Графен сыяктуу эки өлчөмдүү материалдар кадимки жарым өткөргүч колдонмолору үчүн да, ийкемдүү электроникада жаңыдан пайда болгон колдонмолор үчүн да жагымдуу. Бирок, графендин жогорку чыңалуу күчү аз штаммда сынууга алып келет, бул анын чоюлма электроникадагы өзгөчө электрондук касиеттерин пайдаланууну кыйындатат. Тунук графен өткөргүчтөрдүн штаммга көз каранды мыкты иштешин камсыз кылуу үчүн, биз көп катмарлуу графен/графен түрмөктөрү (MGGs) деп аталган үйүлгөн графен катмарларынын ортосунда графен наноскроллдорун түздүк. Штаммдын астында, кээ бир түрмөктөр жогорку штаммдарда мыкты өткөргүчтүктү камсыз кылган перколяциялык тармакты сактоо үчүн графендин фрагменттүү домендерин бириктирди. Эластомерлерде колдоого алынган үч катмарлуу MGGs 100% штаммда баштапкы өткөрүмдүүлүктүн 65% сактап калган, ал токтун агымынын багытына перпендикуляр болгон, ал эми наноскроллдору жок графендин үч катмарлуу пленкасы баштапкы өткөрүмдүүлүктүн 25% гана сактап калган. Электроддор катары MGGлерди колдонуу менен жасалган чоюлма көмүртектүү транзистор > 90% өткөргүчтүктү көрсөттү жана 120% штаммда (зарядды ташуу багытына параллель) баштапкы токтун 60%ын сактап калды. Бул өтө чоюлма жана тунук бардык көмүртектүү транзисторлор татаал созула турган оптоэлектрониканы иштете алат.
Чоюлма тунук электроника өркүндөтүлгөн биоинтеграцияланган системаларда (1, 2) маанилүү колдонмолорго ээ, ошондой эле татаал жумшак робототехникаларды жана дисплейлерди чыгаруу үчүн чоюлма оптоэлектроника (3, 4) менен интеграциялоо мүмкүнчүлүгү бар өсүп жаткан тармак. Графен атомдук жоондуктун, жогорку тунуктуктун жана жогорку өткөрүмдүүлүктүн эң керектүү касиеттерин көрсөтөт, бирок анын чоюлма колдонмолордо ишке ашырылышы кичинекей штаммдарда жарака кетүү тенденциясы менен тоскоол болгон. Графендин механикалык чектөөлөрүн жеңүү тунук аппараттарда жаңы функцияларды ишке ашырууга мүмкүндүк берет.
Графендин уникалдуу касиеттери аны тунук өткөргүч электроддордун кийинки муунуна күчтүү талапкер кылат (5, 6). көбүнчө колдонулган тунук өткөргүч менен салыштырганда, индий калай кычкылы [ITO; 100 Ом/квадрат (кв) 90% тунуктук ], химиялык буу менен (CVD) өстүрүлгөн бир катмарлуу графен барак каршылыктын (125 Ом/кв) жана тунуктуктун (97,4%) окшош комбинациясына ээ (5). Мындан тышкары, графен пленкалар ITO (7) салыштырмалуу өзгөчө ийкемдүүлүккө ээ. Мисалы, пластикалык субстратта анын өткөргүчтүгү 0,8 мм (8) сыяктуу кичинекей ийрилик радиусу үчүн да сакталышы мүмкүн. Тунук ийкемдүү өткөргүч катары анын электрдик көрсөткүчтөрүн андан ары жогорулатуу үчүн, мурунку иштер бир өлчөмдүү (1D) күмүш нано зымдары же көмүртек нанотүтүктөрү (CNTs) менен графен гибриддик материалдарды иштеп чыгышкан (9–11). Мындан тышкары, графен аралаш өлчөмдүү гетероструктуралык жарым өткөргүчтөр (мисалы, 2D жапырт Si, 1D нанозымдар/нанотүтүкчөлөр жана 0D кванттык чекиттер) (12), ийкемдүү транзисторлор, күн батареялары жана жарык чыгаруучу диоддор (LED) үчүн электроддор катары колдонулган (13). –23).
