Tvívíð efni, eins og grafen, eru aðlaðandi fyrir bæði hefðbundna notkun hálfleiðara og nýrri notkun í sveigjanlegri rafeindatækni.Hins vegar leiðir hár togstyrkur grafens til brota við litla álag, sem gerir það krefjandi að nýta sér ótrúlega rafræna eiginleika þess í teygjanlegri rafeindatækni.Til að gera framúrskarandi álagsháða frammistöðu gagnsæra grafenleiðara bjuggum við til grafen nanóskrúllur á milli staflaðra grafenlaga, sem vísað er til sem marglaga grafen/grafenskrollur (MGG).Undir álagi brúuðu sumar spjaldtölvur sundurliðuð svið grafensins til að viðhalda sígandi neti sem gerði frábæra leiðni kleift við mikla álag.Þriggja laga MGG sem studd eru á elastómerum héldu 65% af upprunalegri leiðni sinni við 100% álag, sem er hornrétt á stefnu straumflæðisins, en þrílaga filmur af grafeni án nanóskrolls héldu aðeins 25% af upphafsleiðni sinni.Teygjanlegur kolefnistransistor sem framleiddur var með MGG sem rafskaut sýndi flutningsgetu >90% og hélt 60% af upprunalegu straumafköstum sínum við 120% álag (samhliða stefnu hleðsluflutnings).Þessir afar teygjanlegu og gegnsæju kolefnistransistorar gætu gert háþróaða teygjanlega sjónræna rafeindatækni.
Teygjanleg gagnsæ rafeindatækni er vaxandi svið sem hefur mikilvæga notkun í háþróuðum lífsamþættum kerfum (1, 2) sem og möguleika á að samþættast við teygjanlega sjónræna rafeindatækni (3, 4) til að framleiða háþróuð mjúk vélfærafræði og skjái.Grafen sýnir mjög eftirsóknarverða eiginleika atómþykktar, mikils gagnsæis og mikillar leiðni, en innleiðing þess í teygjanlegum forritum hefur verið hindrað af tilhneigingu þess til að sprunga við litla stofna.Að sigrast á vélrænni takmörkunum grafens gæti gert nýja virkni í teygjanlegum gagnsæjum tækjum kleift.
Einstakir eiginleikar grafens gera það að sterkum frambjóðanda fyrir næstu kynslóð gagnsæra leiðandi rafskauta (5, 6).Í samanburði við algengasta gagnsæja leiðarann, indíum tinoxíð [ITO;100 ohm/fermetra (sq) við 90% gagnsæi ], einlaga grafen sem ræktað er með efnagufuútfellingu (CVD) hefur svipaða blöndu af lakviðnám (125 ohm/sq) og gagnsæi (97,4%) (5).Að auki hafa grafenfilmur óvenjulegan sveigjanleika miðað við ITO (7).Til dæmis, á undirlagi úr plasti, er hægt að halda leiðni þess jafnvel fyrir beygjuradíus allt að 0,8 mm (8).Til að auka enn frekar rafmagnsgetu sína sem gagnsæjan sveigjanlegan leiðara, hafa fyrri verk þróað grafenblönduð efni með einvíðum (1D) silfur nanóvírum eða kolefni nanórörum (CNT) (9–11).Þar að auki hefur grafen verið notað sem rafskaut fyrir blandaða víddar heterostructural hálfleiðara (eins og 2D magn Si, 1D nanóvíra/nanorör og 0D skammtapunkta) (12), sveigjanlega smára, sólarsellur og ljósdíóða (LED) (13 –23).
Þrátt fyrir að grafen hafi sýnt efnilegar niðurstöður fyrir sveigjanlega rafeindatækni, hefur notkun þess í teygjanlegum rafeindatækni verið takmörkuð af vélrænni eiginleikum þess (17, 24, 25);grafen hefur stífleika í planinu 340 N/m og Young's stuðullinn 0,5 TPa ( 26).Sterka kolefnis-kolefnisnetið veitir engum orkudreifingaraðferðum fyrir beitt álag og sprungur því auðveldlega við minna en 5% álag.Til dæmis, CVD grafen flutt á pólýdímetýlsíloxan (PDMS) teygjanlegt hvarfefni getur aðeins viðhaldið leiðni þess við minna en 6% álag (8).Fræðilegir útreikningar sýna að krumpun og samspil mismunandi laga ætti að draga verulega úr stífleikanum (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 sýnir viðnámsbreytingu 13 sinnum minni en einlags grafen (27).Hins vegar er þessi teygjanleiki enn verulega lakari en nýjustu teygjanlegu leiðarana (28, 29).
