Tvívíð efni, eins og grafen, eru aðlaðandi bæði fyrir hefðbundnar hálfleiðaraforrit og nýjar notkunarmöguleika í sveigjanlegri rafeindatækni. Hins vegar veldur mikill togstyrkur grafens sprungum við lágt álag, sem gerir það krefjandi að nýta sér einstaka rafeindaeiginleika þess í teygjanlegum rafeindatækjum. Til að gera kleift að ná framúrskarandi álagsháðum árangri gegnsæja grafenleiðara, bjuggum við til grafen-nanóskrúfur á milli staflaðra grafenlaga, sem kallast marglaga grafen/grafenskrúfur (MGG). Undir álagi brúuðu sumar skrúfur sundurleit svæði grafens til að viðhalda síunarneti sem gerði kleift að ná framúrskarandi leiðni við mikið álag. Þriggja laga MGG studdar á teygjuefnum héldu 65% af upprunalegri leiðni sinni við 100% álagi, sem er hornrétt á stefnu straumsins, en þriggja laga grafenfilmur án nanóskrúfa héldu aðeins 25% af upphafsleiðni sinni. Teygjanlegur, kolefnisþráður smári, smíðaður með MGGs sem rafskautum, sýndi gegndræpi upp á >90% og hélt 60% af upprunalegum straumi sínum við 120% spennu (samsíða stefnu hleðsluflutningsins). Þessir mjög teygjanlegu og gegnsæju kolefnisþráðar smárar gætu gert kleift að framleiða háþróaða, teygjanlega ljósfræðilega rafeindabúnað.
Teygjanleg gegnsæ rafeindatækni er vaxandi svið sem hefur mikilvæga notkun í háþróuðum líffræðilegum samþættum kerfum (1, 2) sem og möguleika á að samþætta teygjanlegum ljósfræðilegum rafeindabúnaði (3, 4) til að framleiða háþróaða mjúka vélmenni og skjái. Grafín sýnir mjög eftirsóknarverða eiginleika eins og atómþykkt, mikla gegnsæi og mikla leiðni, en notkun þess í teygjanlegum forritum hefur verið hamluð af tilhneigingu þess til að springa við litlar álagsbreytingar. Að sigrast á vélrænum takmörkunum grafíns gæti gert nýja virkni mögulega í teygjanlegum gegnsæjum tækjum.
Einstakir eiginleikar grafens gera það að sterkum frambjóðanda fyrir næstu kynslóð gagnsæja leiðandi rafskauta (5, 6). Í samanburði við algengasta gagnsæja leiðarann, indíum-tínoxíð [ITO; 100 ohm/ferningur (ferk.) við 90% gegnsæi], hefur einlagsgrafen, sem ræktað er með efnafræðilegri gufuútfellingu (CVD), svipaða samsetningu af lagviðnámi (125 ohm/ferk.) og gegnsæi (97,4%) (5). Að auki hafa grafenfilmur ótrúlegan sveigjanleika samanborið við ITO (7). Til dæmis, á plastundirlagi, getur leiðni þess viðhaldist jafnvel við beygjusveiflu allt að 0,8 mm (8). Til að auka enn frekar rafmagn þess sem gegnsær sveigjanlegur leiðari, hafa fyrri rannsóknir þróað grafen-blendingsefni með einvíddum (1D) silfurnanóvírum eða kolefnisnanórörum (CNT) (9–11). Þar að auki hefur grafen verið notað sem rafskaut fyrir hálfleiðara með blönduðum víddum og óuppbyggðum byggingarefnum (eins og 2D Si í lausu, 1D nanóvíra/nanórör og 0D skammtapunkta) (12), sveigjanlega smára, sólarsellur og ljósdíóður (LED) (13–23).
Þótt grafen hafi sýnt lofandi niðurstöður fyrir sveigjanlega rafeindatækni, hefur notkun þess í teygjanlegum rafeindatækni verið takmörkuð af vélrænum eiginleikum þess (17, 24, 25); grafen hefur stífleika í plani upp á 340 N/m og Youngs stuðull upp á 0,5 TPa (26). Sterka kolefnis-kolefnis netið býður ekki upp á neina orkudreifingaraðferðir fyrir álag og því springur það auðveldlega við minna en 5% álag. Til dæmis getur CVD grafen sem flutt er á teygjanlegt undirlag úr pólýdímetýlsíloxani (PDMS) aðeins viðhaldið leiðni sinni við minna en 6% álag (8). Fræðilegar útreikningar sýna að krumpun og samspil milli mismunandi laga ætti að minnka stífleikann verulega (26). Með því að stafla grafeni í mörg lög er greint frá því að þetta tví- eða þrílaga grafen sé teygjanlegt upp í 30% álag og sýni 13 sinnum minni viðnámsbreytingu en einlaga grafen (27). Hins vegar er þessi teygjanleiki enn verulega lakari en nýjustu teygjanlegu leiðarar (28, 29).
