Qrafen kimi ikiölçülü materiallar həm ənənəvi yarımkeçirici tətbiqlər, həm də çevik elektronikada yeni tətbiqlər üçün cəlbedicidir. Lakin, qrafenin yüksək dartılma gücü aşağı gərginlikdə qırılmaya səbəb olur və bu da onun qeyri-adi elektron xüsusiyyətlərindən dartılan elektronikada istifadə etməyi çətinləşdirir. Şəffaf qrafen keçiricilərinin gərginliyə bağlı əla performansını təmin etmək üçün yığılmış qrafen təbəqələri arasında çoxqatlı qrafen/qrafen rulonları (MGG) adlandırılan qrafen nanosurraları yaratdıq. Gərginlik altında bəzi rulonlar yüksək gərginliklərdə əla keçiriciliyə imkan verən perkolyasiya şəbəkəsini qorumaq üçün qrafenin parçalanmış sahələrini körpüləşdirdi. Elastomerlər üzərində dəstəklənən üçqatlı MGG-lər cərəyan axınının istiqamətinə perpendikulyar olan 100% gərginlikdə orijinal keçiriciliyinin 65%-ni saxladı, nanosurraları olmayan qrafenin üçqatlı filmləri isə başlanğıc keçiriciliyinin yalnız 25%-ni saxladı. MGG-lərdən elektrod kimi istifadə edilərək hazırlanmış dartılan karbondan ibarət tranzistor, >90% keçiricilik nümayiş etdirmiş və orijinal cərəyan çıxışının 60%-ni 120% gərginlikdə (yük daşınma istiqamətinə paralel) saxlamışdır. Bu yüksək dartılan və şəffaf karbondan ibarət tranzistorlar mürəkkəb dartılan optoelektronikaya imkan verə bilər.
Dartıla bilən şəffaf elektronika, inkişaf etmiş biointeqrasiya olunmuş sistemlərdə mühüm tətbiqlərə (1, 2), eləcə də mürəkkəb yumşaq robototexnika və displeylər istehsal etmək üçün dartıla bilən optoelektronika ilə inteqrasiya potensialına (3, 4) malik böyüyən bir sahədir. Qrafen atom qalınlığı, yüksək şəffaflıq və yüksək keçiricilik kimi yüksək dərəcədə arzuolunan xüsusiyyətlərə malikdir, lakin dartıla bilən tətbiqlərdə tətbiqi kiçik gərginliklərdə çatlamağa meylli olması səbəbindən ləngimişdir. Qrafenin mexaniki məhdudiyyətlərini aradan qaldırmaq dartıla bilən şəffaf cihazlarda yeni funksionallıq yarada bilər.
Qrafenin unikal xüsusiyyətləri onu növbəti nəsil şəffaf keçirici elektrodlar üçün güclü namizəd edir (5, 6). Ən çox istifadə edilən şəffaf keçirici olan indium qalay oksidi ilə müqayisədə [ITO; 90% şəffaflıqda 100 ohm/kvadrat (kvadrat)], kimyəvi buxar çöküntüsü (CVD) ilə yetişdirilən monolaylı qrafen təbəqə müqavimətinin (125 ohm/kvadrat) və şəffaflığın (97,4%) oxşar kombinasiyasına malikdir (5). Bundan əlavə, qrafen filmləri ITO ilə müqayisədə fövqəladə elastikliyə malikdir (7). Məsələn, plastik substratda onun keçiriciliyi hətta 0,8 mm qədər kiçik əyrilik radiusu üçün də saxlanıla bilər (8). Şəffaf çevik keçirici kimi elektrik performansını daha da artırmaq üçün əvvəlki işlər birölçülü (1D) gümüş nanotelləri və ya karbon nanotubları (CNT) olan qrafen hibrid materialları hazırlamışdır (9–11). Bundan əlavə, qrafen qarışıq ölçülü heterostruktur yarımkeçiricilər (məsələn, 2D həcmli Si, 1D nanotellər/nanotüblər və 0D kvant nöqtələri) (12), elastik tranzistorlar, günəş batareyaları və işıq yayan diodlar (LED) üçün elektrod kimi istifadə edilmişdir (13–23).
Qrafen çevik elektronika üçün ümidverici nəticələr göstərsə də, dartılan elektronikada tətbiqi mexaniki xüsusiyyətləri ilə məhdudlaşmışdır (17, 24, 25); qrafenin müstəvi daxili sərtliyi 340 N/m və Yanq modulu 0,5 TPa-dır (26). Güclü karbon-karbon şəbəkəsi tətbiq olunan gərginlik üçün heç bir enerji yayma mexanizmi təmin etmir və buna görə də 5%-dən az gərginlikdə asanlıqla çatlayır. Məsələn, polidimetilsiloksan (PDMS) elastik substratına köçürülmüş CVD qrafeni keçiriciliyini yalnız 6%-dən az gərginlikdə saxlaya bilər (8). Nəzəri hesablamalar göstərir ki, müxtəlif təbəqələr arasında qırışma və qarşılıqlı təsir sərtliyi güclü şəkildə azaldır (26). Qrafenin birdən çox təbəqəyə yığılması ilə bildirilir ki, bu iki və ya üçqatlı qrafen 30% gərginliyə qədər dartına bilir və monoqatlı qrafenin müqavimət dəyişikliyindən 13 dəfə kiçikdir (27). Lakin, bu dartına bilmə qabiliyyəti hələ də müasir dartılan c keçiricilərindən xeyli aşağıdır (28, 29).