Smári eru mikilvægir í teygjanlegum forritum vegna þess að þeir gera háþróaða skynjaraútlestur og merkjagreiningu (30, 31).Smári á PDMS með marglaga grafeni sem uppspretta/rennslis rafskaut og rásarefni geta viðhaldið rafvirkni allt að 5% álagi (32), sem er töluvert undir lágmarksgildinu sem krafist er (~50%) fyrir klæðalega heilsueftirlitsskynjara og rafræna húð ( 33, 34).Nýlega hefur grafen kirigami nálgun verið könnuð og hægt er að teygja smára sem er lokaður af fljótandi raflausn upp í allt að 240% (35).Hins vegar, þessi aðferð krefst sviflausnar grafen, sem flækir framleiðsluferlið.
Hér náum við fram mjög teygjanlegum grafentækjum með því að flétta grafenskrollum (~1 til 20 μm að lengd, ~0,1 til 1 μm á breidd og ~10 til 100 nm á hæð) á milli grafenlaga.Við gerum þá tilgátu að þessar grafenskrúllur gætu veitt leiðandi leiðir til að brúa sprungur í grafenblöðunum og þannig viðhaldið mikilli leiðni við álag.Grafen rollurnar þurfa ekki frekari myndun eða vinnslu;þau myndast náttúrulega við blautflutningsferlið.Með því að nota marglaga G/G (grafen/grafen) spuna (MGG) grafen teygjanlegar rafskaut (source/drain og gate) og hálfleiðandi CNT, gátum við sýnt fram á mjög gagnsæja og mjög teygjanlega alkolefnis smára, sem hægt er að teygja upp í 120 % álag (samsíða stefnu hleðsluflutnings) og halda 60% af upprunalegu straumafköstum þeirra.Þetta er teygjanlegasti gagnsæi kolefnisbundinn smári hingað til og hann gefur nægan straum til að knýja ólífræna LED.
Til að gera gagnsæjar teygjanlegar grafen rafskautar á stóru svæði völdum við CVD-ræktað grafen á Cu filmu.Cu filman var hengd upp í miðju CVD kvars rör til að leyfa vöxt grafen á báðum hliðum og myndaði G/Cu/G mannvirki.Til að flytja grafen, spunnum við fyrst þunnt lag af pólý(metýlmetakrýlati) (PMMA) til að vernda aðra hlið grafensins, sem við nefndum grafen að ofan (öfugt fyrir hina hlið grafensins), og í kjölfarið, öll filman (PMMA/efri grafen/Cu/neðsta grafen) var bleytt í (NH4)2S2O8 lausn til að eta Cu filmuna í burtu.Grafen á botnhliðinni án PMMA-húðarinnar mun óhjákvæmilega hafa sprungur og galla sem leyfa etsefni að komast í gegnum (36, 37).Eins og sýnt er á mynd 1A, undir áhrifum yfirborðsspennu, rúlluðu losuðu grafenlénin upp í rúllur og festust síðan á topp-G/PMMA filmuna sem eftir var.Hægt var að flytja efstu G/G rúllurnar á hvaða undirlag sem er, eins og SiO2/Si, gler eða mjúka fjölliða.Að endurtaka þetta flutningsferli nokkrum sinnum á sama undirlagið gefur MGG mannvirki.
(A) Skýringarmynd af framleiðsluferlinu fyrir MGG sem teygjanlegt rafskaut.Við grafenflutninginn var grafen að aftan á Cu filmu brotið við mörk og galla, rúllað upp í handahófskennd form og þétt fest á efri filmurnar og myndað nanóskrúllur.Fjórða teiknimyndin sýnir staflaða MGG uppbygginguna.(B og C) TEM einkenni í háum upplausn á einlags MGG, með áherslu á einlags grafen (B) og fletta (C) svæði, í sömu röð.Innfelling (B) er mynd með lítilli stækkun sem sýnir heildarformgerð einlaga MGGs á TEM ristinni.Innskot (C) eru styrkleikasniðin sem tekin eru meðfram rétthyrndu kössunum sem sýndar eru á myndinni, þar sem fjarlægðin milli atómplananna er 0,34 og 0,41 nm.(D ) Kolefnis K-brún EEL litróf með einkennandi grafítísku π* og σ* toppunum merktum.(E) Sectional AFM mynd af einlags G/G rúllum með hæðarsniði meðfram gulu punktalínu.(F til I) Sjónsmásjá og AFM myndir af þrílags G án (F og H) og með flettum (G og I) á 300 nm þykkt SiO2/Si hvarfefni, í sömu röð.Fulltrúar rollur og hrukkur voru merktar til að draga fram muninn á þeim.