Графен ийкемдүү электроника үчүн келечектүү натыйжаларды көрсөткөнү менен, анын чоюлма электроникада колдонулушу механикалык касиеттери менен чектелген (17, 24, 25); графендин тегиздиктеги катуулугу 340 Н/м жана Янгдын модулу 0,5 ТПа (26). Күчтүү көмүртек-көмүртек тармагы колдонулган штамм үчүн эч кандай энергияны таркатуучу механизмдерди камсыз кылбайт жана ошондуктан 5% дан аз штаммда оңой эле жарака берет. Мисалы, полидиметилсилоксандын (PDMS) ийкемдүү субстратына которулган CVD графен өзүнүн өткөргүчтүгүн 6% штаммдан азыраак сактай алат (8). Теориялык эсептөөлөр көрсөткөндөй, бырыш жана ар түрдүү катмарлардын ортосундагы өз ара аракеттенүү катуулукту кескин төмөндөтүшү керек (26). Графенди бир нече катмарга топтоо менен, бул эки же үч катмарлуу графен 30% штаммга чейин чоюлушу мүмкүн, ал бир катмарлуу графендикине караганда 13 эсе аз каршылыктын өзгөрүшүн көрсөтөт (27). Бирок, бул созулушу дагы эле заманбап созулуучу с өткөргүчтөрдөн кыйла төмөн (28, 29).
Транзисторлор чоюлма колдонмолордо маанилүү, анткени алар татаал сенсордук окууну жана сигналды талдоону камсыз кылат (30, 31). Булак/дренаждык электроддор жана канал материалы катары көп катмарлуу графен менен PDMSдеги транзисторлор электрдик функцияны 5% штаммга (32) чейин сактай алат, бул ден-соолукту көзөмөлдөөчү сенсорлор жана электрондук тери үчүн талап кылынган минималдуу мааниден (~50%) кыйла төмөн. 33, 34). Жакында графен киригами ыкмасы изилденген жана суюк электролит менен жабылган транзисторду 240% га чейин узартууга болот (35). Бирок, бул ыкма өндүрүш процессин татаалданткан токтотулган графенди талап кылат.
Бул жерде биз графен катмарларынын ортосунда графен түрмөктөрүн (узундугу ~ 1ден 20 мкмге чейин, туурасы ~ 0,1ден 1 мкмге чейин жана бийиктикте ~ 10дон 100 нмге чейин) интеркалациялоо аркылуу өтө чоюлма графен түзүлүштөрүнө жетишебиз. Биз бул графен түрмөктөрү графен барактарынын жаракаларын жоюу үчүн өткөргүч жолдорду камсыз кылып, штамм астында жогорку өткөргүчтүктү сактай алат деп болжолдойбуз. Графен түрмөктөрү кошумча синтезди же процессти талап кылбайт; алар табигый түрдө нымдуу өткөрүп берүү процедурасында пайда болот. Көп катмарлуу G/G (графен/графен) түрмөктөрүн (MGGs) графен чоюлма электроддорун (булак/дренаж жана дарбаза) жана жарым өткөргүч CNTлерди колдонуу менен биз 120га чейин чоюла турган өтө тунук жана өтө чоюлма көмүртектүү транзисторлорду көрсөтө алдык. % штамм (зарядды ташуу багытына параллель) жана баштапкы токтун 60 % сактайт. Бул азыркыга чейин эң чоюлгуч тунук көмүр негизиндеги транзистор жана ал органикалык эмес LEDди башкаруу үчүн жетиштүү ток берет.
Чоң аймактын тунук чоюлма графен электроддорун иштетүү үчүн биз Cu фольгасында CVD-өстүрүлгөн графенди тандадык. Cu фольгасы CVD кварц түтүкчөсүнүн ортосуна илинген жана G/Cu/G түзүмдөрүн түзгөн графендин эки жагында өсүшүнө мүмкүндүк берген. Графенди өткөрүп берүү үчүн, биз адегенде графендин бир тарабын коргоо үчүн поли(метилметакрилат) (PMMA) жука катмарын спин-каптадык, аны биз үстүнкү графен деп атадык (графендин экинчи тарабы үчүн), андан кийин, бүт пленка (PMMA/жогорку графен/Cu/төмөнкү графен) Cu фольгасын жок кылуу үчүн (NH4)2S2O8 эритмесине чыланган. PMMA каптоосу жок ылдый жагындагы графен сөзсүз түрдө жаракаларга жана кемчиликтерге ээ болот, алар этханттын өтүшүнө мүмкүндүк берет (36, 37). 1A-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, беттик чыңалуунун таасири астында бошотулган графен домендери түрмөккө айланып, андан кийин калган топ-G/PMMA пленкасына тиркелет. Top-G/G түрмөктөрүн SiO2/Si, айнек же жумшак полимер сыяктуу каалаган субстратка өткөрүүгө болот. Бул өткөрүп берүү процессин бир эле субстраттын үстүнө бир нече жолу кайталоо MGG структураларын берет.