Tranzistorlar uzanan tətbiqlərdə vacibdir, çünki onlar mürəkkəb sensor oxuma və siqnal analizini təmin edir (30, 31). Mənbə/axın elektrodları və kanal materialı kimi çoxqatlı qrafen istifadə edən PDMS-dəki tranzistorlar elektrik funksiyasını 5%-ə qədər gərginliyə qədər saxlaya bilər (32), bu da geyilə bilən sağlamlıq monitorinqi sensorları və elektron dəri üçün tələb olunan minimum dəyərdən (~50%) xeyli aşağıdır (33, 34). Bu yaxınlarda qrafen kirigami yanaşması araşdırılmış və maye elektrolitlə bağlanmış tranzistor 240%-ə qədər uzana bilər (35). Lakin bu üsul istehsal prosesini çətinləşdirən asılı qrafen tələb edir.
Burada, qrafen təbəqələri arasında qrafen rulonlarını (~1 ilə 20 μm uzunluğunda, ~0.1 ilə 1 μm enində və ~10 ilə 100 nm hündürlüyündə) birləşdirərək yüksək dərəcədə uzanan qrafen cihazlarına nail oluruq. Biz fərz edirik ki, bu qrafen rulonları qrafen təbəqələrindəki çatları körpüləmək üçün keçirici yollar təmin edə bilər və beləliklə, gərginlik altında yüksək keçiriciliyi qoruyub saxlaya bilər. Qrafen rulonları əlavə sintez və ya emal tələb etmir; onlar təbii olaraq yaş ötürmə proseduru zamanı əmələ gəlir. Çoxqatlı G/G (qrafen/qrafen) rulonlarından (MGG), qrafen uzanan elektrodlardan (mənbə/drenaj və qapı) və yarımkeçirici CNT-lərdən istifadə etməklə, 120% gərginliyə (yük daşınması istiqamətinə paralel) qədər uzana bilən və orijinal cərəyan çıxışının 60%-ni saxlaya bilən yüksək şəffaf və yüksək dərəcədə uzanan tam karbonlu tranzistorlar nümayiş etdirə bildik. Bu, indiyə qədər ən uzanan şəffaf karbon əsaslı tranzistordur və qeyri-üzvi LED-i idarə etmək üçün kifayət qədər cərəyan təmin edir.
Geniş sahəli şəffaf, dartılan qrafen elektrodlarını təmin etmək üçün CVD-də yetişdirilən qrafenləri Cu folqa üzərində seçdik. Cu folqası CVD kvars borusunun mərkəzində asılıb, qrafenin hər iki tərəfdə böyüməsinə imkan verdi və G/Cu/G strukturları əmələ gətirdi. Qrafeni ötürmək üçün əvvəlcə qrafenin bir tərəfini qorumaq üçün nazik bir poli (metil metakrilat) (PMMA) təbəqəsi ilə spinning-örtüklə örtüklədik, biz buna üst tərəf qrafen (qrafenin digər tərəfi üçün əksinə) adını verdik və daha sonra bütün təbəqə (PMMA/üst qrafen/Cu/alt qrafen) Cu folqasını aşındırmaq üçün (NH4)2S2O8 məhlulunda isladıldı. PMMA örtüyü olmayan alt tərəf qrafenində aşındırıcının (36, 37) nüfuz etməsinə imkan verən çatlar və qüsurlar qaçılmaz olaraq olacaq. Şəkil 1A-da göstərildiyi kimi, səth gərginliyinin təsiri altında buraxılan qrafen domenləri rulonlara çevrildi və sonradan qalan üst G/PMMA təbəqəsinə yapışdırıldı. Üst G/G rulonları SiO2/Si, şüşə və ya yumşaq polimer kimi istənilən substrata köçürülə bilər. Bu köçürmə prosesini eyni substrat üzərində bir neçə dəfə təkrarlamaq MGG strukturları verir.
(A) MGG-lərin dartılan elektrod kimi istehsal prosedurunun sxematik təsviri. Qrafen ötürülməsi zamanı Cu folqa üzərindəki arxa qrafen sərhədlərdə və qüsurlarda qırılmış, ixtiyari formalara bükülmüş və yuxarı təbəqələrə möhkəm yapışdırılmış, nanosurətlər əmələ gətirmişdir. Dördüncü cizgi filmi üst-üstə yığılmış MGG strukturunu təsvir edir. (B və C) Monolayer MGG-nin yüksək qətnaməli TEM xarakteristikaları, müvafiq olaraq monolayer qrafeninə (B) və rulon (C) bölgəsinə yönəlmişdir. (B)-nin əlavəsi, TEM şəbəkəsində monolayer MGG-lərin ümumi morfologiyasını göstərən aşağı böyüdücü təsvirdir. (C)-nin əlavələri, atom müstəviləri arasındakı məsafələrin 0,34 və 0,41 nm olduğu şəkildə göstərilən düzbucaqlı qutular boyunca çəkilmiş intensivlik profilləridir. (D) Xarakterik qrafit π* və σ* zirvələri ilə işarələnmiş karbon K-kənarlı EEL spektri. (E) Sarı nöqtəli xətt boyunca hündürlük profili olan monolayer G/G rulonlarının kəsik AFM təsviri. (F-dən I-yə) Müvafiq olaraq 300 nm qalınlığında SiO2/Si substratları üzərində (F və H) olmayan və rulonları (G və I) olan üçqatlı G-nin optik mikroskopiyası və AFM təsvirləri. Fərqlərini vurğulamaq üçün təmsilçi rulonlar və qırışlar etiketləndi.