Transistorar eru mikilvægir í teygjanlegum forritum því þeir gera kleift að lesa úr skynjurum og greina merki á háþróaðan hátt (30, 31). Transistorar á PDMS með marglaga grafeni sem upptöku-/afrennslisrafskautum og rásaefni geta viðhaldið rafvirkni allt að 5% spennu (32), sem er verulega undir lágmarkskröfum (~50%) fyrir klæðanlega heilsufarsvöktunarskynjara og rafræna húð (33, 34). Nýlega hefur verið könnuð grafen kirigami aðferð og hægt er að teygja transistorinn sem er stýrður af fljótandi raflausn allt að 240% (35). Hins vegar krefst þessi aðferð sviflausnar grafens, sem flækir framleiðsluferlið.
Hér náum við fram mjög teygjanlegum grafínbúnaði með því að flétta grafínskrúfur (~1 til 20 μm langar, ~0,1 til 1 μm breiðar og ~10 til 100 nm háar) inn á milli grafínlaga. Við gerum ráð fyrir að þessar grafínskrúfur geti veitt leiðandi leiðir til að brúa sprungur í grafínblöðunum og þannig viðhaldið mikilli leiðni undir álagi. Grafínskrúfurnar þurfa ekki frekari myndun eða vinnslu; þær myndast náttúrulega við blautflutningsferlið. Með því að nota marglaga G/G (grafín/grafín) skrúfur (MGG), teygjanlegar grafín rafskautar (uppspretta/afrennsli og hlið) og hálfleiðandi CNT, gátum við sýnt fram á mjög gegnsæja og teygjanlega al-kolefnis smára, sem hægt er að teygja í 120% álag (samsíða stefnu hleðsluflutningsins) og halda 60% af upprunalegri straumframleiðslu sinni. Þetta er teygjanlegasti gegnsæi kolefnisbundni smárinn hingað til, og hann veitir nægjanlegan straum til að knýja ólífræna LED ljós.
Til að gera kleift að búa til stórar, gegnsæjar og teygjanlegar grafen rafskautar, völdum við CVD-ræktað grafen á Cu filmu. Cu filman var hengd upp í miðju CVD kvarsrörs til að leyfa grafeni að vaxa á báðum hliðum og mynda G/Cu/G uppbyggingu. Til að flytja grafen, spunnuðum við fyrst þunnt lag af pólý(metýl metakrýlati) (PMMA) til að vernda aðra hlið grafensins, sem við kölluðum efri hlið grafensins (öfugt fyrir hina hlið grafensins), og síðan var öll filman (PMMA/efri grafen/Cu/neðri grafen) vætt í (NH4)2S2O8 lausn til að etsa burt Cu filmuna. Neðri hlið grafensins án PMMA húðunarinnar mun óhjákvæmilega hafa sprungur og galla sem leyfa etsefni að komast í gegn (36, 37). Eins og sýnt er á mynd 1A, undir áhrifum yfirborðsspennu, rúlluðust losuðu grafen svæðin upp í rúllur og festust síðan við eftirstandandi efri-G/PMMA filmuna. Hægt er að flytja efstu G/G skrúlurnar á hvaða undirlag sem er, svo sem SiO2/Si, gler eða mjúka fjölliðu. Með því að endurtaka þetta flutningsferli nokkrum sinnum á sama undirlagið fæst MGG uppbygging.
(A) Skýringarmynd af framleiðsluferlinu fyrir MGG sem teygjanlegt rafskaut. Við flutning grafínsins var bakhlið grafíns á Cu-filmu brotin við mörk og galla, rúllað upp í handahófskenndar lögun og fest þétt við efri filmurnar, sem myndaði nanóskrúfur. Fjórða teiknimyndin sýnir staflaða MGG-byggingu. (B og C) Hágæða TEM-einkenni einlags MGG, með áherslu á einlagsgrafínið (B) og skrúfusvæðið (C), talið í sömu röð. Innskot (B) er mynd með litlum stækkun sem sýnir heildarformgerð einlags MGG á TEM-netinu. Innskot (C) eru styrkleikaprófílar teknar meðfram rétthyrndum reitum sem gefin eru til kynna á myndinni, þar sem fjarlægðirnar milli atómflatanna eru 0,34 og 0,41 nm. (D) Kolefnis K-brún EEL litróf með einkennandi grafít π* og σ* tindum merktum. (E) Þversniðsmynd af einlags G/G skrúfum með hæðarprófíl meðfram gulu punktalínunni. (F til I) Ljóssmásjármyndir og AFM myndir af þrílagi G án (F og H) og með skrúfum (G og I) á 300 nm þykkum SiO2/Si undirlögum, talið í sömu röð. Dæmigerðar skrúfur og hrukkur voru merktar til að varpa ljósi á muninn á þeim.