Til að sannreyna að rollurnar séu í eðli sínu rúlluðu grafeni, gerðum við háupplausnar rafeindasmásjárrannsóknir (TEM) og rafeindaorkutaps (EEL) litrófsrannsóknir á einlags efstu G/G skrúfbyggingunum.Mynd 1B sýnir sexhyrndu uppbyggingu einlaga grafens og innfellingin er heildarformgerð kvikmyndarinnar sem er þakin á einni kolefnisholu TEM ristarinnar.Einlaga grafen spannar megnið af ristinni og nokkrar grafenflögur í viðurvist margra stafla af sexhyrndum hringjum birtast (mynd 1B).Með því að þysja inn í einstaka flettu (mynd 1C) sáum við mikið magn af grafengrindarbrúnum, með grindarbilinu á bilinu 0,34 til 0,41 nm.Þessar mælingar benda til þess að flögurnar séu rúllaðar upp af handahófi og séu ekki fullkomið grafít, sem hefur grindarbilið 0,34 nm í „ABAB“ lagastöflun.Mynd 1D sýnir kolefnis K-brún EEL litrófið, þar sem toppurinn við 285 eV kemur frá π* sporbrautinni og hinn um 290 eV er vegna umbreytingar σ* sporbrautarinnar.Það má sjá að sp2 tenging er allsráðandi í þessari uppbyggingu, sem sannreynir að rollurnar eru mjög grafítískar.
Ljóssmásjármyndir og atómaflssmásjármyndir (AFM) veita innsýn í dreifingu grafen nanóskrolla í MGG (mynd 1, E til G og myndir S1 og S2).Skrollunum er dreift af handahófi yfir yfirborðið og þéttleiki þeirra í flugvélinni eykst hlutfallslega við fjölda staflaðra laga.Margar rollur eru flæktar í hnúta og sýna ójafna hæð á bilinu 10 til 100 nm.Þeir eru 1 til 20 μm á lengd og 0,1 til 1 μm á breidd, allt eftir stærð upphaflegra grafenflaga.Eins og sést á mynd 1 (H og I), eru rullurnar verulega stærri en hrukkurnar, sem leiðir til mun grófara viðmóts á milli grafenlaga.
Til að mæla rafeiginleikana, mynstruðum við grafenfilmur með eða án skrúfbygginga og staflað lag í 300 μm breiðar og 2000 μm langar ræmur með ljóslithography.Tveggja rannsaka viðnám sem fall af álagi var mæld við umhverfisaðstæður.Tilvist rulla minnkaði viðnám fyrir einlags grafen um 80% með aðeins 2,2% lækkun á sendingu (mynd S4).Þetta staðfestir að nanóskrollur, sem hafa mikinn straumþéttleika allt að 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), leggja mjög jákvætt rafmagnsframlag til MGG.Meðal allra ein-, tví- og þrílaga látlausra grafena og MGG hefur þrílaga MGG bestu leiðni með gagnsæi upp á næstum 90%.Til að bera saman við aðrar uppsprettur grafen sem greint er frá í bókmenntum, mældum við einnig fjögurra rannsaka lak viðnám (mynd S5) og skráð þau sem fall af sendingu við 550 nm (mynd S6) á mynd 2A.MGG sýnir sambærilega eða meiri leiðni og gagnsæi en tilbúnar staflað marglaga látlaust grafen og minnkað grafenoxíð (RGO) (6, 8, 18).Athugaðu að lakviðnám tilbúið staflaðs marglaga látlaust grafen úr bókmenntum er aðeins hærri en MGG okkar, líklega vegna óhagkvæmra vaxtarskilyrða og flutningsaðferðar.
(A) Fjögurra rannsaka lak viðnám á móti sendingu við 550 nm fyrir nokkrar gerðir af grafeni, þar sem svartir ferningar tákna ein-, tví- og þrílaga MGG;rauðir hringir og bláir þríhyrningar samsvara marglaga látlausu grafeni sem ræktað er á Cu og Ni úr rannsóknum Li o.fl.(6) og Kim o.fl.(8), í sömu röð, og síðan flutt á SiO2/Si eða kvars;og grænir þríhyrningar eru gildi fyrir RGO í mismunandi afoxunargráðum frá rannsókn Bonaccorso o.fl.(18).(B og C) Stöðluð viðnámsbreyting á ein-, tví- og þrílaga MGG og G sem fall af hornréttri (B) og samhliða (C) álagi á stefnu straumflæðisins.(D) Venjuleg viðnámsbreyting á tvílagi G (rauður) og MGG (svartur) við hringlaga álagshleðslu allt að 50% hornrétta álag.(E) Venjuleg viðnámsbreyting þriggja laga G (rauðs) og MGG (svört) við hringlaga álagshleðslu allt að 90% samhliða álagi.(F) Venjuleg rýmd breyting á ein-, tví- og þrílaga G og tví- og þrílaga MGG sem virkni álags.Innfellingin er þéttabyggingin, þar sem fjölliða hvarfefnið er SEBS og fjölliða dilectric lagið er 2-μm þykkt SEBS.
