Τα δισδιάστατα υλικά, όπως το γραφένιο, είναι ελκυστικά τόσο για συμβατικές εφαρμογές ημιαγωγών όσο και για νεοσύστατες εφαρμογές σε εύκαμπτα ηλεκτρονικά. Ωστόσο, η υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό του γραφενίου έχει ως αποτέλεσμα τη θραύση σε χαμηλή παραμόρφωση, καθιστώντας δύσκολη την αξιοποίηση των εξαιρετικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του σε ελαστικά ηλεκτρονικά. Για να επιτύχουμε εξαιρετική απόδοση εξαρτώμενη από την παραμόρφωση των διαφανών αγωγών γραφενίου, δημιουργήσαμε νανοελικοειδή κυκλώματα γραφενίου μεταξύ στοιβαγμένων στρωμάτων γραφενίου, που αναφέρονται ως πολυστρωματικοί αγωγοί γραφενίου/γραφενίου (MGG). Υπό παραμόρφωση, ορισμένοι κύλινδροι γεφύρωσαν τους κατακερματισμένους τομείς του γραφενίου για να διατηρήσουν ένα δίκτυο διήθησης που επέτρεψε εξαιρετική αγωγιμότητα σε υψηλές παραμορφώσεις. Τα τριστρωματικά MGG που στηρίζονται σε ελαστομερή διατήρησαν το 65% της αρχικής τους αγωγιμότητας σε 100% παραμόρφωση, η οποία είναι κάθετη προς την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος, ενώ οι τριστρωματικές μεμβράνες γραφενίου χωρίς νανοελικοειδή κυκλώματα διατήρησαν μόνο το 25% της αρχικής τους αγωγιμότητας. Ένα εκτατό τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας MGG ως ηλεκτρόδια παρουσίασε διαπερατότητα >90% και διατήρησε το 60% της αρχικής του εξόδου ρεύματος σε τάση 120% (παράλληλα με την κατεύθυνση μεταφοράς φορτίου). Αυτά τα εξαιρετικά εκτατά και διαφανή τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα θα μπορούσαν να επιτρέψουν την ανάπτυξη εξελιγμένων εκτατών οπτοηλεκτρονικών.
Τα ελαστικά διαφανή ηλεκτρονικά είναι ένας αναπτυσσόμενος τομέας που έχει σημαντικές εφαρμογές σε προηγμένα βιοενσωματωμένα συστήματα (1, 2), καθώς και τη δυνατότητα ενσωμάτωσης με ελαστικά οπτοηλεκτρονικά (3, 4) για την παραγωγή εξελιγμένων μαλακών ρομποτικών συστημάτων και οθονών. Το γραφένιο παρουσιάζει εξαιρετικά επιθυμητές ιδιότητες ατομικού πάχους, υψηλής διαφάνειας και υψηλής αγωγιμότητας, αλλά η εφαρμογή του σε ελαστικές εφαρμογές έχει παρεμποδιστεί από την τάση του να ραγίζει σε μικρές παραμορφώσεις. Η υπέρβαση των μηχανικών περιορισμών του γραφενίου θα μπορούσε να επιτρέψει νέες λειτουργίες σε ελαστικές διαφανείς συσκευές.
Οι μοναδικές ιδιότητες του γραφενίου το καθιστούν ισχυρό υποψήφιο για την επόμενη γενιά διαφανών αγώγιμων ηλεκτροδίων (5, 6). Σε σύγκριση με τον πιο συχνά χρησιμοποιούμενο διαφανή αγωγό, το οξείδιο του ινδίου-κασσιτέρου [ITO· 100 ohms/τετράγωνο (τετράγωνο) με διαφάνεια 90%], το μονοστρωματικό γραφένιο που αναπτύσσεται με χημική εναπόθεση ατμών (CVD) έχει παρόμοιο συνδυασμό αντίστασης φύλλου (125 ohms/τετράγωνο) και διαφάνειας (97,4%) (5). Επιπλέον, οι μεμβράνες γραφενίου έχουν εξαιρετική ευκαμψία σε σύγκριση με το ITO (7). Για παράδειγμα, σε ένα πλαστικό υπόστρωμα, η αγωγιμότητά του μπορεί να διατηρηθεί ακόμη και για μια ακτίνα κάμψης καμπυλότητας μόλις 0,8 mm (8). Για την περαιτέρω βελτίωση της ηλεκτρικής του απόδοσης ως διαφανούς εύκαμπτου αγωγού, προηγούμενες εργασίες έχουν αναπτύξει υβριδικά υλικά γραφενίου με μονοδιάστατα (1D) νανοσύρματα αργύρου ή νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) (9-11). Επιπλέον, το γραφένιο έχει χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρόδια για ημιαγωγούς ετεροδομής μικτών διαστάσεων (όπως δισδιάστατο Si, μονοδιάστατα νανοσύρματα/νανοσωλήνες και κβαντικές κουκκίδες 0D) (12), εύκαμπτα τρανζίστορ, ηλιακά κύτταρα και διόδους εκπομπής φωτός (LED) (13–23).
Παρόλο που το γραφένιο έχει δείξει πολλά υποσχόμενα αποτελέσματα για εύκαμπτα ηλεκτρονικά, η εφαρμογή του σε ελαστικά ηλεκτρονικά έχει περιοριστεί από τις μηχανικές του ιδιότητες (17, 24, 25). Το γραφένιο έχει ακαμψία εντός επιπέδου 340 N/m και μέτρο ελαστικότητας Young 0,5 TPa (26). Το ισχυρό δίκτυο άνθρακα-άνθρακα δεν παρέχει μηχανισμούς απαγωγής ενέργειας για την εφαρμοζόμενη παραμόρφωση και επομένως ραγίζει εύκολα σε λιγότερο από 5% παραμόρφωση. Για παράδειγμα, το γραφένιο CVD που μεταφέρεται σε ένα ελαστικό υπόστρωμα πολυδιμεθυλοσιλοξάνης (PDMS) μπορεί να διατηρήσει την αγωγιμότητά του μόνο σε λιγότερο από 6% παραμόρφωση (8). Οι θεωρητικοί υπολογισμοί δείχνουν ότι η τσαλάκωση και η αλληλεπίδραση μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων θα πρέπει να μειώνουν σημαντικά την ακαμψία (26). Στοιβάζοντας το γραφένιο σε πολλαπλά στρώματα, αναφέρεται ότι αυτό το διστρωματικό ή τριστρωματικό γραφένιο είναι ελαστικό σε παραμόρφωση 30%, παρουσιάζοντας αλλαγή αντίστασης 13 φορές μικρότερη από αυτή του μονοστρωματικού γραφενίου (27). Ωστόσο, αυτή η ελαστικότητα εξακολουθεί να είναι σημαντικά κατώτερη από τους σύγχρονους ελαστικούς αγωγούς (28, 29).