Til að staðfesta að skrúlurnar séu að eðlisfari valsað grafen, framkvæmdum við rannsóknir með rafeindasmásjárskoðun (TEM) og rafeindaorkutapsrófsgreiningu (EEL) á einlags efstu G/G skrúlubyggingunum. Mynd 1B sýnir sexhyrnda byggingu einlags grafens og innskotið er heildarmynd af filmunni sem er þakin einu kolefnisgati í TEM ristinni. Einlagsgrafenið spannar stærstan hluta ristarinnar og nokkrar grafínflögur birtast í návist margra stafla af sexhyrndum hringjum (Mynd 1B). Með því að þysja inn í einstaka skrúlu (Mynd 1C) sáum við mikið magn af grafíngrindarjöðrum, með grindarbil á bilinu 0,34 til 0,41 nm. Þessar mælingar benda til þess að flögurnar séu af handahófi rúllaðar upp og séu ekki fullkomið grafít, sem hefur grindarbil upp á 0,34 nm í „ABAB“ lagastaflan. Mynd 1D sýnir EEL litróf kolefnis K-brúnarinnar, þar sem toppurinn við 285 eV á uppruna sinn í π* svigrúminu og hinn við 290 eV stafar af umbreytingu σ* svigrúmsins. Það má sjá að sp2 tenging er ríkjandi í þessari uppbyggingu, sem staðfestir að skrúfurnar eru mjög grafítískar.
Myndir úr ljósfræðilegri smásjárskoðun og atómkraftssmásjárskoðun (AFM) veita innsýn í dreifingu grafín-nanóskralla í MGG-unum (Mynd 1, E til G, og myndir S1 og S2). Skrallurnar eru af handahófi dreifðar yfir yfirborðið og þéttleiki þeirra í fleti eykst í hlutfalli við fjölda staflaðra laga. Margar skrallur flækjast í hnúta og sýna ójafna hæð á bilinu 10 til 100 nm. Þær eru 1 til 20 μm langar og 0,1 til 1 μm breiðar, allt eftir stærð upphaflegu grafínflöganna. Eins og sést á mynd 1 (H og I) eru skrallurnar marktækt stærri en hrukkurnar, sem leiðir til mun grófari snertiflatar milli grafínlaganna.
Til að mæla rafmagnseiginleikana mótuðum við grafínfilmur með eða án skrúfubyggingar og lagskiptinga í 300 μm breiðar og 2000 μm langar ræmur með ljósritun. Tvöföld viðnám sem fall af spennu voru mæld við umhverfisaðstæður. Nærvera skrúfna minnkaði viðnám einslags grafens um 80% með aðeins 2,2% lækkun á gegndræpi (mynd S4). Þetta staðfestir að nanóskrúfur, sem hafa mikla straumþéttleika allt að 5 × 107 A/cm2 (38, 39), hafa mjög jákvætt rafmagnsframlag til MGG-anna. Af öllum eins-, tví- og þrílaga venjulegum grafenum og MGG-um hefur þrílaga MGG-ið bestu leiðnina með næstum 90% gegnsæi. Til samanburðar við aðrar uppsprettur grafens sem greint er frá í ritrýndum heimildum, mældum við einnig fjögurra-sönnunarþráða lagviðnám (mynd S5) og skráðum þau sem fall af gegndræpi við 550 nm (mynd S6) á mynd 2A. MGG sýnir sambærilega eða meiri leiðni og gegnsæi en tilbúið staflað marglaga venjulegt grafen og afoxað grafenoxíð (RGO) (6, 8, 18). Athugið að lagviðnám tilbúiðs marglaga venjulegs grafens úr ritrýndum heimildum er örlítið hærra en hjá MGG okkar, líklega vegna óhagstæðra vaxtarskilyrða og flutningsaðferðar.
(A) Viðnám fjögurra mælis plötunnar á móti gegndræpi við 550 nm fyrir nokkrar gerðir af grafíni, þar sem svartir ferningar tákna ein-, tví- og þrílaga MGG; rauðir hringir og bláir þríhyrningar samsvara marglaga venjulegu grafíni sem ræktað var á Cu og Ni úr rannsóknum Li o.fl. (6) og Kim o.fl. (8), talið í sömu röð, og síðan flutt yfir á SiO2/Si eða kvars; og grænir þríhyrningar eru gildi fyrir RGO við mismunandi afoxunarstig úr rannsókn Bonaccorso o.fl. (18). (B og C) Stöðluð viðnámsbreyting ein-, tví- og þrílaga MGG og G sem fall af hornréttri (B) og samsíða (C) spennu á stefnu straumflæðisins. (D) Stöðluð viðnámsbreyting tvílaga G (rautt) og MGG (svart) við hringlaga spennu allt að 50% hornrétta spennu. (E) Stöðluð viðnámsbreyting þrílaga G (rautt) og MGG (svart) við hringlaga spennu allt að 90% samsíða spennu. (F) Stöðluð breyting á rafrýmd ein-, tví- og þrílaga G og tví- og þrílaga MGG sem fall af spennu. Innskotið sýnir uppbyggingu rafrýmdarins, þar sem fjölliðuundirlagið er SEBS og fjölliðueinangrunarlagið er 2 μm þykkt SEBS.