Til að meta álagsháða frammistöðu MGG, fluttum við grafen yfir á hitaþjálu elastómer stýren-etýlen-bútadíen-stýren (SEBS) hvarfefni (~2 cm á breidd og ~5 cm að lengd), og leiðni var mæld þegar undirlagið var strekkt (sjá Efni og aðferðir) bæði hornrétt og samsíða stefnu straumstreymis (Mynd 2, B og C).Álagsháð rafhegðun batnaði með innlimun nanóskrolls og auknum fjölda grafenlaga.Til dæmis, þegar álag er hornrétt á straumflæði, fyrir einlags grafen, jók álagið við rafmagnsrof úr 5 í 70% þegar álagið var bætt við.Álagsþol þrílaga grafensins er einnig verulega bætt samanborið við einlaga grafenið.Með nanóskrollum, við 100% hornrétta álag, jókst viðnám þriggja laga MGG uppbyggingarinnar aðeins um 50%, samanborið við 300% fyrir þrílaga grafen án rulla.Viðnámsbreyting við hringrásarálag var rannsökuð.Til samanburðar (mynd 2D), jókst viðnám látlausrar tvílags grafenfilmu um 7,5 sinnum eftir ~700 lotur við 50% hornrétt álag og hélt áfram að aukast með álagi í hverri lotu.Á hinn bóginn jókst viðnám tvílags MGG aðeins um 2,5 sinnum eftir ~700 lotur.Með því að beita allt að 90% álagi meðfram samhliða stefnu jókst viðnám þrílaga grafen ~100 sinnum eftir 1000 lotur, en það er aðeins ~8 sinnum í þrílaga MGG (mynd 2E).Niðurstöður hjólreiða eru sýndar á mynd.S7.Tiltölulega hraðari aukning á viðnám meðfram samhliða álagsstefnu er vegna þess að stefna sprungna er hornrétt á stefnu núverandi flæðis.Frávik viðnáms við hleðslu og losun álags stafar af seigjuteygjanlegri endurheimt SEBS teygjanlegs hvarfefnis.Stöðugari mótspyrna MGG ræmanna meðan á hjólreiðum stendur er vegna nærveru stórra skrúfa sem geta brúað sprungna hluta grafensins (eins og AFM sá um), sem hjálpar til við að viðhalda sígandi ferli.Greint hefur verið frá þessu fyrirbæri að viðhalda leiðni með perkótunarferli áður fyrir sprungna málm- eða hálfleiðarafilma á hvarfefni teygju (40, 41).
Til að meta þessar grafen-undirstaða filmur sem hliðarskaut í teygjanlegum tækjum, huldum við grafenlagið með SEBS-rafmagnislagi (2 μm þykkt) og fylgjumst með rafrýmdinni sem fall af álagi (sjá mynd 2F og viðbótarefni fyrir upplýsingar).Við sáum að rafrýmd með einföldum einlags og tvílags grafen rafskautum minnkaði fljótt vegna taps á leiðni grafens í flugvélinni.Aftur á móti sýndu rýmd sem hlífðar eru af MGGs sem og venjulegu þrílaga grafeni aukningu á rýmd með álagi, sem búist er við vegna minnkunar á rafþykkt með álagi.Væntanleg aukning á rýmd passaði mjög vel við MGG uppbyggingu (mynd S8).Þetta gefur til kynna að MGG henti sem hliðarskaut fyrir teygjanlega smára.
Til að kanna frekar hlutverk 1D grafenskrúlunnar á álagsþol rafleiðni og stjórna betur aðskilnaði á milli grafenlaga, notuðum við úðahúðaðar CNTs til að skipta um grafenskrúllur (sjá viðbótarefni).Til að líkja eftir MGG mannvirkjum lögðum við inn þrjá þéttleika CNTs (það er CNT1
(A til C) AFM myndir af þremur mismunandi þéttleika CNTs (CNT1
Til að skilja frekar getu þeirra sem rafskaut fyrir teygjanlega rafeindatækni, rannsökuðum við kerfisbundið formgerð MGG og G-CNT-G undir álagi.Sjónsmásjá og skönnun rafeindasmásjár (SEM) eru ekki árangursríkar lýsingaraðferðir vegna þess að bæði skortir litaskil og SEM er háð myndgripum við rafeindaskönnun þegar grafen er á fjölliða hvarfefni (mynd S9 og S10).Til að fylgjast með grafenyfirborðinu undir álagi á staðnum, söfnuðum við AFM mælingum á þrílaga MGG og venjulegu grafeni eftir að hafa verið flutt yfir á mjög þunnt (~0,1 mm þykkt) og teygjanlegt SEBS undirlag.Vegna innri galla í CVD grafeni og ytri skaða við flutningsferlið myndast óhjákvæmilega sprungur á þvingaða grafeninu og með aukinni álagi urðu sprungurnar þéttari (Mynd 4, A til D).Það fer eftir stöflun uppbyggingu rafskauta sem byggja á kolefni, sprungurnar sýna mismunandi formgerð (mynd S11) (27).Sprungusvæðisþéttleiki (skilgreint sem sprungusvæði/greint svæði) marglaga grafens er minni en einlags grafens eftir álag, sem er í samræmi við aukningu á rafleiðni fyrir MGG.Á hinn bóginn sést oft að rollur brúa sprungurnar, sem veita frekari leiðandi brautir í þvinguðu filmunni.Til dæmis, eins og merkt er á myndinni á mynd 4B, fór breiður rolla yfir sprungu í þrílags MGG, en engin rolla sást í látlausu grafeninu (mynd 4, E til H).Á sama hátt brúuðu CNT sprungurnar í grafeni (mynd S11).Sprungusvæðisþéttleiki, þéttleiki rúðusvæðis og grófleiki kvikmyndanna eru teknar saman á mynd 4K.