Τα τρανζίστορ είναι σημαντικά σε εφαρμογές με δυνατότητα τάνυσης, επειδή επιτρέπουν την εξελιγμένη ανάγνωση αισθητήρων και την ανάλυση σήματος (30, 31). Τα τρανζίστορ σε PDMS με πολυστρωματικό γραφένιο ως ηλεκτρόδια πηγής/αποστράγγισης και υλικό καναλιού μπορούν να διατηρήσουν ηλεκτρική λειτουργία έως και 5% παραμόρφωση (32), η οποία είναι σημαντικά κάτω από την ελάχιστη απαιτούμενη τιμή (~50%) για φορητούς αισθητήρες παρακολούθησης της υγείας και ηλεκτρονικό δέρμα (33, 34). Πρόσφατα, έχει διερευνηθεί μια προσέγγιση γραφενίου kirigami και το τρανζίστορ που ελέγχεται από έναν υγρό ηλεκτρολύτη μπορεί να τεντωθεί έως και 240% (35). Ωστόσο, αυτή η μέθοδος απαιτεί αιωρούμενο γραφένιο, γεγονός που περιπλέκει τη διαδικασία κατασκευής.
Εδώ, επιτυγχάνουμε συσκευές γραφενίου με υψηλή ελαστικότητα παρεμβάλλοντας σπειροειδείς έλικες γραφενίου (μήκους ~1 έως 20 μm, πλάτους ~0,1 έως 1 μm και ύψους ~10 έως 100 nm) μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου. Υποθέτουμε ότι αυτές οι σπειροειδείς έλικες γραφενίου θα μπορούσαν να παρέχουν αγώγιμες διαδρομές για τη γεφύρωση ρωγμών στα φύλλα γραφενίου, διατηρώντας έτσι υψηλή αγωγιμότητα υπό τάση. Οι σπειροειδείς έλικες γραφενίου δεν απαιτούν πρόσθετη σύνθεση ή επεξεργασία. σχηματίζονται φυσικά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας υγρής μεταφοράς. Χρησιμοποιώντας πολυστρωματικές σπειροειδείς έλικες G/G (γραφένιο/γραφένιο) (MGGs) ηλεκτρόδια ελαστικότητας γραφενίου (πηγή/αποστράγγιση και πύλη) και ημιαγώγιμους CNT, καταφέραμε να επιδείξουμε εξαιρετικά διαφανή και εξαιρετικά ελαστικά τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα, τα οποία μπορούν να τεντωθούν σε 120% τάση (παράλληλα με την κατεύθυνση μεταφοράς φορτίου) και να διατηρήσουν το 60% της αρχικής τους εξόδου ρεύματος. Αυτό είναι το πιο ελαστικό διαφανές τρανζίστορ με βάση τον άνθρακα μέχρι στιγμής και παρέχει επαρκές ρεύμα για την οδήγηση ενός ανόργανου LED.
Για να επιτρέψουμε την κατασκευή διαφανών, ελαστικών ηλεκτροδίων γραφενίου μεγάλης επιφάνειας, επιλέξαμε γραφένιο που αναπτύχθηκε με CVD σε φύλλο χαλκού. Το φύλλο χαλκού αιωρήθηκε στο κέντρο ενός σωλήνα χαλαζία CVD για να επιτρέψει την ανάπτυξη γραφενίου και στις δύο πλευρές, σχηματίζοντας δομές G/Cu/G. Για τη μεταφορά γραφενίου, πρώτα επικαλύψαμε με περιδίνηση ένα λεπτό στρώμα πολυ(μεθυλομεθακρυλικού) (PMMA) για να προστατεύσουμε τη μία πλευρά του γραφενίου, το οποίο ονομάσαμε άνω γραφένιο (αντίστροφα για την άλλη πλευρά του γραφενίου), και στη συνέχεια, ολόκληρη η μεμβράνη (PMMA/άνω γραφένιο/Cu/κάτω γραφένιο) εμποτίστηκε σε διάλυμα (NH4)2S2O8 για να αφαιρεθεί το φύλλο χαλκού. Το κάτω γραφένιο χωρίς την επίστρωση PMMA αναπόφευκτα θα έχει ρωγμές και ελαττώματα που επιτρέπουν σε ένα χαρακτικό να διεισδύσει μέσω των (36, 37). Όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1Α, υπό την επίδραση της επιφανειακής τάσης, οι απελευθερωμένες περιοχές γραφενίου τυλίχθηκαν σε σπείρες και στη συνέχεια προσκολλήθηκαν στην υπόλοιπη άνω-G/PMMA μεμβράνη. Οι έλικες top-G/G θα μπορούσαν να μεταφερθούν σε οποιοδήποτε υπόστρωμα, όπως SiO2/Si, γυαλί ή μαλακό πολυμερές. Η επανάληψη αυτής της διαδικασίας μεταφοράς αρκετές φορές στο ίδιο υπόστρωμα δίνει δομές MGG.
(Α) Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας κατασκευής για MGG ως ελαστικό ηλεκτρόδιο. Κατά τη μεταφορά γραφενίου, το πίσω μέρος του γραφενίου σε φύλλο Cu έσπασε σε όρια και ελαττώματα, τυλίχτηκε σε αυθαίρετα σχήματα και προσκολλήθηκε σφιχτά στις άνω μεμβράνες, σχηματίζοντας νανοελικοειδή έλικα. Το τέταρτο καρτούν απεικονίζει τη στοιβαγμένη δομή MGG. (Β και Γ) Χαρακτηρισμοί TEM υψηλής ανάλυσης ενός μονοστρωματικού MGG, εστιάζοντας στο μονοστρωματικό γραφένιο (Β) και στην περιοχή σπειροειδούς έλικας (C), αντίστοιχα. Το ένθετο του (Β) είναι μια εικόνα χαμηλής μεγέθυνσης που δείχνει τη συνολική μορφολογία των μονοστρωματικών MGG στο πλέγμα TEM. Τα ένθετα του (Γ) είναι τα προφίλ έντασης που λαμβάνονται κατά μήκος των ορθογώνιων πλαισίων που υποδεικνύονται στην εικόνα, όπου οι αποστάσεις μεταξύ των ατομικών επιπέδων είναι 0,34 και 0,41 nm. (Δ) Φάσμα EEL άνθρακα K-edge με τις χαρακτηριστικές γραφιτικές κορυφές π* και σ* επισημασμένες. (Ε) Τομική εικόνα AFM μονοστρωματικών ελικοειδών έλικων G/G με προφίλ ύψους κατά μήκος της κίτρινης διακεκομμένης γραμμής. (F έως I) Οπτική μικροσκοπία και εικόνες AFM της τριστρωματικής G χωρίς (F και H) και με σπειροειδείς κόμβους (G και I) σε υποστρώματα SiO2/Si πάχους 300 nm, αντίστοιχα. Αντιπροσωπευτικοί σπειροειδείς κόμβοι και ρυτίδες επισημάνθηκαν για να επισημανθούν οι διαφορές τους.