(A) Чоюлуучу электрод катары MGGs үчүн даярдоо жол-жобосунун схемалык иллюстрациясы. Графенди өткөрүп берүү учурунда Cu фольгасындагы арткы графен чектерде жана кемчиликтерден талкаланып, ыктыярдуу формаларга жылдырып, үстүнкү пленкаларга бекем жабышып, наноскроллдорду пайда кылган. Төртүнчү мультфильм үйүлгөн MGG түзүмүн сүрөттөйт. (B жана C) тиешелүүлүгүнө жараша моно катмарлуу графен (B) жана жылдыргыч (C) аймакка басым жасоочу MGG моно катмарынын жогорку чечилиштеги TEM мүнөздөмөлөрү. (B) ичи TEM торундагы моно катмарлуу MGGлердин жалпы морфологиясын көрсөткөн аз чоңойтулган сүрөт. (C) insets атомдук тегиздиктеринин ортосундагы аралыктар 0,34 жана 0,41 нм болгон сүрөттө көрсөтүлгөн тик бурчтуу кутучалар боюнча алынган интенсивдүүлүк профилдери болуп саналат. (D ) Көмүртектин K-жээги EEL спектри, графиттик π* жана σ* чокулары белгиленген. (E) сары чекиттүү сызык боюнча бийиктик профили менен бир катмар G/G жылдыруулардын секциялык AFM сүрөтү. (F I) Оптикалык микроскопия жана AFM сүрөтү s үч катмар G жок (F жана H) жок жана түрмөктөр менен (G жана I) 300-нм калыңдыктагы SiO2/Si субстраттарында, тиешелүүлүгүнө жараша. Өкүл түрмөктөр жана бырыштар алардын айырмачылыктарын баса белгилөө үчүн белгиленген.
Түрмөктөр табиятта графен түрүндөгү экенин текшерүү үчүн, биз жогорку чечилиштеги электрондук микроскопия (TEM) жана электрон энергиясын жоготуу (EEL) спектроскопиясынын моно катмарлуу топ-G/G жылдыргыч структураларында изилдөөлөрдү жүргүздүк. 1B-сүрөттө бир катмарлуу графендин алты бурчтуу структурасы көрсөтүлгөн, ал эми ичи TEM торунун бир көмүртек тешигинде капталган пленканын жалпы морфологиясы. Бир катмарлуу графен тордун көпчүлүк бөлүгүн камтыйт жана алты бурчтуу шакекчелердин бир нече стектеринин катышуусунда кээ бир графен кабыктары пайда болот (1В-сүрөт). Жеке түрмөктү кичирейтүү менен (1С-сүрөт), биз тор аралыгы 0,34төн 0,41 нмге чейинки диапазондо болгон графен торчосунун көп сандагы четтерин байкадык. Бул өлчөөлөр кабыкчалар туш келди жыйылганын жана идеалдуу графит эмес экенин көрсөтүп турат, ал "ABAB" катмарынын катмарында тор аралыгы 0,34 нм болгон. 1D-сүрөттө көмүртектин K-жээги EEL спектри көрсөтүлгөн, мында 285 эВ чокусу π* орбиталдан, ал эми экинчиси 290 эВ тегерегинде σ* орбиталынын өтүшүнө байланыштуу. Бул түзүмдө sp2 байланышы үстөмдүк кылганын көрүүгө болот, бул түрмөктөрдүн жогорку графиттик экенин тастыктайт.
