynyň bir tarapyna PMMA-nyň inçe gatlagy (2000 aý/min; A4, Microchem) aýlanyp örtülip, PMMA/G/Cu folgasy/G gurluşy emele geldi. Soňra tutuş plýonka Cu folgasyny aýyrmak üçin takmynan 2 sagatlap 0,1 M ammonium persulfat [(NH4)2S2O8] ergininde çümdürildi. Bu prosesde goragsyz arka tarapdaky grafen ilki däne serhetleri boýunça ýyrtyldy we soňra ýüz dartgynlylygy sebäpli rulonlara öwrüldi. Rulonlar PMMA tarapyndan goldanylýan ýokarky grafen plýonkasyna berkidildi we PMMA/G/G rulonlaryny emele getirdi. Plýonkalar soňra deionizirlenen suwda birnäçe gezek ýuwuldy we maksatly substrata, meselem, berk SiO2/Si ýa-da plastik substrata goýuldy. Goşulan plýonka substratda guradylan badyna, nusga PMMA-ny aýyrmak üçin asetonda, 1:1 aseton/IPA-da (izopropil spirti) we IPA-da yzygiderli 30 sekuntlap çümdürildi. Plýonkalar 100°C-da 15 minutlap gyzdyryldy ýa-da başga bir gatlak G/G rulony geçirilmezden öň, gabalan suwy doly aýyrmak üçin gijesine wakuumda saklandy. Bu ädim grafen plýonkasynyň substratdan aýrylmagynyň öňüni almak we PMMA göteriji gatlagynyň boşadylmagy wagtynda MGG-leriň doly örtülmegini üpjün etmek üçin edildi.
MGG gurluşynyň morfologiýasy optiki mikroskop (Leica) we skanerleýji elektron mikroskopy (1 kV; FEI) arkaly syn edildi. G rulonlarynyň jikme-jikliklerini synlamak üçin atom güýç mikroskopy (Nanoscope III, Digital Instrument) taplama režiminde işledildi. Plýonkanyň açyklygy ultramelewşe görünýän spektrometr (Agilent Cary 6000i) arkaly synagdan geçirildi. Deformasiýa tok akymynyň perpendikulýar ugry boýunça bolan synaglar üçin grafen gurluşlaryny zolaklara (~300 μm giňlikde we ~2000 μm uzynlykda) şekillendirmek üçin fotolitografiýa we O2 plazmasy ulanyldy we uzyn tarapyň iki ujunda kölege maskalary ulanylyp, Au (50 nm) elektrodlary termal ýerleşdirildi. Soňra grafen zolaklary SEBS elastomeri (~2 sm ini we ~5 sm uzynlygy) bilen degirildi, zolaklaryň uzyn oklary SEBS-iň gysga tarapyna parallel, soňra BOE (buferlenen oksid aşındyrmasy) (HF:H2O 1:6) aşındyrmasy we elektrik kontaktlary hökmünde ewtektiki galliý indiýi (EGaIn) ulanyldy. Parallel deformasiýa synaglary üçin, nagyşsyz grafen gurluşlary (~5 × 10 mm) SEBS substratlaryna geçirildi, uzyn oklary SEBS substratynyň uzyn tarapyna parallel boldy. Iki ýagdaýda hem tutuş G (G rulonlary bolmazdan)/SEBS el enjamynda elastomeriň uzyn tarapy boýunça uzadyldy we ýerinde, ýarymgeçiriji analizatory (Keithley 4200-SCS) bolan zond stansiýasynda olaryň deformasiýa astyndaky garşylyk üýtgemelerini ölçedik.