Til að meta álagsháða virkni MGG-sins fluttum við grafen yfir á undirlag úr hitaplastísku teygjanlegu stýren-etýlen-bútadíen-stýren (SEBS) (um það bil 2 cm breitt og um það bil 5 cm langt) og leiðnin var mæld þegar undirlagið var teygt (sjá Efni og Aðferðir) bæði hornrétt og samsíða straumstefnunni (Mynd 2, B og C). Rafleiðni álagsháðrar hegðunar batnaði með innlimun nanóskrúfna og auknum fjölda grafenlaga. Til dæmis, þegar álag er hornrétt á straumstefnu, fyrir einlagsgrafen, jók viðbót skrúfna álagið við rafmagnsbrot úr 5 í 70%. Álagsþol þriggja laga grafens batnaði einnig verulega samanborið við einlagsgrafen. Með nanóskrúfum, við 100% hornrétta álag, jókst viðnám þriggja laga MGG-byggingarinnar aðeins um 50%, samanborið við 300% fyrir þriggja laga grafen án skrúfa. Breyting á viðnámi við lotubundið álag var rannsökuð. Til samanburðar (mynd 2D) jókst viðnám í einföldu tvílaga grafenfilmu um 7,5 sinnum eftir ~700 lotur við 50% hornrétta spennu og hélt áfram að aukast með spennu í hverri lotu. Hins vegar jókst viðnám í tvílaga MGG aðeins um 2,5 sinnum eftir ~700 lotur. Með allt að 90% spennu samsíða stefnu jókst viðnám þrílaga grafens ~100 sinnum eftir 1000 lotur, en það er aðeins ~8 sinnum í þrílaga MGG (mynd 2E). Niðurstöður úr hringrásinni eru sýndar á mynd S7. Tiltölulega hraðari aukning viðnáms samsíða spennustefnu er vegna þess að stefna sprungna er hornrétt á stefnu straumsins. Frávik viðnáms við álag og afhleðslu er vegna seigjuteygjanlegrar endurheimtar SEBS teygjanlegrar undirlags. Stöðugri viðnám MGG ræmanna við hringrás er vegna nærveru stórra skrúfa sem geta brúað sprungnu hluta grafensins (eins og sést með AFM), sem hjálpar til við að viðhalda síunarferli. Þetta fyrirbæri að viðhalda leiðni með síunarleið hefur áður verið greint frá fyrir sprungnar málm- eða hálfleiðarafilmur á elastómer undirlögum (40, 41).
Til að meta þessar grafín-byggðu filmur sem hliðarrafskautar í teygjanlegum tækjum, þaktum við grafínlagið með SEBS rafskautslagi (2 μm þykkt) og fylgdumst með breytingum á rafskautsrýmd sem fall af álagi (sjá mynd 2F og viðbótarefni fyrir nánari upplýsingar). Við sáum að rafskaut með einföldum ein- og tvílaga grafínrafskautum minnkaði hratt vegna taps á leiðni grafíns í fleti. Aftur á móti sýndu rafskaut með stýrðum MGGs, sem og einföld þrílaga grafín, aukningu á rafskautsrýmd með álagi, sem búist er við vegna minnkunar á rafskautsþykkt með álagi. Væntanleg aukning á rafskautsrýmd passaði mjög vel við MGG uppbyggingu (mynd S8). Þetta bendir til þess að MGG henti sem hliðarrafskaut fyrir teygjanlega smára.
Til að rannsaka frekar hlutverk einvíddar grafínsrúllunnar á álagsþol rafleiðni og stjórna betur aðskilnaði milli grafínlaga, notuðum við úðahúðaðar CNT-þræðir í stað grafínsrúllanna (sjá viðbótarefni). Til að líkja eftir MGG-byggingu, settum við þrjár þéttleikar af CNT-þráðum (þ.e. CNT1).