Оптикалык микроскопия жана атомдук күч микроскопиясы (AFM) сүрөттөрү MGGsдеги графен наноскроллдорунун бөлүштүрүлүшүн түшүнүүгө жардам берет (1-сүрөт, Еден Gге чейин жана S1 жана S2-сүрөттөр). Түрмөктөр бетине туш келди бөлүштүрүлөт жана алардын тегиздиктеги тыгыздыгы үйүлгөн катмарлардын санына пропорционалдуу түрдө көбөйөт. Көптөгөн түрмөктөр түйүндөр менен чырмалышкан жана 10дон 100 нмге чейинки аралыкта бирдей эмес бийиктикти көрсөтөт. Алардын узундугу 1ден 20 мкмге чейин жана туурасы 0,1ден 1 мкмге чейин, баштапкы графен кабыкчаларынын өлчөмдөрүнө жараша болот. 1-сүрөттө (H жана I) көрсөтүлгөндөй, түрмөктөрдүн өлчөмү бырыштарга караганда кыйла чоңураак, бул графен катмарларынын ортосундагы бир топ одоно интерфейске алып келет.
Электрдик касиеттерди өлчөө үчүн биз жылдыргыч структуралары бар же жок графен пленкаларын калыпка келтирдик жана фотолитографиянын жардамы менен туурасы 300 мкм жана 2000 мкм узун тилкелерге катмарландык. Штаммдын функциясы катары эки зонддун каршылыктары айлана-чөйрөнүн шарттарында өлчөнгөн. Жылдыруулардын болушу моно катмарлуу графендин каршылыгын 80% га, өткөргүчтүктү 2,2%га гана төмөндөттү (сүрөт S4). Бул 5 × 107 A/cm2 (38, 39) чейин жогорку ток тыгыздыгы бар nanoscrolls MGGs абдан оң электр салымын экенин тастыктайт. Бардык моно-, би- жана үч катмарлуу жөнөкөй графендердин жана MGGлердин ичинен үч катмарлуу MGG дээрлик 90% ачыктык менен эң мыкты өткөрүмдүүлүккө ээ. Адабиятта билдирилген графендин башка булактары менен салыштыруу үчүн, биз төрт зонд барактарынын каршылыктарын да ченедик (сүрөт. S5) жана аларды 2A-сүрөттө 550 нм (S6-сүрөт) өткөрүү функциясы катары санадык. MGG жасалма тизилген көп кабаттуу графенге жана кыскартылган графен оксидине (RGO) караганда салыштырмалуу же жогору өткөргүчтүктү жана тунуктукту көрсөтөт (6, 8, 18). Адабияттан жасалма тизилген көп катмарлуу жөнөкөй графендин барактардын каршылыктары биздин MGGге караганда бир аз жогору экендигине көңүл буруңуз, балким, алардын өсүү шарттары жана өткөрүү ыкмасы оптимизацияланбагандыктан.
(A) графендин бир нече түрлөрү үчүн 550 нм өткөрүмдүүлүккө каршы төрт зонд баракчасынын каршылыгы, мында кара квадраттар моно-, би- жана үч катмарлуу MGGлерди билдирет; кызыл чөйрөлөр жана көк үч бурчтуктар Ли жана башкалар изилдөөлөрдөн Cu жана Ni боюнча өстүрүлгөн көп катмарлуу түз графенге туура келет. (6) жана Ким жана башкалар. (8) тиешелүүлүгүнө жараша жана кийин SiO2/Si же кварцка өткөрүлөт; жана жашыл үч бурчтуктар Bonaccorso et al. (18). (В жана С) Токтун агымынын багытына перпендикуляр (В) жана параллелдүү (С) штаммдын функциясы катары моно-, би- жана үч катмарлуу MGGs жана G нормалдаштырылган каршылык өзгөрүшү. (D) 50% перпендикулярдык штаммга чейинки циклдик штамм жүктөө астында G (кызыл) жана MGG (кара) кош катмарынын нормалдаштырылган каршылык өзгөрүшү. (E) 90% параллелдүү штаммга чейинки циклдик штамм жүктөөдө үч катмар G (кызыл) жана MGG (кара) нормалдаштырылган каршылыктын өзгөрүшү. (F) Штаммдын функциясы катары моно-, би- жана үч катмарлуу G жана эки жана үч катмарлуу MGGтердин нормалдаштырылган сыйымдуулуктун өзгөрүшү. Киргизилген конденсатор структурасы, мында полимердик субстрат SEBS жана полимердик диэлектрик катмары 2 мкм калыңдыктагы SEBS болуп саналат.