Sürgülü qrafenlərin təbiətcə bükülmüş qrafen olduğunu yoxlamaq üçün monolayer üst G/G kürgülü strukturları üzərində yüksək qətnaməli ötürmə elektron mikroskopiyası (TEM) və elektron enerjisi itkisi (EEL) spektroskopiyası tədqiqatları apardıq. Şəkil 1B monolayer qrafenin altıbucaqlı quruluşunu göstərir və əlavədə TEM şəbəkəsinin tək karbon dəliyində örtülmüş filmin ümumi morfologiyası göstərilir. Monolayer qrafen şəbəkənin çox hissəsini əhatə edir və altıbucaqlı halqaların çoxlu yığınlarının iştirakı ilə bəzi qrafen lopaları görünür (Şəkil 1B). Fərdi bir kürgülə yaxınlaşdıraraq (Şəkil 1C), şəbəkə aralığı 0,34 ilə 0,41 nm arasında olan çoxlu sayda qrafen şəbəkəsi saçaqları müşahidə etdik. Bu ölçmələr lopaların təsadüfi şəkildə büküldüyünü və "ABAB" təbəqə yığmasında şəbəkə aralığı 0,34 nm olan mükəmməl qrafit olmadığını göstərir. Şəkil 1D karbonun K-kənarındakı EEL spektrini göstərir, burada 285 eV-dəki pik π* orbitalından, 290 eV ətrafındakı digər pik isə σ* orbitalının keçidindən qaynaqlanır. Göründüyü kimi, bu strukturda sp2 rabitəsi üstünlük təşkil edir və bu da rulonların yüksək dərəcədə qrafit olduğunu təsdiqləyir.
Optik mikroskopiya və atom qüvvəsi mikroskopiyası (AFM) təsvirləri MGG-lərdə qrafen nanosurralarının paylanması haqqında məlumat verir (Şəkil 1, E-dən G-yə və şək. S1 və S2). Surralar səth üzərində təsadüfi şəkildə paylanır və onların müstəvi sıxlığı yığılmış təbəqələrin sayına mütənasib olaraq artır. Bir çox surralar düyünlərə dolaşır və 10 ilə 100 nm arasında qeyri-bərabər hündürlüklər nümayiş etdirir. İlkin qrafen lopalarının ölçülərindən asılı olaraq, onların uzunluğu 1 ilə 20 mkm, eni isə 0,1 ilə 1 mkm arasında dəyişir. Şəkil 1-də (H və I) göstərildiyi kimi, surralar qırışlardan xeyli böyük ölçülərə malikdir və bu da qrafen təbəqələri arasında daha kobud bir sərhədə səbəb olur.
Elektrik xüsusiyyətlərini ölçmək üçün, fotolitoqrafiyadan istifadə edərək, rulon strukturları və təbəqə yığılması olan və ya olmayan qrafen filmlərini 300 μm enində və 2000 μm uzunluğunda zolaqlara naxışladıq. Ətraf mühit şəraitində gərginlik funksiyası kimi iki zondlu müqavimətlər ölçüldü. Rulonların olması monolaylı qrafen üçün müqaviməti 80% azaltdı və keçiricilikdə yalnız 2,2% azalma oldu (şəkil S4). Bu, 5 × 107 A/sm2-ə qədər yüksək cərəyan sıxlığına malik nanosrulonların MGG-lərə çox müsbət elektrik töhfəsi verdiyini təsdiqləyir (38, 39). Bütün mono-, iki- və üçqatlı düz qrafen və MGG-lər arasında üçqatlı MGG, demək olar ki, 90% şəffaflıqla ən yaxşı keçiriciliyə malikdir. Ədəbiyyatda bildirilən digər qrafen mənbələri ilə müqayisə etmək üçün dörd zondlu təbəqə müqavimətlərini də ölçdük (şəkil S5) və onları Şəkil 2A-da 550 nm-də keçiriciliyin funksiyası kimi sadaladıq (şəkil S6). MGG, süni şəkildə yığılmış çoxqatlı sadə qrafen və reduksiya olunmuş qrafen oksidi (RGO) ilə müqayisədə müqayisə edilə bilən və ya daha yüksək keçiricilik və şəffaflıq göstərir (6, 8, 18). Qeyd edək ki, ədəbiyyatda süni şəkildə yığılmış çoxqatlı sadə qrafenin təbəqə müqavimətləri, ehtimal ki, optimallaşdırılmamış böyümə şərtləri və ötürmə metodu ilə əlaqədardır, bizim MGG-dən bir qədər yüksəkdir.
(A) Qara kvadratların mono-, ikiqatlı və üçqatlı MGG-ləri ifadə etdiyi bir neçə qrafen növü üçün 550 nm-də dörd zondlu təbəqə müqavimətlərinə qarşı keçiricilik; qırmızı dairələr və mavi üçbucaqlar müvafiq olaraq Li və digərlərinin (6) və Kim və digərlərinin (8) tədqiqatlarından Cu və Ni üzərində yetişdirilən və sonradan SiO2/Si və ya kvarsa köçürülən çoxqatlı düz qrafenlə uyğun gəlir; yaşıl üçbucaqlar isə Bonaccorso və digərlərinin tədqiqatından fərqli azalma dərəcələrində RGO üçün dəyərlərdir (18). (B və C) Cərəyan axınının istiqamətinə perpendikulyar (B) və paralel (C) gərginliyin funksiyası kimi mono-, ikiqatlı və üçqatlı MGG-lərin və G-nin normallaşdırılmış müqavimət dəyişikliyi. (D) 50%-ə qədər perpendikulyar gərginlik yükü altında ikiqatlı G (qırmızı) və MGG (qara)-nın normallaşdırılmış müqavimət dəyişikliyi. (E) 90%-ə qədər paralel gərginlik yükü altında üçqatlı G (qırmızı) və MGG (qara)-nın normallaşdırılmış müqavimət dəyişikliyi. (F) Deformasiya funksiyası kimi mono, iki və üçqatlı G və iki və üçqatlı MGG-lərin normallaşdırılmış tutum dəyişikliyi. Əlavə hissədə polimer substratı SEBS, polimer dielektrik təbəqəsi isə 2 μm qalınlığında SEBS olduğu kondensator strukturu yerləşir.