Για να επαληθεύσουμε ότι οι έλικες είναι φύση τυλιγμένου γραφενίου, πραγματοποιήσαμε μελέτες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης υψηλής ανάλυσης (TEM) και φασματοσκοπίας απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων (EEL) στις μονοστρωματικές δομές έλικας κορυφής-G/G. Το Σχήμα 1Β δείχνει την εξαγωνική δομή ενός μονοστρωματικού γραφενίου και το ένθετο είναι μια συνολική μορφολογία της μεμβράνης που καλύπτεται από μία μόνο οπή άνθρακα του πλέγματος TEM. Το μονοστρωματικό γραφένιο εκτείνεται στο μεγαλύτερο μέρος του πλέγματος και εμφανίζονται ορισμένες νιφάδες γραφενίου παρουσία πολλαπλών στοιβών εξαγωνικών δακτυλίων (Εικ. 1Β). Μεγεθύνοντας σε μια μεμονωμένη έλικα (Εικ. 1C), παρατηρήσαμε μια μεγάλη ποσότητα κροσσών πλέγματος γραφενίου, με την απόσταση πλέγματος στην περιοχή από 0,34 έως 0,41 nm. Αυτές οι μετρήσεις υποδηλώνουν ότι οι νιφάδες είναι τυχαία τυλιγμένες και δεν είναι τέλειος γραφίτης, ο οποίος έχει απόσταση πλέγματος 0,34 nm στη στοίβαξη στρώσεων "ABAB". Το Σχήμα 1D δείχνει το φάσμα EEL άνθρακα K-edge, όπου η κορυφή στα 285 eV προέρχεται από το τροχιακό π* και η άλλη γύρω στα 290 eV οφείλεται στη μετάβαση του τροχιακού σ*. Μπορεί να φανεί ότι ο δεσμός sp2 κυριαρχεί σε αυτή τη δομή, επιβεβαιώνοντας ότι οι σπείρες είναι έντονα γραφιτικές.
Οι εικόνες οπτικής μικροσκοπίας και μικροσκοπίας ατομικής δύναμης (AFM) παρέχουν πληροφορίες για την κατανομή των νανοελικοειδών γραφενίου στα MGG (Εικ. 1, E έως G, και εικ. S1 και S2). Οι κύλινδροι κατανέμονται τυχαία στην επιφάνεια και η πυκνότητά τους στο επίπεδο αυξάνεται αναλογικά με τον αριθμό των στοιβαγμένων στρωμάτων. Πολλοί κύλινδροι μπλέκονται σε κόμπους και εμφανίζουν ανομοιόμορφα ύψη στην περιοχή από 10 έως 100 nm. Έχουν μήκος από 1 έως 20 μm και πλάτος από 0,1 έως 1 μm, ανάλογα με τα μεγέθη των αρχικών νιφάδων γραφενίου. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 (H και I), οι κύλινδροι έχουν σημαντικά μεγαλύτερα μεγέθη από τις ρυτίδες, οδηγώντας σε μια πολύ πιο τραχιά διεπαφή μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου.
Για να μετρήσουμε τις ηλεκτρικές ιδιότητες, σχεδιάσαμε μεμβράνες γραφενίου με ή χωρίς δομές σπειροειδούς σχηματισμού και στοίβαξη στρώσεων σε λωρίδες πλάτους 300 μm και μήκους 2000 μm χρησιμοποιώντας φωτολιθογραφία. Οι αντιστάσεις δύο ανιχνευτών ως συνάρτηση της παραμόρφωσης μετρήθηκαν υπό συνθήκες περιβάλλοντος. Η παρουσία σπειροειδών μείωσε την ειδική αντίσταση για το μονοστρωματικό γραφένιο κατά 80% με μόνο 2,2% μείωση στη διαπερατότητα (εικ. S4). Αυτό επιβεβαιώνει ότι οι νανοελικτήρες, οι οποίοι έχουν υψηλή πυκνότητα ρεύματος έως 5 × 107 A/cm2 (38, 39), έχουν μια πολύ θετική ηλεκτρική συμβολή στα MGGs. Μεταξύ όλων των μονοστρωματικών, διστρωματικών και τριστρωματικών απλών γραφενίων και MGGs, το τριστρωματικό MGG έχει την καλύτερη αγωγιμότητα με διαφάνεια σχεδόν 90%. Για να συγκρίνουμε με άλλες πηγές γραφενίου που αναφέρονται στη βιβλιογραφία, μετρήσαμε επίσης τις αντιστάσεις των τεσσάρων δειγμάτων σε φύλλα (εικ. S5) και τις καταγράψαμε ως συνάρτηση της διαπερατότητας στα 550 nm (εικ. S6) στο Σχήμα 2Α. Το MGG παρουσιάζει συγκρίσιμη ή υψηλότερη αγωγιμότητα και διαφάνεια από το τεχνητά στοιβαγμένο πολυστρωματικό απλό γραφένιο και το αναγμένο οξείδιο του γραφενίου (RGO) (6, 8, 18). Σημειώστε ότι οι αντιστάσεις των φύλλων του τεχνητά στοιβαγμένου πολυστρωματικού απλού γραφενίου από τη βιβλιογραφία είναι ελαφρώς υψηλότερες από αυτές του MGG μας, πιθανώς λόγω των μη βελτιστοποιημένων συνθηκών ανάπτυξης και της μεθόδου μεταφοράς τους.
(Α) Αντιστάσεις φύλλου τεσσάρων ανιχνευτών έναντι διαπερατότητας στα 550 nm για διάφορους τύπους γραφενίου, όπου τα μαύρα τετράγωνα υποδηλώνουν μονο-, δι- και τριστρωματικά MGGs. Οι κόκκινοι κύκλοι και τα μπλε τρίγωνα αντιστοιχούν σε πολυστρωματικό απλό γραφένιο που αναπτύχθηκε σε Cu και Ni από τις μελέτες των Li et al. (6) και Kim et al. (8), αντίστοιχα, και στη συνέχεια μεταφέρθηκε σε SiO2/Si ή χαλαζία. Και τα πράσινα τρίγωνα είναι τιμές για το RGO σε διαφορετικούς βαθμούς αναγωγής από τη μελέτη των Bonaccorso et al. (18). (Β και Γ) Κανονικοποιημένη αλλαγή αντίστασης μονο-, δι- και τριστρωματικών MGGs και G ως συνάρτηση της κάθετης (Β) και παράλληλης (Γ) παραμόρφωσης προς την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος. (Δ) Κανονικοποιημένη αλλαγή αντίστασης της διπλοστοιβάδας G (κόκκινη) και της MGG (μαύρη) υπό κυκλικό φορτίο παραμόρφωσης έως 50% κάθετη παραμόρφωση. (Ε) Κανονικοποιημένη αλλαγή αντίστασης της τριστρωματικής G (κόκκινη) και της MGG (μαύρη) υπό κυκλικό φορτίο παραμόρφωσης έως 90% παράλληλη παραμόρφωση. (F) Κανονικοποιημένη μεταβολή χωρητικότητας μονο-, δι- και τριστρωματικών G και δι- και τριστρωματικών MGG ως συνάρτηση της παραμόρφωσης. Το ένθετο είναι η δομή του πυκνωτή, όπου το πολυμερές υπόστρωμα είναι το SEBS και το πολυμερές διηλεκτρικό στρώμα είναι το SEBS πάχους 2 μm.