MGGтин штаммга көз каранды иштешин баалоо үчүн биз графенди термопластикалык эластомердик стирол-этилен-бутадиен-стирол (SEBS) субстраттарына (~ 2 см туурасы жана ~ 5 см узундугу) өткөрүп бердик жана өткөргүчтүк субстрат сунулганда өлчөнөт. (Материалдар жана методдорду караңыз) токтун агымынын багытына перпендикуляр да, параллель да (2-сүрөт, В жана С). Штаммга көз каранды электрдик жүрүм-турум наноскроллдорду киргизүү жана графен катмарларынын санын көбөйтүү менен жакшырды. Мисалы, штамм токтун агымына перпендикуляр болгондо, бир катмарлуу графен үчүн, түрмөктөрдү кошуу электрдик үзүлгөндө штаммды 5тен 70%ке чейин жогорулатты. Үч катмарлуу графендин чыңалууга чыдамкайлыгы да бир катмарлуу графенге салыштырмалуу бир топ жакшырган. Наноcrolls менен, 100% перпендикулярдык штаммда, үч катмарлуу MGG структурасынын каршылыгы түрмөктөрү жок үч катмарлуу графен үчүн 300%га салыштырмалуу 50% га гана өстү. Циклдик деформация жүктөөдө каршылыктын өзгөрүүсү изилденген. Салыштыруу үчүн (сүрөт 2D), жөнөкөй эки катмарлуу графен пленкасынын каршылыгы 50% перпендикулярдык штаммда ~ 700 циклден кийин болжол менен 7,5 эсеге көбөйдү жана ар бир циклде штамм менен өсө берди. Башка жагынан алганда, эки катмарлуу MGG каршылыгы ~ 700 циклден кийин болжол менен 2,5 эсеге гана өстү. Параллель багыт боюнча 90% штаммга чейин колдонуу менен үч катмарлуу графендин каршылыгы 1000 циклден кийин ~100 эсеге өскөн, ал эми үч катмарлуу MGGде болгону ~8 эсеге өскөн (сүрөт 2E). Cycling натыйжалары сүрөттө көрсөтүлгөн. S7. Параллель деформация багыты боюнча каршылыктын салыштырмалуу тезирээк өсүшү, жаракалардын багыты токтун агымынын багытына перпендикуляр болгондуктан. Жүктөө жана түшүрүү штаммында каршылыктын четтөөсү SEBS эластомердик субстраттын илешкектүү калыбына келиши менен шартталган. Велосипед тебүү учурунда MGG тилкелеринин туруктуураак каршылыгы графендин жаракаланган бөлүктөрүн (AFM тарабынан байкалгандай) көпүрөө ала турган чоң түрмөктөрдүн болушу менен шартталган, бул өтүүчү жолду сактоого жардам берет. Өткөргүчтүктү сүзүү жолу менен сактоонун мындай көрүнүшү эластомердик субстраттардагы жарылып кеткен металл же жарым өткөргүч пленкалар үчүн мурда кабарланган (40, 41).
Бул графенге негизделген пленкаларды чоюлуучу түзүлүштөрдө дарбаза электроддору катары баалоо үчүн, биз графен катмарын SEBS диэлектрдик катмары (калыңдыгы 2 мкм) менен жаап, диэлектрдик сыйымдуулуктун штаммдын функциясы катары өзгөрүшүнө мониторинг жүргүздүк (2F-сүрөттү жана кошумча материалдарды караңыз. чоо-жайы). Жөнөкөй бир катмарлуу жана эки катмарлуу графен электроддорунун сыйымдуулугу графендин тегиздиктеги өткөргүчтүгүн жоготкондуктан тез азайгандыгын байкадык. Ал эми, MGGs менен жабылган сыйымдуулуктар, ошондой эле жөнөкөй үч катмарлуу графен штамм менен сыйымдуулуктун көбөйүшүн көрсөттү, бул штамм менен диэлектрик калыңдыгынын азайышынан күтүлөт. Күтүлгөн сыйымдуулуктун өсүшү MGG структурасына абдан туура келген (сүрөт S8). Бул MGG чоюлма транзисторлор үчүн дарбаза электрод катары ылайыктуу экенин көрсөтүп турат.