(A til H) AFM myndir á staðnum af þrílags G/G blöðum (A til D) og þrílaga G byggingu (E til H) á mjög þunnri SEBS (~0,1 mm þykkt) teygju við 0, 20, 60 og 100 % álag.Fulltrúar sprungur og rollur eru bentar með örvum.Allar AFM myndirnar eru á svæði sem er 15 μm × 15 μm, með sömu litakvarða og merkt.(I) Eftirlíking rúmfræði munstraðra einlaga grafen rafskauta á SEBS undirlaginu.(J) Uppgerð útlínukort af hámarks meginlogarithmic stofni í einlags grafeni og SEBS undirlagi við 20% ytri álag.(K) Samanburður á þéttleika sprungusvæðis (rauður dálkur), þéttleiki flettarsvæðis (gulur dálkur) og yfirborðsgrófleika (blá dálkur) fyrir mismunandi grafenbyggingar.
Þegar MGG filmurnar eru teygðar er mikilvægur viðbótarbúnaður sem gerir það að verkum að rullurnar geta brúað sprungna svæði grafen, viðhaldið sígandi neti.Grafenrollurnar lofa góðu því þær geta verið tugir míkrómetra að lengd og geta því brúað sprungur sem eru venjulega allt að míkrómetra mælikvarða.Ennfremur, vegna þess að rollurnar samanstanda af fjöllögum af grafeni, er búist við að þær hafi litla viðnám.Til samanburðar er þörf á tiltölulega þéttum (lægri sendingu) CNT netkerfum til að veita sambærilega leiðandi brúargetu, þar sem CNT eru minni (venjulega nokkrir míkrómetrar á lengd) og minna leiðandi en rollur.Á hinn bóginn, eins og sýnt er á mynd.S12, á meðan grafenið sprungur við teygjur til að mæta álagi, þá sprunga þær ekki, sem gefur til kynna að það síðarnefnda gæti verið að renna á undirliggjandi grafen.Ástæðan fyrir því að þeir sprunga ekki er líklega vegna upprúllaðrar uppbyggingar, sem samanstendur af mörgum lögum af grafeni (~1 til 2 0 μm á lengd, ~0,1 til 1 μm á breidd og ~10 til 100 nm há), sem hefur hærri virknistuðull en einlags grafen.Eins og greint var frá af Green og Hersam (42), geta CNT netkerfi úr málmi (rörþvermál 1,0 nm) náð lágu viðnámi við plötu <100 ohm/sq þrátt fyrir mikla mótstöðuviðnám milli CNTs.Með hliðsjón af því að grafenskrollurnar okkar hafa breidd frá 0,1 til 1 μm og að G/G rullurnar hafa miklu stærri snertiflötur en CNTs, ættu snertiviðnám og snertiflötur milli grafen- og grafenrulla ekki að vera takmarkandi þættir til að viðhalda mikilli leiðni.
Grafenið hefur mun hærri stuðul en SEBS undirlagið.Þrátt fyrir að virk þykkt grafen rafskautsins sé mun lægri en undirlagsins, er stífleiki grafensins sinnum þykkt þess sambærilegur við undirlagið (43, 44), sem hefur í för með sér hóflega stífa eyjaáhrif.Við líktum eftir aflögun 1-nm þykkt grafen á SEBS undirlagi (sjá viðbótarefni fyrir frekari upplýsingar).Samkvæmt niðurstöðum hermisins, þegar 20% álag er beitt á SEBS undirlagið að utan, er meðalálagið í grafeninu ~6,6% (Mynd 4J og mynd S13D), sem er í samræmi við tilraunaathuganir (sjá mynd S13). .Við bárum saman stofninn á mynstraðri grafen- og hvarfefnissvæðum með ljóssmásjá og fundum að stofninn á undirlagssvæðinu væri að minnsta kosti tvöfalt meiri en stofninn á grafensvæðinu.Þetta gefur til kynna að álagið sem beitt er á grafen rafskautamynstur gæti verið verulega takmarkað og myndað grafen stífar eyjar ofan á SEBS (26, 43, 44).