Για να αξιολογήσουμε την εξαρτώμενη από την παραμόρφωση απόδοση του MGG, μεταφέραμε γραφένιο σε θερμοπλαστικά ελαστομερή υποστρώματα στυρενίου-αιθυλενίου-βουταδιενίου-στυρενίου (SEBS) (πλάτους ~2 cm και μήκους ~5 cm) και η αγωγιμότητα μετρήθηκε καθώς το υπόστρωμα τεντώθηκε (βλ. Υλικά και Μέθοδοι) τόσο κάθετα όσο και παράλληλα προς την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος (Εικ. 2, Β και Γ). Η εξαρτώμενη από την παραμόρφωση ηλεκτρική συμπεριφορά βελτιώθηκε με την ενσωμάτωση νανοελικοειδών κυλίνδρων και την αύξηση του αριθμού των στρώσεων γραφενίου. Για παράδειγμα, όταν η παραμόρφωση είναι κάθετη στη ροή του ρεύματος, για το μονοστρωματικό γραφένιο, η προσθήκη ελικοειδών κυλίνδρων αύξησε την παραμόρφωση κατά την ηλεκτρική θραύση από 5 σε 70%. Η ανοχή στην παραμόρφωση του τριστρωματικού γραφενίου βελτιώνεται επίσης σημαντικά σε σύγκριση με το μονοστρωματικό γραφένιο. Με τα νανοελικοειδή κυλίνδρους, σε 100% κάθετη παραμόρφωση, η αντίσταση της τριστρωματικής δομής MGG αυξήθηκε μόνο κατά 50%, σε σύγκριση με 300% για το τριστρωματικό γραφένιο χωρίς ελικοειδή κυλίνδρους. Διερευνήθηκε η αλλαγή αντίστασης υπό κυκλικό φορτίο παραμόρφωσης. Για λόγους σύγκρισης (Εικ. 2D), οι αντιστάσεις μιας απλής διπλοστιβάδας μεμβράνης γραφενίου αυξήθηκαν περίπου 7,5 φορές μετά από ~700 κύκλους σε 50% κάθετη παραμόρφωση και συνέχισαν να αυξάνονται με την παραμόρφωση σε κάθε κύκλο. Από την άλλη πλευρά, η αντίσταση ενός διπλοστιβάδας MGG αυξήθηκε μόνο περίπου 2,5 φορές μετά από ~700 κύκλους. Εφαρμόζοντας έως και 90% παραμόρφωση κατά μήκος της παράλληλης κατεύθυνσης, η αντίσταση του τριστρωματικού γραφενίου αυξήθηκε ~100 φορές μετά από 1000 κύκλους, ενώ είναι μόνο ~8 φορές σε ένα τριστρωματικό MGG (Εικ. 2E). Τα αποτελέσματα κυκλικής κίνησης φαίνονται στο σχήμα S7. Η σχετικά ταχύτερη αύξηση της αντίστασης κατά μήκος της παράλληλης κατεύθυνσης παραμόρφωσης οφείλεται στο γεγονός ότι ο προσανατολισμός των ρωγμών είναι κάθετος προς την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος. Η απόκλιση της αντίστασης κατά τη φόρτωση και την εκφόρτωση της παραμόρφωσης οφείλεται στην ιξωδοελαστική ανάκτηση του ελαστομερούς υποστρώματος SEBS. Η πιο σταθερή αντίσταση των ταινιών MGG κατά τη διάρκεια της κυκλικής κίνησης οφείλεται στην παρουσία μεγάλων σπειρών που μπορούν να γεφυρώσουν τα ραγισμένα μέρη του γραφενίου (όπως παρατηρείται από το AFM), βοηθώντας στη διατήρηση μιας διηθητικής οδού. Αυτό το φαινόμενο διατήρησης της αγωγιμότητας μέσω μιας διηθητικής οδού έχει αναφερθεί στο παρελθόν για ραγισμένα μέταλλα ή ημιαγωγικές μεμβράνες σε ελαστομερή υποστρώματα (40, 41).
Για να αξιολογήσουμε αυτές τις μεμβράνες με βάση το γραφένιο ως ηλεκτρόδια πύλης σε εκτατές συσκευές, καλύψαμε το στρώμα γραφενίου με ένα διηλεκτρικό στρώμα SEBS (πάχους 2 μm) και παρακολουθήσαμε την αλλαγή της διηλεκτρικής χωρητικότητας ως συνάρτηση της παραμόρφωσης (βλ. Σχήμα 2F και τα Συμπληρωματικά Υλικά για λεπτομέρειες). Παρατηρήσαμε ότι οι χωρητικότητες με απλά μονοστρωματικά και διστρωματικά ηλεκτρόδια γραφενίου μειώθηκαν γρήγορα λόγω της απώλειας της αγωγιμότητας στο επίπεδο του γραφενίου. Αντίθετα, οι χωρητικότητες που ελέγχονται από MGGs καθώς και το απλό τριστρωματικό γραφένιο έδειξαν αύξηση της χωρητικότητας με την παραμόρφωση, η οποία αναμένεται λόγω της μείωσης του διηλεκτρικού πάχους με την παραμόρφωση. Η αναμενόμενη αύξηση της χωρητικότητας ταίριαζε πολύ καλά με τη δομή MGG (σχήμα S8). Αυτό δείχνει ότι το MGG είναι κατάλληλο ως ηλεκτρόδιο πύλης για εκτατά τρανζίστορ.