(A til C) AFM myndir af þremur mismunandi þéttleikum CNT (CNT1
Til að skilja betur getu þeirra sem rafskauta fyrir teygjanlegar rafeindatækni, rannsökuðum við kerfisbundið formgerð MGG og G-CNT-G undir álagi. Ljóssmásjárskoðun og rafeindasmásjárskoðun (SEM) eru ekki árangursríkar aðferðir til að greina einkenni því báðar skortir litaskil og SEM getur orðið fyrir myndgöllum við rafeindaskönnun þegar grafen er á fjölliðuundirlagi (myndir S9 og S10). Til að fylgjast með yfirborði grafens undir álagi á staðnum, söfnuðum við AFM mælingum á þriggja laga MGG og venjulegu grafeni eftir að það var flutt yfir á mjög þunnt (~0,1 mm þykkt) og teygjanlegt SEBS undirlag. Vegna innri galla í CVD grafeni og ytri skemmda við flutningsferlið myndast óhjákvæmilega sprungur á þvinguðu grafeni og með aukinni álagi þykknuðu sprungurnar (Mynd 4, A til D). Sprungurnar sýna mismunandi formgerð eftir því hvernig kolefnisbundnar rafskautar eru staflaðar (mynd S11) (27). Þéttleiki sprunguflatarmáls (skilgreindur sem sprunguflatarmál/greint flatarmál) í marglaga grafeni er minni en í einlaga grafeni eftir álag, sem er í samræmi við aukningu á rafleiðni MGGs. Hins vegar sést oft að skrúfur brúa sprungurnar og skapa þannig viðbótarleiðni í álagsfilmunni. Til dæmis, eins og sést á mynd 4B, fór breið skrúfa yfir sprungu í þriggja laga MGG, en engin skrúfa sást í slétta grafeninu (mynd 4, E til H). Á sama hátt brúuðu CNTs einnig sprungurnar í grafeni (mynd S11). Þéttleiki sprunguflatarmáls, þéttleiki skrúfuflatarmáls og hrjúfleiki filmanna eru teknir saman á mynd 4K.
(A til H) In situ AFM myndir af þriggja laga G/G skrúlum (A til D) og þriggja laga G strúktúrum (E til H) á mjög þunnu SEBS (~0,1 mm þykku) elastómeri við 0, 20, 60 og 100% álag. Dæmigerðar sprungur og skrúlur eru merktar með örvum. Allar AFM myndirnar eru á svæði 15 μm × 15 μm, með því að nota sama litakvarða og merktur er. (I) Hermunargeómetry á mynstruðum einlags grafín rafskautum á SEBS undirlaginu. (J) Hermunarútlínukort af hámarks aðal logaritmískri álagningu í einlags grafíninu og SEBS undirlaginu við 20% ytri álag. (K) Samanburður á sprunguflatarmálsþéttleika (rauður dálkur), skrúfuflatarmálsþéttleika (gulur dálkur) og yfirborðsgrófleika (blár dálkur) fyrir mismunandi grafín strúktúra.
Þegar MGG-filmurnar eru teygðar er mikilvægur viðbótarferill þar sem rúllurnar geta brúað sprungin svæði í grafeni og viðhaldið síunarneti. Grafínrúllurnar eru efnilegar þar sem þær geta verið tugir míkrómetra að lengd og því færar um að brúa sprungur sem eru venjulega allt að míkrómetra stærðargráðu. Ennfremur, þar sem rúllurnar eru samansettar úr mörgum lögum af grafeni, er búist við að þær hafi lágt viðnám. Til samanburðar eru tiltölulega þétt (minni gegndræpi) CNT net nauðsynleg til að veita sambærilega leiðandi brúargetu, þar sem CNT eru minni (venjulega nokkrir míkrómetrar að lengd) og minna leiðandi en rúllur. Hins vegar, eins og sést á mynd S12, þó að grafenið springi við teygju til að mæta álagi, springa rúllurnar ekki, sem bendir til þess að hið síðarnefnda gæti verið að renna á undirliggjandi grafeni. Ástæðan fyrir því að þau springa ekki er líklega vegna upprúllaðrar uppbyggingar, sem samanstendur af mörgum lögum af grafeni (~1 til 20 μm langt, ~0,1 til 1 μm breitt og ~10 til 100 nm hátt), sem hefur hærri virka stuðull en einlags grafen. Eins og Green og Hersam greindu frá (42), geta málmkennd CNT net (rörþvermál 1,0 nm) náð lágum plötuviðnámum <100 ohm/ferköntrum þrátt fyrir stóra tengiviðnám milli CNT. Þar sem grafenrúllurnar okkar eru 0,1 til 1 μm breiðar og að G/G rúllurnar hafa mun stærri snertiflötur en CNT, ættu snertiviðnámið og snertiflöturinn milli grafens og grafenrúlla ekki að vera takmarkandi þættir til að viðhalda mikilli leiðni.
Grafínið hefur mun hærri sveigjanleikastuðull en SEBS undirlagið. Þó að virkur þykkt grafínrafskautsins sé mun lægri en undirlagsins, þá er stífleiki grafínsins margfaldaður þykkt þess sambærilegur við undirlagið (43, 44), sem leiðir til miðlungs stífra eyjaáhrifa. Við hermdum aflögun 1 nm þykks grafíns á SEBS undirlagi (sjá viðbótarefni fyrir nánari upplýsingar). Samkvæmt niðurstöðum hermunarinnar, þegar 20% álag er beitt á SEBS undirlagið að utan, er meðalálagið í grafíninu ~6,6% (Mynd 4J og mynd S13D), sem er í samræmi við tilraunaathuganir (sjá mynd S13). Við bárum saman álagið í mynstruðu grafín- og undirlagssvæðunum með ljósasmásjá og komumst að því að álagið í undirlagssvæðinu var að minnsta kosti tvöfalt meira en álagið í grafínsvæðinu. Þetta bendir til þess að álagið sem beitt er á grafínrafskautsmynstur gæti verið verulega takmarkað og myndað stífar grafíneyjar ofan á SEBS (26, 43, 44).