MGG-nin gərginlikdən asılı performansını qiymətləndirmək üçün qrafeni termoplastik elastomer stirol-etilen-butadien-stirol (SEBS) substratlarına (~2 sm enində və ~5 sm uzunluğunda) köçürdük və substrat həm perpendikulyar, həm də cərəyan axını istiqamətinə paralel olaraq dartıldıqca keçiricilik ölçüldü (bax: Materiallar və Metodlar) (Şəkil 2, B və C). Gərginlikdən asılı elektrik davranışı nanosurfların daxil edilməsi və qrafen təbəqələrinin sayının artması ilə yaxşılaşdı. Məsələn, gərginlik cərəyan axınına perpendikulyar olduqda, təkqatlı qrafen üçün rulonların əlavə edilməsi elektrik qırılmasında gərginliyi 5-dən 70%-ə qədər artırdı. Üçqatlı qrafenin gərginlik tolerantlığı da təkqatlı qrafenlə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmışdır. Nanosurflarda, 100% perpendikulyar gərginlikdə, rulonsuz üçqatlı qrafen üçün 300%-ə nisbətən üçqatlı MGG strukturunun müqaviməti yalnız 50% artmışdır. Tsiklik gərginlik yükü altında müqavimət dəyişikliyi araşdırılmışdır. Müqayisə üçün (Şəkil 2D), sadə ikiqatlı qrafen təbəqəsinin müqaviməti 50% perpendikulyar deformasiyada ~700 dövrdən sonra təxminən 7,5 dəfə artmış və hər dövrdə deformasiya ilə artmağa davam etmişdir. Digər tərəfdən, ikiqatlı MGG-nin müqaviməti ~700 dövrdən sonra yalnız təxminən 2,5 dəfə artmışdır. Paralel istiqamətdə 90%-ə qədər deformasiya tətbiq edildikdə, üçqatlı qrafenin müqaviməti 1000 dövrdən sonra ~100 dəfə artmışdır, halbuki üçqatlı MGG-də bu, yalnız ~8 dəfədir (Şəkil 2E). Dövrləmə nəticələri Şəkil S7-də göstərilmişdir. Paralel deformasiya istiqaməti boyunca müqavimətin nisbətən daha sürətli artması çatların istiqamətinin cərəyan axınının istiqamətinə perpendikulyar olması ilə əlaqədardır. Yükləmə və boşaltma deformasiyaları zamanı müqavimətin sapması SEBS elastomer substratının viskoelastik bərpası ilə əlaqədardır. MGG zolaqlarının dövriyyə zamanı daha sabit müqaviməti, qrafenin çatlamış hissələrini körpüləşdirə bilən (AFM tərəfindən müşahidə edildiyi kimi) böyük rulonların olması ilə əlaqədardır və bu da perkolyasiya yolunun qorunmasına kömək edir. Perkolyasiya yolu ilə keçiriciliyin qorunması fenomeni elastomer substratlarında çatlamış metal və ya yarımkeçirici filmlər üçün əvvəllər bildirilmişdir (40, 41).
Bu qrafen əsaslı filmləri dartılan cihazlarda qapı elektrodları kimi qiymətləndirmək üçün qrafen təbəqəsini SEBS dielektrik təbəqəsi (2 μm qalınlığında) ilə örtdük və dielektrik tutum dəyişikliyini gərginlik funksiyası kimi izlədik (ətraflı məlumat üçün Şəkil 2F və Əlavə Materiallara baxın). Müşahidə etdik ki, adi tək və ikiqatlı qrafen elektrodları olan tutumlar qrafenin müstəvidaxili keçiriciliyinin itirilməsi səbəbindən tez bir zamanda azalıb. Əksinə, MGG-lər, eləcə də adi üçqatlı qrafen tərəfindən dartılan tutumlar gərginlik ilə tutum artımı göstərdi ki, bu da gərginlik ilə dielektrik qalınlığının azalması səbəbindən gözlənilir. Tutumda gözlənilən artım MGG strukturu ilə çox yaxşı uyğun gəldi (şəkil S8). Bu, MGG-nin dartılan tranzistorlar üçün qapı elektrodu kimi uyğun olduğunu göstərir.
Elektrik keçiriciliyinin gərginliyə dözümlülüyündə 1D qrafen rulonunun rolunu daha dərindən araşdırmaq və qrafen təbəqələri arasındakı ayrılmanı daha yaxşı idarə etmək üçün qrafen rulonlarını əvəz etmək üçün sprey örtüklü CNT-lərdən istifadə etdik (Əlavə Materiallara baxın). MGG strukturlarını təqlid etmək üçün üç sıxlıqlı CNT-lər (yəni CNT1) yerləşdirdik.