Þess vegna er hæfni MGG rafskauta til að viðhalda mikilli leiðni við mikla álag líklega virkjuð með tveimur helstu aðferðum: (i) Skrúfurnar geta brúað ótengd svæði til að viðhalda leiðandi gegnumflæðisleið og (ii) marglaga grafenplöturnar/teygjurnar geta runnið til. yfir hvort annað, sem leiðir til minni álags á grafen rafskaut.Fyrir mörg lög af yfirfærðu grafeni á elastómer eru lögin ekki sterklega tengd við hvert annað, sem getur runnið til að bregðast við álagi (27).Skrollurnar jók einnig grófleika grafenlaganna, sem getur hjálpað til við að auka aðskilnað milli grafenlaga og gerir því kleift að renna grafenlaganna.
All-kolefni tæki eru ákefð stunduð vegna lágs kostnaðar og mikil afköst.Í okkar tilviki, voru all-kolefni smári framleiddir með því að nota grafenhlið, efsta grafenuppsprettu/rennslissamband, flokkaðan CNT hálfleiðara og SEBS sem rafeindabúnað (mynd 5A).Eins og sýnt er á mynd 5B, er allt kolefnistæki með CNT sem uppsprettu/rennsli og hlið (neðsta tækið) ógagnsærra en tækið með grafen rafskautum (efsta tæki).Þetta er vegna þess að CNT net krefjast stærri þykktar og þar af leiðandi lægri ljósgeislun til að ná lakviðnám svipað og grafen (mynd S4).Mynd 5 (C og D) sýnir dæmigerða flutnings- og úttaksferla fyrir álag fyrir smára sem er gerður með tvílaga MGG rafskautum.Rásbreidd og lengd óspennta smárasins voru 800 og 100 μm, í sömu röð.Mælt á/slökkt hlutfall er hærra en 103 með á og af straumum á stigi 10−5 og 10−8 A, í sömu röð.Framleiðsluferillinn sýnir hugsjón línuleg og mettunarkerfi með skýrum hliðarspennuháð, sem gefur til kynna fullkomna snertingu milli CNTs og grafen rafskauta (45).Snertiviðnám grafen rafskauta var lægra en með uppgufðri Au filmu (sjá mynd S14).Mettunarhreyfanleiki teygjanlega smárasins er um 5,6 cm2/Vs, svipað og sömu fjölliðaflokkaðra CNT smára á stífu Si hvarfefni með 300 nm SiO2 sem díelektrískt lag.Frekari framför í hreyfanleika er möguleg með bjartsýni rörþéttleika og annarra gerða röra (46).
(A) Áætlun um grafen-undirstaða teygjanlega smári.SWNT, einveggja kolefnis nanórör.(B) Mynd af teygjanlegum smára úr grafen rafskautum (efst) og CNT rafskautum (neðst).Munurinn á gagnsæi er greinilega áberandi.(C og D) Flutnings- og úttaksferlar grafen-undirstaða smára á SEBS fyrir álag.(E og F) Flutningsferlar, kveikt og slökkt straumur, kveikt/slökkt hlutfall og hreyfanleiki smára sem byggir á grafeni við mismunandi stofna.
Þegar gagnsæi, alkolefnisbúnaðurinn var teygður í áttina samhliða hleðsluflutningsstefnu, sást lágmarks niðurbrot allt að 120% álags.Við teygjur minnkaði hreyfigetan stöðugt úr 5,6 cm2/Vs við 0% álag í 2,5 cm2/Vs við 120% álag (Mynd 5F).Við bárum einnig saman frammistöðu smára fyrir mismunandi rásarlengdir (sjá töflu S1).Sérstaklega, við allt að 105% álag, sýndu allir þessir smári enn hátt kveikt/slökkt hlutfall (>103) og hreyfanleika (>3 cm2/Vs).Að auki tókum við saman alla nýlega vinnu á kolefnistransistrum (sjá töflu S2) (47–52).Með því að hámarka framleiðslu tækja á elastómerum og nota MGG sem tengiliði, sýna alkolefnistransistar okkar góða frammistöðu hvað varðar hreyfanleika og hysteresis auk þess að vera mjög teygjanlegir.