Polimer dielektrikiň we substratyň organiki erginleriň zyýanyndan gaça durmak üçin elastik substratdaky ýokary derejede uzalýan we açyk uglerodly tranzistorlar aşakdaky usullar bilen öndürildi. MGG gurluşlary derweze elektrodlary hökmünde SEBS-e geçirildi. Birmeňzeş inçe plýonkaly polimer dielektrik gatlagyny (2 μm galyňlykda) almak üçin SEBS toluol (80 mg/ml) ergini oktadesiltrihlorsilan (OTS) bilen üýtgedilen SiO2/Si substratynda 1000 aýlaw/minut tizlikde 1 minutlap aýlanyp örtüldi. Inçe dielektrik plýonka gidrofob OTS ýüzünden taýýarlanan grafen bilen örtülen SEBS substratyna aňsatlyk bilen geçirip bolýar. Kondensator LCR (induktiwlik, kuwwatlylyk, garşylyk) ölçegçisini (Agilent) ulanyp, dartgynlylygyň funksiýasy hökmünde kuwwatlylygy kesgitlemek üçin suwuk metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) ýokarky elektrodyny goýmak arkaly ýasalyp bilner. Tranzistorun beýleki bölegi öň habar berlen usullara laýyklykda (53) polimer bilen tertipleşdirilen ýarymgeçiriji CNT-lerden ybaratdy. Nagyşly çeşme/drenaj elektrodlary berk SiO2/Si substratlarynda ýasaldy. Soňra iki bölek, dielektrik/G/SEBS we CNT/nagyşly G/SiO2/Si, biri-birine laminirlenen we berk SiO2/Si substratyny aýyrmak üçin BOE-de çümdürilen. Şeýlelik bilen, doly açyk we uzalyp bilýän tranzistorlar ýasaldy. Deformasiýa astynda elektrik synagy ýokarda agzalan usul ýaly el bilen uzaldylýan gurluşda geçirildi.
Bu makala üçin goşmaça materiallar http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 salgysynda bar.
S1 şekil. SiO2/Si substratlarynda dürli ulaldyşlarda monogatlakly MGG-niň optiki mikroskopiýa suratlary.
S4 şekil. Mono-, iki- we üç gatlakly ýönekeý grafenleriň (gara kwadratlar), MGG-niň (gyzyl tegelekler) we CNT-leriň (gök üçburçluk) 550 nm-de iki zondly list garşylyklarynyň we geçirijilikleriniň deňeşdirilmegi.
S7 şekil. ~1000 siklik deformasiýa ýüklenmesi astynda degişlilikde 40 we 90% parallel deformasiýa çenli mono- we iki gatlakly MGG-leriň (gara) we G-niň (gyzyl) normallaşdyrylan garşylyk üýtgemesi.
S10 şekili. SEBS elastomerinde dartgynlykdan soň üç gatlakly MGG-niň SEM şekili, birnäçe ýaryklaryň üstünde uzyn aýlawly kesişmäni görkezýär.
S12 şekil. Üç gatlakly MGG-niň örän inçe SEBS elastomeriniň üstünde 20% dartgynlyk bilen AFM şekili, bu bolsa çatlagyň üstünden geçen rulonyň bardygyny görkezýär.
S1 tablisa. Iki gatlakly MGG-bir diwarly uglerod nanotuba tranzistorlarynyň dürli kanal uzynlyklaryndaky deformasiýadan öň we soň hereketliligi.
Bu Creative Commons Attribution-NonCommercial ygtyýarnamasynyň şertlerine laýyklykda ýaýradylýan açyk girişli makala bolup, ol islendik serişdede ulanmaga, ýaýratmaga we köpeltmäge rugsat berýär, eger netijede ulanylyş täjirçilik maksady bilen amala aşyrylmasa we asyl eseriň degişli salgylanmalary bolsa.
BELLEK: Biz diňe sahypany maslahat berýän adamyň siziň ony görmegini isleýändigiňizi we onuň gereksiz poçta däldigini bilmegi üçin e-poçta salgyňyzy soraýarys. Biz hiç hili e-poçta salgysyny almaýarys.
Bu sorag siziň adam myhman bolup-bolmandygyňyzy barlamak we awtomatiki spam ibermeleriniň öňüni almak üçindir.
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.
Ýerleşdirilen wagty: 2021-nji ýylyň 28-nji ýanwary