(A-dan C-yə) Üç fərqli sıxlıqda CNT-lərin AFM görüntüləri (CNT1)
Dartılan elektronika üçün elektrod kimi qabiliyyətlərini daha yaxşı başa düşmək üçün MGG və G-CNT-G-nin gərginlik altında morfologiyalarını sistematik şəkildə araşdırdıq. Optik mikroskopiya və skanlama elektron mikroskopiyası (SEM) effektiv xarakteristika metodları deyil, çünki hər ikisi rəng kontrastına malik deyil və qrafen polimer substratlarında olduqda SEM elektron skanlama zamanı görüntü artefaktlarına məruz qalır (şəkillər S9 və S10). Gərginlik altında olan qrafen səthini yerində müşahidə etmək üçün çox nazik (~0,1 mm qalınlığında) və elastik SEBS substratlarına köçürüldükdən sonra üçqatlı MGG-lərdə və düz qrafendə AFM ölçmələrini topladıq. CVD qrafenindəki daxili qüsurlar və ötürmə prosesi zamanı xarici zədələnmə səbəbindən gərginləşdirilmiş qrafendə qaçılmaz olaraq çatlar əmələ gəlir və gərginlik artdıqca çatlar daha sıx olur (Şəkil 4, A-dan D-yə qədər). Karbon əsaslı elektrodların yığma quruluşundan asılı olaraq çatlar fərqli morfologiyalar göstərir (şəkil S11) (27). Çoxqatlı qrafenin çat sahəsinin sıxlığı (çat sahəsi/təhlil edilmiş sahə kimi müəyyən edilir) gərginlikdən sonra monoqatlı qrafeninkindən azdır ki, bu da MGG-lər üçün elektrik keçiriciliyinin artması ilə uyğun gəlir. Digər tərəfdən, gərginlikli təbəqədə əlavə keçirici yollar təmin edən çatları körpüləşdirmək üçün tez-tez rulonlar müşahidə olunur. Məsələn, Şəkil 4B-dəki şəkildə qeyd edildiyi kimi, üçqatlı MGG-dəki çatın üzərindən geniş rulon keçib, lakin düz qrafendə heç bir rulon müşahidə edilməyib (Şəkil 4, E-dən H-yə). Eynilə, CNT-lər də qrafendəki çatları körpüləşdirib (şəkil S11). Çat sahəsinin sıxlığı, rulon sahəsinin sıxlığı və təbəqələrin kobudluğu Şəkil 4K-də ümumiləşdirilib.
(A-dan H-yə) Çox nazik SEBS (~0.1 mm qalınlığında) elastomer üzərində 0, 20, 60 və 100% gərginlikdə üçqatlı G/G rulonlarının (A-dan D-yə) və üçqatlı G strukturlarının (E-dən H-yə) yerində AFM şəkilləri. Təmsiledici çatlar və rulonlar oxlarla işarələnmişdir. Bütün AFM şəkilləri etiketlənmiş eyni rəng şkalasından istifadə edərək 15 μm × 15 μm sahədədir. (I) SEBS substratında naxışlı monolaylı qrafen elektrodlarının simulyasiya həndəsəsi. (J) 20% xarici gərginlikdə monolaylı qrafen və SEBS substratında maksimal əsas loqarifmik gərginliyin simulyasiya kontur xəritəsi. (K) Müxtəlif qrafen strukturları üçün çat sahəsi sıxlığının (qırmızı sütun), rulon sahəsi sıxlığının (sarı sütun) və səth pürüzlülüyünün (mavi sütun) müqayisəsi.
MGG filmləri dartıldıqda, rulonların qrafenin çatlamış bölgələrini körpü halına gətirə bilməsi və perkolyasiya şəbəkəsini saxlaması kimi vacib bir əlavə mexanizm mövcuddur. Qrafen rulonları perspektivlidir, çünki onlar uzunluğu onlarla mikrometr ola bilər və buna görə də adətən mikrometr miqyasına qədər olan çatları körpü halına gətirə bilirlər. Bundan əlavə, rulonlar çoxqatlı qrafendən ibarət olduğundan, onların aşağı müqavimətə malik olması gözlənilir. Müqayisə üçün, müqayisə edilə bilən keçirici körpü qabiliyyəti təmin etmək üçün nisbətən sıx (aşağı keçiricilikli) CNT şəbəkələri tələb olunur, çünki CNT-lər rulonlardan daha kiçikdir (adətən bir neçə mikrometr uzunluğunda) və daha az keçiricidir. Digər tərəfdən, şəkil S12-də göstərildiyi kimi, qrafen gərginliyə uyğunlaşmaq üçün dartılma zamanı çatlayır, rulonlar çatlamır ki, bu da sonuncunun altındakı qrafen üzərində sürüşdüyünü göstərir. Onların çatlamamasının səbəbi, çox güman ki, tək qatlı qrafenə nisbətən daha yüksək effektiv modula malik olan bir çox qrafen təbəqəsindən (~1 ilə 20 μm uzunluğunda, ~0.1 ilə 1 μm enində və ~10 ilə 100 nm hündürlüyündə) ibarət bükülmüş quruluşla əlaqədardır. Qrin və Hersamın (42) bildirdiyinə görə, metal CNT şəbəkələri (boru diametri 1.0 nm) CNT-lər arasında böyük birləşmə müqavimətinə baxmayaraq, aşağı təbəqə müqavimətlərinə <100 ohm/kv.m nail ola bilər. Qrafen rulonlarımızın eni 0.1 ilə 1 μm arasında olduğunu və G/G rulonlarının CNT-lərdən daha böyük təmas sahələrinə malik olduğunu nəzərə alsaq, qrafen və qrafen rulonları arasındakı təmas müqaviməti və təmas sahəsi yüksək keçiriciliyi qorumaq üçün məhdudlaşdırıcı amillər olmamalıdır.
Qrafen SEBS substratına nisbətən daha yüksək modula malikdir. Qrafen elektrodunun effektiv qalınlığı substratın qalınlığından daha aşağı olsa da, qrafenin sərtliyinə vurulan sərtlik substratın sərtliyi ilə müqayisə edilə bilər (43, 44), bu da orta dərəcədə sərt ada effekti yaradır. SEBS substratında 1 nm qalınlığında qrafenin deformasiyasını simulyasiya etdik (ətraflı məlumat üçün Əlavə Materiallara baxın). Simulyasiya nəticələrinə görə, SEBS substratına xaricdən 20% gərginlik tətbiq edildikdə, qrafendəki orta gərginlik ~6,6% təşkil edir (Şəkil 4J və şəkil S13D), bu da eksperimental müşahidələrlə uyğun gəlir (şəkil S13-ə baxın). Optik mikroskopiyadan istifadə edərək naxışlı qrafen və substrat bölgələrindəki gərginliyi müqayisə etdik və substrat bölgəsindəki gərginliyin qrafen bölgəsindəki gərginliyin ən azı ikiqat olduğunu aşkar etdik. Bu, qrafen elektrod nümunələrinə tətbiq olunan gərginliyin əhəmiyyətli dərəcədə məhdudlaşa biləcəyini və SEBS-in üstündə qrafen sərt adalar əmələ gətirə biləcəyini göstərir (26, 43, 44).