Για να διερευνήσουμε περαιτέρω τον ρόλο του μονοδιάστατου σπειροειδούς γραφενίου στην ανοχή τάσης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας και να ελέγξουμε καλύτερα τον διαχωρισμό μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου, χρησιμοποιήσαμε CNT επικαλυμμένα με ψεκασμό για να αντικαταστήσουμε τους σπειροειδείς γραφενίου (βλ. Συμπληρωματικά Υλικά). Για να μιμηθούμε τις δομές MGG, εναποθέσαμε τρεις πυκνότητες CNT (δηλαδή, CNT1
(Α έως Γ) Εικόνες AFM τριών διαφορετικών πυκνοτήτων CNT (CNT1
Για να κατανοήσουμε περαιτέρω την ικανότητά τους ως ηλεκτρόδια για τεντώσιμα ηλεκτρονικά, διερευνήσαμε συστηματικά τις μορφολογίες των MGG και G-CNT-G υπό τάση. Η οπτική μικροσκοπία και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) δεν είναι αποτελεσματικές μέθοδοι χαρακτηρισμού επειδή και οι δύο δεν έχουν χρωματική αντίθεση και το SEM υπόκειται σε τεχνουργήματα εικόνας κατά τη σάρωση ηλεκτρονίων όταν το γραφένιο βρίσκεται σε πολυμερικά υποστρώματα (εικ. S9 και S10). Για να παρατηρήσουμε in situ την επιφάνεια του γραφενίου υπό τάση, συλλέξαμε μετρήσεις AFM σε τριστρωματικά MGG και απλό γραφένιο μετά τη μεταφορά σε πολύ λεπτά (πάχους ~ 0,1 mm) και ελαστικά υποστρώματα SEBS. Λόγω των εγγενών ελαττωμάτων στο γραφένιο CVD και των εξωτερικών βλαβών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μεταφοράς, αναπόφευκτα δημιουργούνται ρωγμές στο τεντωμένο γραφένιο, και με την αυξανόμενη τάση, οι ρωγμές γίνονται πυκνότερες (Εικ. 4, Α έως Δ). Ανάλογα με τη δομή στοίβαξης των ηλεκτροδίων με βάση τον άνθρακα, οι ρωγμές εμφανίζουν διαφορετικές μορφολογίες (εικ. S11) (27). Η πυκνότητα της επιφάνειας ρωγμής (οριζόμενη ως επιφάνεια ρωγμής/αναλυόμενη επιφάνεια) του πολυστρωματικού γραφενίου είναι μικρότερη από αυτή του μονοστρωματικού γραφενίου μετά την παραμόρφωση, γεγονός που συνάδει με την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας για τα MGG. Από την άλλη πλευρά, συχνά παρατηρούνται έλικες που γεφυρώνουν τις ρωγμές, παρέχοντας πρόσθετες αγώγιμες οδούς στην τεντωμένη μεμβράνη. Για παράδειγμα, όπως επισημαίνεται στην εικόνα του Σχήματος 4Β, μια ευρεία έλικα διέσχισε μια ρωγμή στο τριστρωματικό MGG, αλλά δεν παρατηρήθηκε έλικα στο απλό γραφένιο (Σχήμα 4, E έως H). Ομοίως, οι CNT γεφύρωσαν επίσης τις ρωγμές στο γραφένιο (Σχήμα S11). Η πυκνότητα της επιφάνειας ρωγμής, η πυκνότητα της επιφάνειας έλικας και η τραχύτητα των μεμβρανών συνοψίζονται στο Σχήμα 4Κ.
(Α έως Η) Εικόνες AFM in situ τριστρωματικών σπειροειδών δομών G/G (Α έως Δ) και τριστρωματικών δομών G (Ε έως Η) σε ένα πολύ λεπτό ελαστομερές SEBS (πάχος ~0,1 mm) σε 0, 20, 60 και 100% παραμόρφωση. Οι αντιπροσωπευτικές ρωγμές και οι σπειροειδείς δομές υποδεικνύονται με βέλη. Όλες οι εικόνες AFM βρίσκονται σε μια περιοχή 15 μm × 15 μm, χρησιμοποιώντας την ίδια χρωματική κλίμακα όπως στην ετικέτα. (Ι) Γεωμετρία προσομοίωσης ηλεκτροδίων μονοστρωματικού γραφενίου με μοτίβο στο υπόστρωμα SEBS. (Ι) Χάρτης περιγράμματος προσομοίωσης της μέγιστης κύριας λογαριθμικής παραμόρφωσης στο μονοστρωματικό γραφένιο και στο υπόστρωμα SEBS σε 20% εξωτερική παραμόρφωση. (Κ) Σύγκριση της πυκνότητας της περιοχής ρωγμών (κόκκινη στήλη), της πυκνότητας της περιοχής σπειροειδείς δομές (κίτρινη στήλη) και της τραχύτητας της επιφάνειας (μπλε στήλη) για διαφορετικές δομές γραφενίου.
Όταν οι μεμβράνες MGG τεντώνονται, υπάρχει ένας σημαντικός πρόσθετος μηχανισμός που επιτρέπει στους έλικες να γεφυρώνουν ραγισμένες περιοχές του γραφενίου, διατηρώντας ένα δίκτυο διήθησης. Οι έλικες γραφενίου είναι πολλά υποσχόμενες επειδή μπορούν να έχουν μήκος δεκάδων μικρομέτρων και επομένως είναι σε θέση να γεφυρώνουν ρωγμές που συνήθως φτάνουν έως και την κλίμακα μικρομέτρου. Επιπλέον, επειδή οι έλικες αποτελούνται από πολλαπλά στρώματα γραφενίου, αναμένεται να έχουν χαμηλή αντίσταση. Συγκριτικά, σχετικά πυκνά (χαμηλότερης διαπερατότητας) δίκτυα CNT απαιτούνται για να παρέχουν συγκρίσιμη ικανότητα αγώγιμης γεφύρωσης, καθώς οι CNT είναι μικρότεροι (συνήθως μερικά μικρόμετρα σε μήκος) και λιγότερο αγώγιμοι από τους έλικες. Από την άλλη πλευρά, όπως φαίνεται στο σχήμα S12, ενώ το γραφένιο ραγίζει κατά την έκταση για να προσαρμοστεί στην τάση, οι έλικες δεν ραγίζουν, υποδεικνύοντας ότι το τελευταίο μπορεί να ολισθαίνει στο υποκείμενο γραφένιο. Ο λόγος που δεν ραγίζουν πιθανότατα οφείλεται στην τυλιγμένη δομή τους, η οποία αποτελείται από πολλά στρώματα γραφενίου (μήκους ~1 έως 20 μm, πλάτους ~0,1 έως 1 μm και ύψους ~10 έως 100 nm), το οποίο έχει υψηλότερο αποτελεσματικό μέτρο ελαστικότητας από το μονοστρωματικό γραφένιο. Όπως αναφέρθηκε από τους Green και Hersam (42), τα μεταλλικά δίκτυα CNT (διάμετρος σωλήνα 1,0 nm) μπορούν να επιτύχουν χαμηλές αντιστάσεις φύλλου <100 ohms/sq παρά τη μεγάλη αντίσταση σύνδεσης μεταξύ των CNT. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι έλικες γραφενίου μας έχουν πλάτος 0,1 έως 1 μm και ότι οι έλικες G/G έχουν πολύ μεγαλύτερες επιφάνειες επαφής από τους CNT, η αντίσταση επαφής και η επιφάνεια επαφής μεταξύ γραφενίου και έλικων γραφενίου δεν θα πρέπει να αποτελούν περιοριστικούς παράγοντες για τη διατήρηση υψηλής αγωγιμότητας.
Το γραφένιο έχει πολύ υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας από το υπόστρωμα SEBS. Αν και το αποτελεσματικό πάχος του ηλεκτροδίου γραφενίου είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό του υποστρώματος, η ακαμψία του γραφενίου επί το πάχος του είναι συγκρίσιμη με αυτή του υποστρώματος (43, 44), με αποτέλεσμα ένα μέτριο φαινόμενο άκαμπτης νησίδας. Προσομοιώσαμε την παραμόρφωση ενός γραφενίου πάχους 1 nm σε ένα υπόστρωμα SEBS (βλ. Συμπληρωματικά Υλικά για λεπτομέρειες). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, όταν εφαρμόζεται εξωτερικά τάση 20% στο υπόστρωμα SEBS, η μέση τάση στο γραφένιο είναι ~6,6% (Εικ. 4J και εικ. S13D), η οποία είναι σύμφωνη με τις πειραματικές παρατηρήσεις (βλ. εικ. S13). Συγκρίναμε την τάση στις περιοχές με το γραφένιο και το υπόστρωμα με μοτίβο χρησιμοποιώντας οπτική μικροσκοπία και διαπιστώσαμε ότι η τάση στην περιοχή του υποστρώματος είναι τουλάχιστον διπλάσια από την τάση στην περιοχή του γραφενίου. Αυτό δείχνει ότι η τάση που εφαρμόζεται στα πρότυπα ηλεκτροδίων γραφενίου θα μπορούσε να περιοριστεί σημαντικά, σχηματίζοντας άκαμπτες νησίδες γραφενίου πάνω από το SEBS (26, 43, 44).