Sem notkun á fullkomlega gagnsæja og teygjanlega smáranum, notuðum við hann til að stjórna rofi ljósdíóða (Mynd 6A).Eins og sýnt er á mynd 6B, sést græna LED greinilega í gegnum teygjanlega kolefnisbúnaðinn beint fyrir ofan.Þó að teygja sig í ~100% (mynd 6, C og D), breytist ljósstyrkur LED ekki, sem er í samræmi við frammistöðu smára sem lýst er hér að ofan (sjá kvikmynd S1).Þetta er fyrsta skýrslan um teygjanlegar stýrieiningar sem gerðar eru með grafen rafskautum, sem sýnir nýjan möguleika fyrir grafen teygjanlega rafeindatækni.
(A) Hringrás smára til að knýja LED.GND, jörð.(B) Mynd af teygjanlegum og gagnsæjum kolefnistransistorum við 0% álag sem er festur fyrir ofan græna LED.(C) Verið er að setja upp alkolefnis gagnsæja og teygjanlega smárinn sem notaður er til að skipta um LED fyrir ofan LED við 0% (vinstri) og ~100% álag (hægri).Hvítar örvar vísa sem gulu merkin á tækinu til að sýna fjarlægðarbreytinguna sem er teygð.(D) Hliðarsýn af teygða smáranum, með LED ýtt inn í teygjuna.
Að lokum höfum við þróað gegnsætt leiðandi grafenbygging sem viðheldur mikilli leiðni við miklar álags sem teygjanlegar rafskaut, virkjuð með grafen nanóskrollum á milli staflaðra grafenlaga.Þessar tví- og þriggja laga MGG rafskautsbyggingar á teygju geta viðhaldið 21 og 65%, í sömu röð, af 0% álagsleiðni sinni við álag sem er allt að 100%, samanborið við algjört tap á leiðni við 5% álag fyrir dæmigerð einlaga grafen rafskaut. .Viðbótarleiðnileiðir grafenskrolls sem og veik víxlverkun milli yfirfærðu laganna stuðla að betri leiðnistöðugleika við álag.Við notuðum enn frekar þessa grafenbyggingu til að búa til teygjanlega smára úr öllu kolefni.Hingað til er þetta teygjanlegasti smári sem byggir á grafeni með besta gagnsæi án þess að nota beygju.Þrátt fyrir að þessi rannsókn hafi verið gerð til að gera grafen kleift fyrir teygjanlega rafeindatækni, teljum við að hægt sé að útvíkka þessa nálgun til annarra 2D efni til að gera teygjanlega 2D rafeindatækni kleift.
CVD grafen með stóru svæði var ræktað á niðurfelldum Cu-þynnum (99,999%; Alfa Aesar) við stöðugan þrýsting upp á 0,5 mtorr með 50–SCCM (venjulegur rúmsentimetra á mínútu) CH4 og 20–SCCM H2 sem forefni við 1000°C.Báðar hliðar Cu-þynnunnar voru þaknar einlags grafeni.Þunnt lag af PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) var snúningshúðað á annarri hlið Cu filmunnar og myndaði PMMA/G/Cu filmu/G uppbyggingu.í kjölfarið var öll kvikmyndin lögð í bleyti í 0,1 M ammoníumpersúlfat [(NH4)2S2O8] lausn í um það bil 2 klukkustundir til að æta Cu filmuna í burtu.Í þessu ferli rifnaði óvarið grafen á bakhliðinni fyrst meðfram kornamörkunum og rúllaði síðan upp í rúllur vegna yfirborðsspennu.Skrollurnar voru festar á PMMA-studda efri grafenfilmuna og mynduðu PMMA/G/G rullur.Filmurnar voru síðan þvegnar í afjónuðu vatni nokkrum sinnum og lagðar á mark undirlag, svo sem stíft SiO2/Si eða plast undirlag.Um leið og meðfylgjandi filman þornaði á undirlaginu var sýnishornið í röð bleytt í asetoni, 1:1 asetoni/IPA (ísóprópýlalkóhól) og IPA í 30 sek. hvor til að fjarlægja PMMA.Filmurnar voru hitaðar við 100°C í 15 mínútur eða hafðar í lofttæmi yfir nótt til að fjarlægja fasta vatnið alveg áður en annað lag af G/G rúllu var flutt á það.Þetta skref var til að forðast losun grafenfilmu frá undirlaginu og tryggja fulla þekju MGGs meðan á losun PMMA burðarlags stendur.