Buna görə də, MGG elektrodlarının yüksək gərginlik altında yüksək keçiriciliyi qorumaq qabiliyyəti, ehtimal ki, iki əsas mexanizmlə təmin edilir: (i) Sürüşmələr keçirici perkolasiya yolunu qorumaq üçün ayrılmış bölgələri körpüləşdirə bilər və (ii) çoxqatlı qrafen təbəqələri/elastomer bir-birinin üzərində sürüşə bilər ki, bu da qrafen elektrodlarına düşən gərginliyin azalmasına səbəb olur. Elastomer üzərində köçürülmüş qrafenin birdən çox təbəqəsi üçün təbəqələr bir-birinə güclü şəkildə yapışmır ki, bu da gərginliyə cavab olaraq sürüşə bilər (27). Sürüşmələr həmçinin qrafen təbəqələrinin kobudluğunu artırdı ki, bu da qrafen təbəqələri arasındakı məsafəni artırmağa kömək edə bilər və beləliklə, qrafen təbəqələrinin sürüşməsini təmin edə bilər.
Tam karbonlu cihazlar aşağı qiymətə və yüksək ötürücülüyə görə həvəslə istifadə olunur. Bizim vəziyyətimizdə, tam karbonlu tranzistorlar alt qrafen qapısı, üst qrafen mənbəyi/axın kontaktı, çeşidlənmiş CNT yarımkeçirici və dielektrik kimi SEBS istifadə edilərək hazırlanmışdır (Şəkil 5A). Şəkil 5B-də göstərildiyi kimi, mənbə/axın və qapı (alt cihaz) kimi CNT-ləri olan tam karbonlu cihaz, qrafen elektrodları olan cihazdan (üst cihaz) daha qeyri-şəffafdır. Bunun səbəbi, CNT şəbəkələrinin qrafenə bənzər təbəqə müqavimətlərinə nail olmaq üçün daha böyük qalınlıqlar və nəticədə daha aşağı optik ötürmə qabiliyyəti tələb etməsidir (şəkil S4). Şəkil 5 (C və D) ikiqatlı MGG elektrodları ilə hazırlanmış tranzistor üçün gərginlikdən əvvəl təmsilçi ötürmə və çıxış əyrilərini göstərir. Gərginliksiz tranzistorun kanal eni və uzunluğu müvafiq olaraq 800 və 100 μm idi. Ölçülmüş açma/bağlama nisbəti müvafiq olaraq 10−5 və 10−8 A səviyyələrində açma və bağlanma cərəyanları ilə 103-dən çoxdur. Çıxış əyrisi, CNT-lər və qrafen elektrodları arasında ideal təması göstərən aydın qapı gərginliyindən asılılığı olan ideal xətti və doyma rejimlərini nümayiş etdirir (45). Qrafen elektrodları ilə təmas müqavimətinin buxarlanmış Au təbəqəsi ilə müqayisədə daha aşağı olduğu müşahidə edilmişdir (şəkil S14-ə baxın). Dartılan tranzistorun doyma hərəkətliliyi təxminən 5,6 sm2/Vs-dir ki, bu da dielektrik təbəqə kimi 300 nm SiO2 olan sərt Si substratları üzərində eyni polimer çeşidlənmiş CNT tranzistorlarının doyma hərəkətliliyinə bənzəyir. Hərəkətliliyin daha da yaxşılaşdırılması optimallaşdırılmış boru sıxlığı və digər boru növləri ilə mümkündür (46).
(A) Qrafen əsaslı dartılan tranzistorun sxemi. SWNT-lər, tək divarlı karbon nanotubları. (B) Qrafen elektrodlarından (yuxarı) və CNT elektrodlarından (aşağı) hazırlanmış dartılan tranzistorların şəkli. Şəffaflıqdakı fərq aydın şəkildə nəzərə çarpır. (C və D) Gərginlikdən əvvəl SEBS-də qrafen əsaslı tranzistorun ötürmə və çıxış əyriləri. (E və F) Müxtəlif gərginliklərdə ötürmə əyriləri, açma və söndürmə cərəyanı, açma/söndürmə nisbəti və qrafen əsaslı tranzistorun hərəkətliliyi.
Şəffaf, tamamilə karbondan ibarət cihaz yük daşınması istiqamətinə paralel istiqamətdə dartıldıqda, 120%-ə qədər minimal deqradasiya müşahidə edildi. Dartılma zamanı hərəkətlilik 0% deformasiyada 5,6 sm2/Vs-dən 120% deformasiyada 2,5 sm2/Vs-ə qədər davamlı olaraq azalıb (Şəkil 5F). Həmçinin müxtəlif kanal uzunluqları üçün tranzistor performansını müqayisə etdik (cədvəl S1-ə baxın). Xüsusilə, 105%-ə qədər böyük bir deformasiyada bütün bu tranzistorlar hələ də yüksək açma/bağlama nisbəti (>103) və hərəkətlilik (>3 sm2/Vs) nümayiş etdirdilər. Bundan əlavə, bütün karbondan ibarət tranzistorlar üzərində aparılan bütün son işləri ümumiləşdirdik (cədvəl S2-yə baxın) (47–52). Elastomerlər üzərində cihaz istehsalını optimallaşdırmaqla və MGG-ləri kontakt kimi istifadə etməklə, bütün karbondan ibarət tranzistorlarımız yüksək dərəcədə dartılma qabiliyyəti ilə yanaşı, hərəkətlilik və histerezis baxımından da yaxşı performans göstərir.