Επομένως, η ικανότητα των ηλεκτροδίων MGG να διατηρούν υψηλή αγωγιμότητα υπό υψηλή τάση πιθανότατα επιτρέπεται από δύο κύριους μηχανισμούς: (i) Οι σπειροειδείς έλικες μπορούν να γεφυρώσουν αποσυνδεδεμένες περιοχές για να διατηρήσουν μια αγώγιμη οδό διήθησης, και (ii) τα πολυστρωματικά φύλλα/ελαστομερές γραφενίου μπορεί να ολισθαίνουν το ένα πάνω στο άλλο, με αποτέλεσμα μειωμένη τάση στα ηλεκτρόδια γραφενίου. Για πολλαπλά στρώματα μεταφερόμενου γραφενίου σε ελαστομερές, τα στρώματα δεν είναι ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους, κάτι που μπορεί να ολισθαίνει ως απόκριση στην τάση (27). Οι σπειροειδείς έλικες αύξησαν επίσης την τραχύτητα των στρωμάτων γραφενίου, γεγονός που μπορεί να βοηθήσει στην αύξηση του διαχωρισμού μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου και επομένως να επιτρέψει την ολίσθηση των στρωμάτων γραφενίου.
Οι συσκευές εξ ολοκλήρου από άνθρακα αναζητούνται με ενθουσιασμό λόγω του χαμηλού κόστους και της υψηλής απόδοσης. Στην περίπτωσή μας, τα τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας μια κάτω πύλη γραφενίου, μια άνω επαφή πηγής/αποστράγγισης γραφενίου, έναν ταξινομημένο ημιαγωγό CNT και SEBS ως διηλεκτρικό (Εικ. 5Α). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5Β, μια συσκευή εξ ολοκλήρου από άνθρακα με CNT ως πηγή/αποστράγγιση και πύλη (κάτω συσκευή) είναι πιο αδιαφανής από τη συσκευή με ηλεκτρόδια γραφενίου (άνω συσκευή). Αυτό συμβαίνει επειδή τα δίκτυα CNT απαιτούν μεγαλύτερα πάχη και, κατά συνέπεια, χαμηλότερες οπτικές διαπερατότητες για να επιτύχουν αντιστάσεις φύλλου παρόμοιες με αυτές του γραφενίου (εικ. S4). Το Σχήμα 5 (C και D) δείχνει αντιπροσωπευτικές καμπύλες μεταφοράς και εξόδου πριν από την τάση για ένα τρανζίστορ κατασκευασμένο με ηλεκτρόδια MGG διπλής στρώσης. Το πλάτος και το μήκος καναλιού του μη καταπονημένου τρανζίστορ ήταν 800 και 100 μm, αντίστοιχα. Ο μετρούμενος λόγος on/off είναι μεγαλύτερος από 103 με ρεύματα on και off στα επίπεδα 10−5 και 10−8 A, αντίστοιχα. Η καμπύλη εξόδου παρουσιάζει ιδανικά γραμμικά καθεστώτα και καθεστώτα κορεσμού με σαφή εξάρτηση από την τάση πύλης, υποδεικνύοντας ιδανική επαφή μεταξύ των CNT και των ηλεκτροδίων γραφενίου (45). Η αντίσταση επαφής με ηλεκτρόδια γραφενίου παρατηρήθηκε χαμηλότερη από αυτή με εξατμισμένη μεμβράνη Au (βλ. σχήμα S14). Η κινητικότητα κορεσμού του εκτατού τρανζίστορ είναι περίπου 5,6 cm2/Vs, παρόμοια με αυτή των ίδιων τρανζίστορ CNT ταξινομημένων με πολυμερές σε άκαμπτα υποστρώματα Si με 300 nm SiO2 ως διηλεκτρικό στρώμα. Περαιτέρω βελτίωση στην κινητικότητα είναι δυνατή με βελτιστοποιημένη πυκνότητα σωλήνων και άλλους τύπους σωλήνων (46).
(Α) Σχήμα τεντώσιμου τρανζίστορ με βάση το γραφένιο. SWNTs, νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος. (Β) Φωτογραφία των τεντώσιμων τρανζίστορ κατασκευασμένων από ηλεκτρόδια γραφενίου (πάνω) και ηλεκτρόδια CNT (κάτω). Η διαφορά στη διαφάνεια είναι σαφώς αισθητή. (Γ και Δ) Καμπύλες μεταφοράς και εξόδου του τρανζίστορ με βάση το γραφένιο σε SEBS πριν από την παραμόρφωση. (Ε και ΣΤ) Καμπύλες μεταφοράς, ρεύμα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης, λόγος ενεργοποίησης/απενεργοποίησης και κινητικότητα του τρανζίστορ με βάση το γραφένιο σε διαφορετικές παραμορφώσεις.
Όταν η διαφανής, εξ ολοκλήρου από άνθρακα συσκευή τεντώθηκε προς την κατεύθυνση παράλληλη με την κατεύθυνση μεταφοράς φορτίου, παρατηρήθηκε ελάχιστη υποβάθμιση έως και 120% παραμόρφωση. Κατά τη διάρκεια της τάνυσης, η κινητικότητα μειώθηκε συνεχώς από 5,6 cm2/Vs σε 0% παραμόρφωση σε 2,5 cm2/Vs σε 120% παραμόρφωση (Εικ. 5F). Συγκρίναμε επίσης την απόδοση των τρανζίστορ για διαφορετικά μήκη καναλιών (βλ. πίνακα S1). Αξιοσημείωτα, σε μια παραμόρφωση έως και 105%, όλα αυτά τα τρανζίστορ εμφάνιζαν υψηλό λόγο on/off (>103) και κινητικότητα (>3 cm2/Vs). Επιπλέον, συνοψίσαμε όλες τις πρόσφατες εργασίες σε τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα (βλ. πίνακα S2) (47–52). Βελτιστοποιώντας την κατασκευή συσκευών σε ελαστομερή και χρησιμοποιώντας MGG ως επαφές, τα τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα μας παρουσιάζουν καλή απόδοση όσον αφορά την κινητικότητα και την υστέρηση, καθώς και υψηλή ελαστικότητα.