Þess vegna er hæfni MGG rafskauta til að viðhalda mikilli leiðni undir miklu álagi líklega möguleg vegna tveggja meginferla: (i) Skrúfurnar geta brúað ósamtengd svæði til að viðhalda leiðandi síunarferli og (ii) fjöllaga grafínblöð/teygjuefni geta runnið hvert yfir annað, sem leiðir til minni álags á grafín rafskautin. Fyrir mörg lög af fluttu grafíni á teygjuefni eru lögin ekki sterklega tengd hvert við annað, sem getur runnið til við álagi (27). Skrúfurnar juku einnig grófleika grafínlaganna, sem getur hjálpað til við að auka aðskilnaðinn milli grafínlaga og þar með gert grafínlögunum kleift að renna.
Kolefnisnet eru mjög vinsæl vegna lágs kostnaðar og mikils afkösts. Í okkar tilviki voru kolefnisnet smári smíðaðir með því að nota neðra grafínhlið, efri grafín uppsprettu/rennsli tengilið, flokkaðan CNT hálfleiðara og SEBS sem rafskaut (Mynd 5A). Eins og sést á mynd 5B er kolefnisnet með CNT sem uppsprettu/rennsli og hlið (neðsta tækið) ógegnsæja en tækið með grafín rafskautum (efsta tækið). Þetta er vegna þess að CNT net þurfa meiri þykkt og þar af leiðandi minni ljósleiðni til að ná svipaðri viðnámsþrep og grafín (mynd S4). Mynd 5 (C og D) sýnir dæmigerðar flutnings- og úttakskúrfur fyrir álag fyrir smára gerðan með tvílaga MGG rafskautum. Rásarbreidd og lengd óspennta smárans voru 800 og 100 μm, talið í sömu röð. Mælda kveikt/slökkt hlutfallið er meira en 103 með kveikt og slökkt straumum á stigunum 10⁻⁵ og 10⁻⁶ A, talið í sömu röð. Úttakskúrfan sýnir kjörlínuleg og mettunarkerfi með skýrri hliðspennuháðni, sem bendir til kjörtengingar milli CNT-smára og grafínrafskauta (45). Snertiviðnámið með grafínrafskautum reyndist vera lægra en með uppgufuðu Au-filmu (sjá mynd S14). Mettunarhreyfanleiki teygjanlega smárans er um 5,6 cm2/Vs, svipað og hjá sömu fjölliðuflokkuðum CNT-smárum á stífum Si-undirlögum með 300 nm SiO2 sem rafskautslagi. Frekari umbætur á hreyfanleika eru mögulegar með bjartsýni á rörþéttleika og öðrum gerðum röra (46).
(A) Skýringarmynd af teygjanlegum smára úr grafíni. SWNTs, einveggja kolefnisnanórör. (B) Mynd af teygjanlegum smárum úr grafínrafskautum (efst) og CNT rafskautum (neðst). Munurinn á gegnsæi er greinilega áberandi. (C og D) Flutnings- og úttakskúrfur grafínsmára á SEBS fyrir álag. (E og F) Flutningskúrfur, kveikt og slökkt straumur, kveikt/slökkt hlutfall og hreyfanleiki grafínsmára við mismunandi álag.
Þegar gegnsæja, kolefnisbundna tækið var teygt í átt að flutningsátt hleðslunnar, sást lágmarks niðurbrot allt að 120% álag. Við teygju minnkaði hreyfanleikinn stöðugt úr 5,6 cm2/Vs við 0% álag í 2,5 cm2/Vs við 120% álag (Mynd 5F). Við bárum einnig saman afköst smára fyrir mismunandi rásarlengdir (sjá töflu S1). Athyglisvert er að við álag allt að 105% sýndu allir þessir smárar enn hátt kveikt/slökkt hlutfall (>103) og hreyfanleika (>3 cm2/Vs). Að auki drógum við saman allar nýlegar rannsóknir á kolefnissmárum (sjá töflu S2) (47–52). Með því að hámarka smíði tækja á teygjuefnum og nota MGG sem tengiliði, sýna kolefnissmárar okkar góða afköst hvað varðar hreyfanleika og hýsteresu, auk þess að vera mjög teygjanlegir.