Tam şəffaf və dartılan tranzistorun tətbiqi olaraq, biz onu LED-in keçidini idarə etmək üçün istifadə etdik (Şəkil 6A). Şəkil 6B-də göstərildiyi kimi, yaşıl LED birbaşa yuxarıda yerləşdirilmiş dartılan karbondan hazırlanmış cihaz vasitəsilə aydın şəkildə görünür. ~100%-ə qədər dartıldıqda (Şəkil 6, C və D), LED işığının intensivliyi dəyişmir ki, bu da yuxarıda təsvir edilən tranzistor performansı ilə uyğun gəlir (S1 filminə baxın). Bu, qrafen elektrodlarından istifadə edərək hazırlanmış dartılan idarəetmə bloklarının ilk hesabatıdır və qrafen dartılan elektronika üçün yeni bir imkan nümayiş etdirir.
(A) LED-i idarə etmək üçün tranzistorun dövrəsi. GND, torpaqlama. (B) Yaşıl LED-in üzərinə quraşdırılmış 0% gərginlikdə dartılan və şəffaf karbonlu tranzistorun şəkli. (C) LED-i dəyişdirmək üçün istifadə edilən karbonlu şəffaf və dartılan tranzistor LED-in üzərinə 0% (solda) və ~100% gərginlikdə (sağda) quraşdırılır. Ağ oxlar cihazdakı sarı markerlər kimi göstərilir və məsafə dəyişikliyinin dartıldığını göstərir. (D) Dartılan tranzistorun yan görünüşü, LED elastomerə itələnib.
Nəticə olaraq, biz uzanan elektrodlar kimi böyük gərginliklər altında yüksək keçiriciliyi qoruyan şəffaf keçirici qrafen strukturu hazırlamışıq və bu, yığılmış qrafen təbəqələri arasında qrafen nanosurmaları ilə təmin edilir. Elastomer üzərindəki bu iki və üçqatlı MGG elektrod strukturları, tipik birqatlı qrafen elektrodları üçün 5% gərginlikdə keçiriciliyin tam itkisi ilə müqayisədə, 100%-ə qədər yüksək gərginlikdə 0% gərginlik keçiriciliyinin müvafiq olaraq 21 və 65%-ni qoruya bilir. Qrafen rulonlarının əlavə keçirici yolları, eləcə də köçürülmüş təbəqələr arasındakı zəif qarşılıqlı təsir, gərginlik altında üstün keçiricilik stabilliyinə kömək edir. Biz bu qrafen strukturunu tamamilə karbonlu uzanan tranzistorlar hazırlamaq üçün daha da tətbiq etdik. İndiyə qədər bu, əyilmədən istifadə etmədən ən yaxşı şəffaflığa malik ən uzanan qrafen əsaslı tranzistordur. Bu tədqiqat uzanan elektronika üçün qrafenin istifadəsini təmin etmək məqsədilə aparılsa da, biz inanırıq ki, bu yanaşma uzanan 2D elektronikanı təmin etmək üçün digər 2D materiallara da tətbiq edilə bilər.
Geniş sahəli CVD qrafen, 1000°C-də 50–SCCM (dəqiqədə standart kub santimetr) CH4 və 20–SCCM H2 prekursorları ilə 0,5 mtorr sabit təzyiq altında asılı Cu folqaları üzərində (99.999%; Alfa Aesar) yetişdirildi. Cu folqasının hər iki tərəfi tək qatlı qrafenlə örtüldü. Cu folqasının bir tərəfinə nazik bir PMMA təbəqəsi (2000 dövr/dəq; A4, Microchem) fırlanan şəkildə örtüldü və PMMA/G/Cu folqa/G strukturu əmələ gətirdi. Daha sonra, Cu folqasını aşındırmaq üçün bütün təbəqə təxminən 2 saat ərzində 0,1 M ammonium persulfat [(NH4)2S2O8] məhlulunda isladıldı. Bu proses zamanı qorunmayan arxa qrafen əvvəlcə dənə sərhədləri boyunca cırıldı və sonra səth gərginliyi səbəbindən rulonlara çevrildi. Rulonlar PMMA tərəfindən dəstəklənən yuxarı qrafen filminə yapışdırıldı və PMMA/G/G rulonları əmələ gətirdi. Filmlər daha sonra deionlaşdırılmış suda bir neçə dəfə yuyuldu və sərt SiO2/Si və ya plastik substrat kimi hədəf substrat üzərinə qoyuldu. Əlavə edilmiş film substratda quruduqdan sonra, nümunə PMMA-nı çıxarmaq üçün ardıcıl olaraq aseton, 1:1 aseton/IPA (izopropil spirti) və IPA-da 30 saniyə isladıldı. Filmlər 100°C-də 15 dəqiqə qızdırıldı və ya üzərinə başqa bir G/G rulon təbəqəsi köçürülməzdən əvvəl ilişib qalmış suyu tamamilə təmizləmək üçün bir gecə vakuumda saxlanıldı. Bu addım qrafen filminin substratdan ayrılmasının qarşısını almaq və PMMA daşıyıcı təbəqəsinin buraxılması zamanı MGG-lərin tam örtülməsini təmin etmək idi.