Ως εφαρμογή του πλήρως διαφανούς και ελαστικού τρανζίστορ, το χρησιμοποιήσαμε για τον έλεγχο της μεταγωγής ενός LED (Εικ. 6Α). Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6Β, το πράσινο LED είναι ορατό καθαρά μέσα από την ελαστική συσκευή από ανθρακονήματα που βρίσκεται ακριβώς από πάνω. Ενώ τεντώνεται στο ~100% (Εικ. 6, C και D), η ένταση του φωτός του LED δεν αλλάζει, κάτι που είναι σύμφωνο με την απόδοση του τρανζίστορ που περιγράφεται παραπάνω (βλ. ταινία S1). Αυτή είναι η πρώτη αναφορά ελαστικών μονάδων ελέγχου που κατασκευάζονται με ηλεκτρόδια γραφενίου, καταδεικνύοντας μια νέα δυνατότητα για ελαστικά ηλεκτρονικά από γραφένιο.
(Α) Κύκλωμα ενός τρανζίστορ για την οδήγηση του LED. Γείωση, γείωση. (Β) Φωτογραφία του ελαστικού και διαφανούς τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα σε τάση 0% τοποθετημένο πάνω από ένα πράσινο LED. (Γ) Το διαφανές και ελαστικό τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα που χρησιμοποιείται για την εναλλαγή του LED τοποθετείται πάνω από το LED σε τάση 0% (αριστερά) και τάση ~100% (δεξιά). Τα λευκά βέλη δείχνουν προς τους κίτρινους δείκτες στη συσκευή για να δείξουν την αλλαγή απόστασης που τεντώνεται. (Δ) Πλάγια όψη του τεντωμένου τρανζίστορ, με το LED να πιέζεται μέσα στο ελαστομερές.
Συμπερασματικά, αναπτύξαμε μια διαφανή αγώγιμη δομή γραφενίου που διατηρεί υψηλή αγωγιμότητα υπό μεγάλες παραμορφώσεις ως εκτατά ηλεκτρόδια, η οποία καθίσταται δυνατή χάρη στις νανοελικοειδής δομές γραφενίου μεταξύ των στοιβαγμένων στρωμάτων γραφενίου. Αυτές οι διστρωματικές και τριστρωματικές δομές ηλεκτροδίων MGG σε ένα ελαστομερές μπορούν να διατηρήσουν 21 και 65%, αντίστοιχα, της αγωγιμότητας παραμόρφωσης 0% σε μια παραμόρφωση έως και 100%, σε σύγκριση με την πλήρη απώλεια αγωγιμότητας σε παραμόρφωση 5% για τυπικά μονοστρωματικά ηλεκτρόδια γραφενίου. Οι πρόσθετες αγώγιμες διαδρομές των ελικοειδών γραφενίου καθώς και η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ των μεταφερόμενων στρωμάτων συμβάλλουν στην ανώτερη σταθερότητα αγωγιμότητας υπό παραμόρφωση. Εφαρμόσαμε περαιτέρω αυτή τη δομή γραφενίου για την κατασκευή εκτατών τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα. Μέχρι στιγμής, αυτό είναι το πιο εκτατό τρανζίστορ με βάση το γραφένιο με την καλύτερη διαφάνεια χωρίς τη χρήση λυγισμού. Αν και η παρούσα μελέτη διεξήχθη για να επιτρέψει τη χρήση γραφενίου για εκτατά ηλεκτρονικά, πιστεύουμε ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί να επεκταθεί και σε άλλα δισδιάστατα υλικά για να επιτρέψει την εκτατή δισδιάστατη ηλεκτρονική.
Γραφένιο CVD μεγάλης επιφάνειας αναπτύχθηκε σε αιωρούμενα φύλλα Cu (99,999%· Alfa Aesar) υπό σταθερή πίεση 0,5 mtorr με 50–SCCM (τυπικό κυβικό εκατοστό ανά λεπτό) CH4 και 20–SCCM H2 ως προδρόμους στους 1000°C. Και οι δύο πλευρές του φύλλου Cu καλύφθηκαν από μονοστρωματικό γραφένιο. Ένα λεπτό στρώμα PMMA (2000 rpm· A4, Microchem) επικαλύφθηκε με περιδίνηση στη μία πλευρά του φύλλου Cu, σχηματίζοντας μια δομή PMMA/G/φύλλου Cu/G. Στη συνέχεια, ολόκληρη η μεμβράνη εμποτίστηκε σε διάλυμα υπερθειικού αμμωνίου 0,1 M [(NH4)2S2O8] για περίπου 2 ώρες για να αφαιρεθεί το φύλλο Cu. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το μη προστατευμένο πίσω γραφένιο αρχικά σχίστηκε κατά μήκος των ορίων των κόκκων και στη συνέχεια τυλίχτηκε σε σπειροειδή τεμάχια λόγω της επιφανειακής τάσης. Τα σπειροειδή τεμάχια προσαρτήθηκαν στην άνω μεμβράνη γραφενίου που υποστηρίχθηκε από PMMA, σχηματίζοντας σπειροειδή τεμάχια PMMA/G/G. Στη συνέχεια, οι μεμβράνες πλύθηκαν σε απιονισμένο νερό αρκετές φορές και τοποθετήθηκαν σε ένα υπόστρωμα-στόχο, όπως ένα άκαμπτο SiO2/Si ή πλαστικό υπόστρωμα. Μόλις η προσκολλημένη μεμβράνη στέγνωσε στο υπόστρωμα, το δείγμα εμβαπτίστηκε διαδοχικά σε ακετόνη, 1:1 ακετόνη/IPA (ισοπροπυλική αλκοόλη) και IPA για 30 δευτερόλεπτα το καθένα για την απομάκρυνση του PMMA. Οι μεμβράνες θερμάνθηκαν στους 100°C για 15 λεπτά ή διατηρήθηκαν σε κενό όλη τη νύχτα για να απομακρυνθεί πλήρως το παγιδευμένο νερό πριν μεταφερθεί σε αυτές ένα άλλο στρώμα σπειροειδούς γραφενίου/G. Αυτό το βήμα έγινε για να αποφευχθεί η αποκόλληση της μεμβράνης γραφενίου από το υπόστρωμα και να διασφαλιστεί η πλήρης κάλυψη των MGG κατά την απελευθέρωση του στρώματος φορέα PMMA.