Sem notkun á fullkomlega gegnsæjum og teygjanlegum smára notuðum við hann til að stjórna rofum LED-ljósa (mynd 6A). Eins og sést á mynd 6B sést græna LED-ljósið greinilega í gegnum teygjanlega kolefnisbúnaðinn sem er staðsettur beint fyrir ofan. Þótt LED-ljósið teygist í ~100% (mynd 6, C og D) breytist ljósstyrkur LED-ljóssins ekki, sem er í samræmi við afköst smára sem lýst er hér að ofan (sjá myndband S1). Þetta er fyrsta skýrslan um teygjanlegar stjórneiningar sem gerðar eru með grafínrafskautum, sem sýnir fram á nýja möguleika fyrir teygjanlega rafeindatækni úr grafíni.
(A) Rás í smára sem knýr LED-ljós. GND, jarðtenging. (B) Mynd af teygjanlegum og gegnsæjum kolefnissmára við 0% spennu festum fyrir ofan græna LED-ljós. (C) Kolefnissmárinn, gegnsæi og teygjanlegur, sem notaður er til að kveikja á LED-ljósinu, er festur fyrir ofan LED-ljósið við 0% (vinstri) og ~100% spennu (hægri). Hvítu örvarnar benda sem gulir merkingar á tækinu til að sýna breytinguna á fjarlægðinni sem verið er að teygja. (D) Hliðarsýn af teygða smáranum, með LED-ljósið ýtt inn í teygjuefnið.
Að lokum höfum við þróað gegnsæja leiðandi grafínbyggingu sem viðheldur mikilli leiðni undir miklu álagi sem teygjanlegar rafskautar, sem mögulega eru með grafín-nanóskrúfum á milli staflaðra grafínlaga. Þessar tví- og þrílaga MGG rafskautsbyggingar á teygjanlegu efni geta viðhaldið 21% og 65%, talið í sömu röð, af 0% álagsleiðni sinni við allt að 100% álag, samanborið við algjört tap á leiðni við 5% álag fyrir dæmigerðar einlags grafín-rafskautar. Viðbótar leiðnileiðir grafínskrúfanna sem og veik víxlverkun milli fluttu laganna stuðla að betri leiðnistöðugleika undir álagi. Við notuðum þessa grafínbyggingu enn fremur til að framleiða teygjanlega smára úr kolefni. Hingað til er þetta teygjanlegasti smárinn sem byggir á grafíni með besta gegnsæið án þess að nota beygju. Þó að þessi rannsókn hafi verið gerð til að gera grafín kleift að nota teygjanlega rafeindatækni, teljum við að hægt sé að útvíkka þessa aðferð til annarra tvívíddar efna til að gera teygjanlega tvívídda rafeindatækni mögulega.
Stórt CVD grafen var ræktað á sviflausnum Cu-þynnum (99,999%; Alfa Aesar) undir stöðugum þrýstingi upp á 0,5 mtorr með 50–SCCM (staðlaðar rúmsentimetrar á mínútu) CH4 og 20–SCCM H2 sem forverum við 1000°C. Báðar hliðar Cu-þynnunnar voru þaktar einlags grafeni. Þunnt lag af PMMA (2000 snúningar á mínútu; A4, Microchem) var snúningshúðað á annarri hlið Cu-þynnunnar, sem myndaði PMMA/G/Cu-þynnu/G uppbyggingu. Því næst var öll filman vætt í 0,1 M ammóníumpersúlfat [(NH4)2S2O8] lausn í um 2 klukkustundir til að etsa burt Cu-þynnuna. Í þessu ferli rifnaði óvarða bakhlið grafensins fyrst meðfram kornamörkunum og síðan rúllað upp í rúllur vegna yfirborðsspennu. Rúllurnar voru festar við PMMA-studda efri grafenfilmuna, sem myndaði PMMA/G/G rúllur. Filmurnar voru síðan þvegnar nokkrum sinnum í afjónuðu vatni og lagðar á undirlag, svo sem stíft SiO2/Si eða plastundirlag. Um leið og filman sem festist á undirlaginu þornaði var sýnið lagt í bleyti í asetoni, 1:1 asetoni/IPA (ísóprópýlalkóhól) og IPA í 30 sekúndur hvort til að fjarlægja PMMA. Filmurnar voru hitaðar við 100°C í 15 mínútur eða haldnar í lofttæmi yfir nótt til að fjarlægja alveg allt vatnið áður en annað lag af G/G skrúfu var fært yfir þær. Þetta skref var gert til að koma í veg fyrir að grafínfilman losnaði frá undirlaginu og tryggja fulla þekju MGGs við losun PMMA burðarlagsins.