MGG strukturunun morfologiyası optik mikroskop (Leica) və skan edən elektron mikroskop (1 kV; FEI) istifadə edilərək müşahidə edilmişdir. G rulonlarının detallarını müşahidə etmək üçün atom qüvvəsi mikroskopu (Nanoscope III, Digital Instrument) tıqqıltı rejimində işlədilmişdir. Film şəffaflığı ultrabənövşəyi görünən spektrometr (Agilent Cary 6000i) ilə sınaqdan keçirilmişdir. Gərginlik cərəyan axınının perpendikulyar istiqaməti boyunca olduqda aparılan sınaqlar üçün qrafen strukturlarını zolaqlara (~300 μm enində və ~2000 μm uzunluğunda) naxışlamaq üçün fotolitoqrafiya və O2 plazmasından istifadə edilmişdir və uzun tərəfin hər iki ucunda kölgə maskaları istifadə edilərək Au (50 nm) elektrodlar termal olaraq çökdürülmüşdür. Daha sonra qrafen zolaqları SEBS elastomeri (~2 sm enində və ~5 sm uzunluğunda) ilə təmasda saxlanıldı, zolaqların uzun oxu SEBS-in qısa tərəfinə paralel olaraq BOE (buferləşdirilmiş oksid aşındırma) (HF:H2O 1:6) aşındırma və elektrik kontaktları kimi evtektik qallium indium (EGaIn) izlənildi. Paralel gərginlik sınaqları üçün naxışsız qrafen strukturları (~5 × 10 mm) SEBS substratlarına köçürüldü, uzun oxlar isə SEBS substratının uzun tərəfinə paralel idi. Hər iki halda da bütün G (G rulonları olmadan)/SEBS əl aparatında elastomerin uzun tərəfi boyunca dartıldı və yerində, yarımkeçirici analizator (Keithley 4200-SCS) ilə zond stansiyasında gərginlik altında onların müqavimət dəyişikliklərini ölçdük.
Elastik substrat üzərində yüksək dərəcədə uzanan və şəffaf karbonlu tranzistorlar, polimer dielektrik və substratın üzvi həlledici zədələnməsinin qarşısını almaq üçün aşağıdakı prosedurlarla hazırlanmışdır. MGG strukturları qapı elektrodları kimi SEBS-ə köçürülmüşdür. Vahid nazik təbəqəli polimer dielektrik təbəqəsi (2 μm qalınlığında) əldə etmək üçün SEBS toluol (80 mq/ml) məhlulu oktadesiltrixlorosilan (OTS) ilə modifikasiya olunmuş SiO2/Si substratına 1000 dövr/dəq sürətlə 1 dəqiqə ərzində fırlanan şəkildə örtülmüşdür. Nazik dielektrik təbəqə hidrofob OTS səthindən hazırlanmış qrafenlə örtülmüş SEBS substratına asanlıqla köçürülə bilər. Kondensator, LCR (induktivlik, tutum, müqavimət) ölçən cihazdan (Agilent) istifadə edərək gərginlik funksiyası kimi tutumu təyin etmək üçün maye metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) üst elektrod yerləşdirməklə hazırlana bilər. Transistorun digər hissəsi əvvəllər bildirilən prosedurlara (53) uyğun olaraq polimer çeşidlənmiş yarımkeçirici CNT-lərdən ibarət idi. Naxışlı mənbə/drenaj elektrodları sərt SiO2/Si substratları üzərində hazırlanmışdır. Daha sonra, dielektrik/G/SEBS və CNT/naxışlı G/SiO2/Si olan iki hissə bir-birinə laminasiya edilmiş və sərt SiO2/Si substratını çıxarmaq üçün BOE-də isladılmışdır. Beləliklə, tam şəffaf və dartılan tranzistorlar hazırlanmışdır. Gərginlik altında elektrik sınağı yuxarıda qeyd olunan metod kimi əl ilə dartılan qurğuda aparılmışdır.
Bu məqalə üçün əlavə materiallar http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 ünvanında mövcuddur.
Şəkil S1. Müxtəlif böyüdücülərdə SiO2/Si substratları üzərində monolayer MGG-nin optik mikroskopiya görüntüləri.
Şəkil S4. Mono-, ikiqat və üçqatlı düz qrafen (qara kvadratlar), MGG (qırmızı dairələr) və CNT-lərin (mavi üçbucaq) 550 nm-də iki zondlu təbəqə müqavimətlərinin və keçiriciliklərinin müqayisəsi.
Şəkil S7. Müvafiq olaraq 40 və 90% paralel gərginliyə qədər ~1000 tsiklik gərginlik yükü altında mono- və ikiqatlı MGG-lərin (qara) və G-nin (qırmızı) normallaşdırılmış müqavimət dəyişikliyi.
Şəkil S10. SEBS elastomeri üzərində gərginlikdən sonra üçqatlı MGG-nin SEM təsviri, bir neçə çat üzərində uzun bir spiral çarpazlığı göstərir.
Şəkil S12. Çox nazik SEBS elastomeri üzərində 20% gərginlikdə üçqatlı MGG-nin AFM təsviri, çatın üzərindən keçən bir diyircəyin olduğunu göstərir.
Cədvəl S1. Gərginlikdən əvvəl və sonra müxtəlif kanal uzunluqlarında ikiqatlı MGG-təkdivarlı karbon nanotube tranzistorlarının hərəkətliliyi.
Bu, Creative Commons Attribution-NonCommercial lisenziyasının şərtləri altında paylanan açıq girişli bir məqalədir və istənilən mediada istifadəyə, yayılmağa və çoxaldılmaya icazə verir, lakin nəticədə istifadə kommersiya məqsədi daşımır və orijinal əsərə düzgün istinad edilir.
QEYD: Biz yalnız səhifəni tövsiyə etdiyiniz şəxsin onun görməsini istədiyinizi və lazımsız poçt olmadığını bilməsi üçün e-poçt ünvanınızı tələb edirik. Biz heç bir e-poçt ünvanını qeyd etmirik.
Bu sual sizin insan ziyarətçi olub-olmadığınızı yoxlamaq və avtomatlaşdırılmış spam göndərmələrinin qarşısını almaq üçündür.
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
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 Amerika Elmin İnkişafı Assosiasiyası. Bütün hüquqlar qorunur. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef və COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548-in tərəfdaşıdır.
Yayımlanma vaxtı: 28 Yanvar 2021