Η μορφολογία της δομής MGG παρατηρήθηκε χρησιμοποιώντας οπτικό μικροσκόπιο (Leica) και ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (1 kV, FEI). Ένα ατομικό μικροσκόπιο δύναμης (Nanoscope III, Digital Instrument) λειτούργησε σε λειτουργία κρούσης για να παρατηρηθούν οι λεπτομέρειες των κυλίνδρων G. Η διαφάνεια της μεμβράνης δοκιμάστηκε με φασματόμετρο υπεριώδους-ορατού (Agilent Cary 6000i). Για τις δοκιμές, όταν η τάση ήταν κατά μήκος της κάθετης κατεύθυνσης της ροής ρεύματος, χρησιμοποιήθηκε φωτολιθογραφία και πλάσμα O2 για τη διαμόρφωση δομών γραφενίου σε λωρίδες (πλάτους ~300 μm και μήκους ~2000 μm), και ηλεκτρόδια Au (50 nm) εναποτέθηκαν θερμικά χρησιμοποιώντας μάσκες σκιάς και στα δύο άκρα της μακράς πλευράς. Οι λωρίδες γραφενίου στη συνέχεια τέθηκαν σε επαφή με ένα ελαστομερές SEBS (πλάτους ~2 cm και μήκους ~5 cm), με τον μακρύ άξονα των λωρίδων παράλληλο προς τη βραχεία πλευρά του SEBS ακολουθούμενο από χάραξη BOE (ρυθμισμένο οξείδιο εγχάραξης) (HF:H2O 1:6) και ευτηκτική χάραξη γαλλίου-ινδίου (EGaIn) ως ηλεκτρικές επαφές. Για δοκιμές παράλληλης παραμόρφωσης, δομές γραφενίου χωρίς σχέδια (~5 × 10 mm) μεταφέρθηκαν σε υποστρώματα SEBS, με μακριούς άξονες παράλληλους προς τη μακρά πλευρά του υποστρώματος SEBS. Και στις δύο περιπτώσεις, ολόκληρο το G (χωρίς σπείρες G)/SEBS τεντώθηκε κατά μήκος της μακράς πλευράς του ελαστομερούς σε χειροκίνητη συσκευή και, επί τόπου, μετρήσαμε τις αλλαγές αντίστασής τους υπό παραμόρφωση σε έναν σταθμό ανιχνευτή με αναλυτή ημιαγωγών (Keithley 4200-SCS).
Τα εξαιρετικά ελαστικά και διαφανή τρανζίστορ εξ ολοκλήρου από άνθρακα σε ελαστικό υπόστρωμα κατασκευάστηκαν με τις ακόλουθες διαδικασίες για να αποφευχθεί η βλάβη από οργανικό διαλύτη στο διηλεκτρικό πολυμερές και το υπόστρωμα. Οι δομές MGG μεταφέρθηκαν σε SEBS ως ηλεκτρόδια πύλης. Για να ληφθεί ένα ομοιόμορφο στρώμα λεπτής μεμβράνης πολυμερούς διηλεκτρικού (πάχους 2 μm), ένα διάλυμα SEBS τολουολίου (80 mg/ml) επικαλύφθηκε με περιδίνηση σε ένα υπόστρωμα SiO2/Si τροποποιημένο με οκταδεκυλοτριχλωροσιλάνιο (OTS) στις 1000 rpm για 1 λεπτό. Η λεπτή διηλεκτρική μεμβράνη μπορεί εύκολα να μεταφερθεί από την υδρόφοβη επιφάνεια OTS στο υπόστρωμα SEBS που καλύπτεται με το παρασκευασμένο γραφένιο. Ένας πυκνωτής θα μπορούσε να κατασκευαστεί με την εναπόθεση ενός άνω ηλεκτροδίου υγρού μετάλλου (EGaIn; Sigma-Aldrich) για τον προσδιορισμό της χωρητικότητας ως συνάρτηση της παραμόρφωσης χρησιμοποιώντας ένα μετρητή LCR (επαγωγή, χωρητικότητα, αντίσταση) (Agilent). Το άλλο μέρος του τρανζίστορ αποτελούνταν από ημιαγώγιμους CNTs ταξινομημένους με πολυμερή, ακολουθώντας τις διαδικασίες που αναφέρθηκαν προηγουμένως (53). Τα ηλεκτρόδια πηγής/αποστράγγισης με μοτίβο κατασκευάστηκαν σε άκαμπτα υποστρώματα SiO2/Si. Στη συνέχεια, τα δύο μέρη, διηλεκτρικά/G/SEBS και CNTs/G/SiO2/Si με μοτίβο, συγκολλήθηκαν μεταξύ τους και εμποτίστηκαν σε BOE για την αφαίρεση του άκαμπτου υποστρώματος SiO2/Si. Έτσι, κατασκευάστηκαν τα πλήρως διαφανή και ελαστικά τρανζίστορ. Η ηλεκτρική δοκιμή υπό τάση πραγματοποιήθηκε σε διάταξη χειροκίνητης τάνυσης όπως η προαναφερθείσα μέθοδος.
Συμπληρωματικό υλικό για αυτό το άρθρο είναι διαθέσιμο στη διεύθυνση http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
εικ. S1. Εικόνες οπτικής μικροσκοπίας μονοστοιβάδας MGG σε υποστρώματα SiO2/Si σε διαφορετικές μεγεθύνσεις.
εικ. S4. Σύγκριση αντιστάσεων και διαπερατοτήτων φύλλου δύο ανιχνευτών στα 550 nm μονο-, δι- και τριστρωματικού απλού γραφενίου (μαύρα τετράγωνα), MGG (κόκκινοι κύκλοι) και CNTs (μπλε τρίγωνο).
εικ. S7. Κανονικοποιημένη μεταβολή αντίστασης μονοστρωματικών και διστρωματικών MGG (μαύρο) και G (κόκκινο) υπό ~1000 κυκλικό φορτίο παραμόρφωσης έως 40% και 90% παράλληλη παραμόρφωση, αντίστοιχα.
εικ. S10. Εικόνα SEM τριστρωματικού MGG σε ελαστομερές SEBS μετά από παραμόρφωση, που δείχνει μια μακριά διασταύρωση πάνω από αρκετές ρωγμές.
εικ. S12. Εικόνα AFM τριστρωματικού MGG σε πολύ λεπτό ελαστομερές SEBS σε τάση 20%, που δείχνει ότι μια σπείρα διέσχισε μια ρωγμή.
Πίνακας S1. Κινητικότητα τρανζίστορ νανοσωλήνων άνθρακα διπλής στρώσης MGG-μονού τοιχώματος σε διαφορετικά μήκη καναλιού πριν και μετά την παραμόρφωση.
Αυτό είναι ένα άρθρο ανοιχτής πρόσβασης που διανέμεται σύμφωνα με τους όρους της άδειας Creative Commons Attribution-NonCommercial, η οποία επιτρέπει τη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, εφόσον η προκύπτουσα χρήση δεν αποσκοπεί σε εμπορικό όφελος και υπό την προϋπόθεση ότι το πρωτότυπο έργο αναφέρεται σωστά.
ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Ζητάμε τη διεύθυνση email σας μόνο για να γνωρίζει το άτομο στο οποίο προτείνετε τη σελίδα ότι θέλετε να τη δει και ότι δεν πρόκειται για ανεπιθύμητη αλληλογραφία. Δεν καταγράφουμε καμία διεύθυνση email.
Αυτή η ερώτηση έχει ως στόχο να ελέγξει εάν είστε άνθρωπος επισκέπτης και να αποτρέψει τις αυτοματοποιημένες υποβολές ανεπιθύμητων μηνυμάτων.
Από Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Από Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science. Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος. Η AAAS είναι συνεργάτης των HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef και COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Ώρα δημοσίευσης: 28 Ιανουαρίου 2021