Lögun MGG-byggingarinnar var skoðuð með ljósasmásjá (Leica) og skannandi rafeindasmásjá (1 kV; FEI). Atómkraftssmásjá (Nanoscope III, Digital Instrument) var notuð í tapping-ham til að skoða smáatriði á G-skrúlunum. Gagnsæi filmunnar var prófað með útfjólubláum litrófsmæli (Agilent Cary 6000i). Í prófunum, þegar álagið var eftir hornréttri stefnu straumsins, var ljósritun og O2-plasma notað til að móta grafínbyggingar í ræmur (~300 μm breiðar og ~2000 μm langar), og Au (50 nm) rafskaut voru hitalagðar með skuggagrímum á báðum endum langhliðar. Grafínræmurnar voru síðan settar í snertingu við SEBS teygjanlegt efni (~2 cm breitt og ~5 cm langt), með langás ræmanna samsíða skammhliðar SEBS, fylgt eftir með BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etsingu og eutektískum gallíumindíum (EGaIn) sem rafmagnstengi. Fyrir samsíða álagsprófanir voru ómynstraðar grafenbyggingar (~5 × 10 mm) fluttar yfir á SEBS undirlag, með löngum ásum samsíða langhlið SEBS undirlagsins. Í báðum tilvikum var allt G (án G skrúfunnar)/SEBS teygt meðfram langhlið teygjunnar í handvirku tæki og á staðnum mældum við breytingar á viðnámi þeirra undir álagi á mælistöð með hálfleiðaragreini (Keithley 4200-SCS).
Mjög teygjanlegir og gegnsæir kolefnistransistorar á teygjanlegu undirlagi voru framleiddir með eftirfarandi aðferðum til að forðast skemmdir á fjölliðu rafskautinu og undirlaginu af völdum lífrænna leysiefna. MGG-byggingar voru fluttar yfir á SEBS sem hliðarrafskaut. Til að fá einsleitt þunnfilmu fjölliðu rafskautslag (2 μm þykkt) var SEBS tólúen (80 mg/ml) lausn snúningshúðuð á oktadecýltríklórsílan (OTS)-breytt SiO2/Si undirlag við 1000 snúninga á mínútu í 1 mínútu. Þunnu rafskautsfilmuna er auðvelt að flytja frá vatnsfælnu OTS yfirborðinu yfir á SEBS undirlagið sem er þakið með tilbúnu grafeni. Hægt er að búa til þétti með því að setja fljótandi málm (EGaIn; Sigma-Aldrich) efri rafskaut til að ákvarða rafrýmdina sem fall af álagi með því að nota LCR (inductance, capacitance, resistance) mæli (Agilent). Hinn hluti transistorsins samanstóð af fjölliðu-flokkuðum hálfleiðandi CNTs, samkvæmt aðferðunum sem áður hafa verið lýst (53). Mynstruðu uppsprettu-/afrennslisrafskautin voru smíðuð á stífu SiO2/Si undirlagi. Í kjölfarið voru hlutarnir tveir, rafskaut/G/SEBS og CNT/mynstrað G/SiO2/Si, lagskipt hvor við annan og vætt í BOE til að fjarlægja stífa SiO2/Si undirlagið. Þannig voru fullkomlega gegnsæir og teygjanlegir smárar smíðaðir. Rafmagnsprófunin undir álagi var framkvæmd á handvirkri teygjuuppsetningu með áðurnefndri aðferð.
Viðbótarefni við þessa grein er að finna á http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Mynd S1. Sjónsmásjármyndir af einlags MGG á SiO2/Si undirlögum við mismunandi stækkun.
Mynd S4. Samanburður á viðnámi og gegndræpi tveggja mæliplatna við 550 nm fyrir ein-, tví- og þrílaga venjulegt grafen (svartir ferningar), MGG (rauðir hringir) og CNT (blár þríhyrningur).
Mynd S7. Stöðluð viðnámsbreyting ein- og tvílaga MGG (svart) og G (rautt) undir ~1000 hringlaga álagsálagi allt að 40 og 90% samsíða álag, talið í sömu röð.
Mynd S10. SEM mynd af þriggja laga MGG á SEBS teygjuefni eftir álag, sem sýnir langt skrúfuþvermál yfir nokkrar sprungur.
Mynd S12. AFM mynd af þriggja laga MGG á mjög þunnu SEBS teygjuefni við 20% álag, sem sýnir að skrúfa fór yfir sprungu.
Tafla S1. Hreyfanleiki tvílaga MGG – einveggja kolefnisnanórörstransistora við mismunandi ráslengdir fyrir og eftir álag.
Þessi grein er dreift með opnum aðgangi samkvæmt skilmálum Creative Commons Attribution-NonCommercial leyfisins, sem leyfir notkun, dreifingu og afritun í hvaða miðli sem er, svo framarlega sem notkunin er ekki í viðskiptalegum tilgangi og að rétt sé vitnað í upprunalega verkið.
ATHUGIÐ: Við biðjum aðeins um netfangið þitt svo að sá sem þú mælir með síðunni fyrir viti að þú vildir að hann sæi hana og að þetta sé ekki ruslpóstur. Við söfnum ekki neinum netföngum.
Þessi spurning er til að kanna hvort þú sért manneskja eða ekki og til að koma í veg fyrir sjálfvirkar ruslpóstsendingar.
Eftir 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
Eftir 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. Allur réttur áskilinn. AAAS er samstarfsaðili HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef og COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Birtingartími: 28. janúar 2021