Formgerð MGG-byggingarinnar var skoðuð með ljóssmásjá (Leica) og skanna rafeindasmásjá (1 kV; FEI).Atómaflssmásjá (Nanoscope III, Digital Instrument) var virkjuð í snertiham til að fylgjast með smáatriðum G-rullunnar.Gagnsæi kvikmyndarinnar var prófuð með útfjólubláum litrófsmæli (Agilent Cary 6000i).Fyrir prófin þegar álagið var meðfram hornréttri stefnu straumflæðis, voru ljóslithography og O2 plasma notuð til að mynstur grafenbyggingar í ræmur (~300 µm breiðar og ~2000 µm langar), og Au (50 nm) rafskaut voru varmasett með því að nota skuggagrímur á báðum endum langhliðarinnar.Grafen ræmurnar voru síðan settar í snertingu við SEBS teygju (~2 cm á breidd og ~5 cm að lengd), með langás ræmanna samsíða skammhlið SEBS og síðan BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O) 1:6) ætingu og eutectic gallium indium (EGaIn) sem rafmagnstengiliðir.Fyrir samhliða álagsprófanir voru ómynstraðar grafenbyggingar (~5 × 10 mm) fluttar á SEBS undirlag, með langa ása samsíða langhlið SEBS undirlagsins.Í báðum tilfellum var allt G (án G rulla)/SEBS strekkt meðfram langhlið teygjunnar í handvirku tæki og á staðnum mældum við viðnámsbreytingar þeirra undir álagi á rannsakastöð með hálfleiðara greiningartæki (Keithley 4200) -SCS).
Mjög teygjanlegir og gagnsæir alkolefnistransistorar á teygjanlegu undirlagi voru framleiddir með eftirfarandi aðferðum til að koma í veg fyrir skemmdir á lífrænum leysiefnum á fjölliða rafefninu og undirlaginu.MGG mannvirki voru flutt yfir á SEBS sem hliðarskaut.Til að fá samræmda þunnfilmu fjölliða díelektrískt lag (2 μm þykkt), var SEBS tólúen (80 mg/ml) lausn spunahúðuð á oktadecýltríklórsílan (OTS)-breytt SiO2/Si hvarfefni við 1000 rpm í 1 mín.Auðvelt er að flytja þunnu dielektríska filmuna frá vatnsfælna OTS yfirborðinu yfir á SEBS undirlagið sem er þakið grafeninu eins og það var útbúið.Þétti væri hægt að búa til með því að setja fljótandi málm (EGaIn; Sigma-Aldrich) efst rafskaut til að ákvarða rýmd sem fall af álagi með því að nota LCR (inductance, capacitance, resistance) metra (Agilent).Hinn hluti smárasins samanstóð af fjölliða-flokkuðum hálfleiðurum CNT, samkvæmt aðferðum sem áður var greint frá (53).Mynstraða uppspretta/rennslisrafskautin voru framleidd á stífu SiO2/Si hvarfefni.Í kjölfarið voru hlutarnir tveir, raforku/G/SEBS og CNTs/mynstraður G/SiO2/Si, lagskipt við hvor annan og liggja í bleyti í BOE til að fjarlægja stífa SiO2/Si undirlagið.Þannig voru fullkomlega gagnsæir og teygjanlegir smári framleiddir.Rafmagnsprófunin undir álagi var gerð á handvirkri teygjuuppsetningu eins og áðurnefnd aðferð.
Viðbótarefni fyrir þessa grein er fáanlegt á http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
mynd.S1.Ljóssmásjármyndir af einlags MGG á SiO2/Si hvarfefnum í mismunandi stækkunum.
mynd.S4.Samanburður á viðnámum og straumhvörfum við tveggja rannsaka plötur @550 nm af ein-, tví- og þrílaga látlausu grafeni (svörtum ferningum), MGG (rauða hringi) og CNT (bláum þríhyrningi).
mynd.S7.Stöðluð viðnámsbreyting á ein- og tvílaga MGG (svörtum) og G (rauðu) undir ~1000 hringlaga álagshleðslu allt að 40 og 90% samhliða álagi, í sömu röð.
mynd.S10.SEM mynd af þrílaga MGG á SEBS teygju eftir tognun, sem sýnir langan fletishross yfir nokkrar sprungur.
mynd.S12.AFM mynd af þrílaga MGG á mjög þunnu SEBS teygjuefni við 20% álag, sem sýnir að rolla fór yfir sprungu.
töflu S1.Hreyfanleiki tvílaga MGG-einveggs kolefnis nanórör smára við mismunandi rásarlengdir fyrir og eftir álag.
Þetta er grein með opnum aðgangi sem dreift er samkvæmt skilmálum Creative Commons Attribution-NonCommercial leyfisins, sem leyfir notkun, dreifingu og fjölföldun á hvaða miðli sem er, svo framarlega sem notkunin er ekki í viðskiptalegum ávinningi og að því tilskildu að upprunalega verkið sé rétt. vitnað til.
ATH: Við biðjum aðeins um netfangið þitt svo að sá sem þú mælir með síðunni viti að þú vildir að hann sæi hana og að þetta sé ekki ruslpóstur.Við tökum ekki upp neitt netfang.
Þessi spurning er til að prófa hvort þú sért mannlegur gestur 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-jan-2021