1D графен түрмөгүнүн электр өткөргүчтүгүнүн чыңалуу толеранттуулугундагы ролун андан ары изилдөө жана графен катмарларынын ортосундагы бөлүнүүнү жакшыраак көзөмөлдөө үчүн, графен түрмөктөрүн алмаштыруу үчүн спрей менен капталган CNT колдондук (Кошумча материалдарды караңыз). MGG структураларын туураш үчүн, биз үч тыгыздыктагы CNTs (б.а. CNT1) депонирдик.
(Адан C) CNTs үч түрдүү тыгыздыгы AFM сүрөттөрү (CNT1
Алардын чоюлма электроника үчүн электроддор катары жөндөмдүүлүгүн тереңирээк түшүнүү үчүн биз системалуу түрдө штамм астында MGG жана G-CNT-G морфологияларын изилдедик. Оптикалык микроскопия жана сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) мүнөздөмөлөрдү аныктоонун эффективдүү ыкмалары эмес, анткени экөө тең түстүү контрасттын жоктугу жана SEM графен полимердик субстраттарда болгондо, электрондук сканерлөө учурунда сүрөт артефакттарына дуушар болот (сүрөт. S9 жана S10). Штаммдын астында графендин бетине жеринде байкоо жүргүзүү үчүн, биз AFM өлчөөлөрүн үч катмарлуу MGGs жана жөнөкөй графенди өтө жука (~ 0,1 мм калың) жана ийкемдүү SEBS субстраттарына өткөргөндөн кийин чогулттук. CVD графениндеги ички кемчиликтерден жана өткөрүп берүү процессинде сырткы зыяндан улам, чыңалган графинде сөзсүз түрдө жаракалар пайда болот жана штаммдын өсүшү менен жаракалар тыгызыраак болуп калды (4-сүрөт, Адан Dга чейин). Көмүртектүү электроддордун стектелүү түзүлүшүнө жараша жаракалар ар кандай морфологияларды көрсөтөт (сүр. S11) (27). Көп катмарлуу графендин жарака аянтынын тыгыздыгы (жарык аянты/анализдик аймак катары аныкталат) штаммдан кийин бир катмарлуу графендикинен азыраак, бул MGGs үчүн электр өткөрүмдүүлүктүн жогорулашына шайкеш келет. Башка жагынан алганда, түрмөктөр көп учурда чыңалган тасмада кошумча өткөргүч жолдор менен камсыз кылуу, жаракалар көпүрөсү байкалат. Мисалы, 4В-сүрөттө белгиленгендей, кең түрмөк MGG үч катмарындагы жараканы кесип өттү, бирок жөнөкөй графинде эч кандай жылдыруу байкалган жок (4-сүрөт, E-H). Ошо сыяктуу эле, CNTs да графендеги жаракаларды жапкан (сүр. S11). Жарака аянтынын тыгыздыгы, жылдыруу аянтынын тыгыздыгы жана пленкалардын оройлугу 4К-сүрөттө жалпыланган.
(Адан Hга чейин) 0, 20, 60 жана 100 боюнча өтө жука SEBS (~ 0,1 мм калың) эластомерде үч катмарлуу G/G түрмөктөрүнүн (Адан Dга чейин) жана үч катмарлуу G структураларынын (Еден Нга чейин) in situ AFM сүрөттөрү % штамм. Өкүл жаракалар жана түрмөктөр жебелер менен көрсөтүлгөн. Бардык AFM сүрөттөрү 15 μm × 15 μm мейкиндигинде, белгиленгендей түстүү масштаб тилкесин колдонушат. (I) SEBS субстратындагы үлгүлүү моно катмарлуу графен электроддорунун симуляциялык геометриясы. (J) 20% тышкы штамм боюнча монокатмарлуу графендеги жана SEBS субстратындагы максималдуу негизги логарифмдик штаммдын симуляциялык контур картасы. (K) Ар кандай графен структуралары үчүн жарака аянтынын тыгыздыгын (кызыл мамыча), жылдыруу аянтынын тыгыздыгын (сары тилке) жана беттик тегиздигин (көк мамыча) салыштыруу.
MGG пленкалары сунулганда, түрмөктөр графендин жаракаланган аймактарын бириктирип, өтүүчү тармакты кармап турган маанилүү кошумча механизм бар. Графен түрмөктөрү келечектүү, анткени алардын узундугу ондогон микрометрге жетет жана ошондуктан адатта микрометрдик масштабга чейинки жаракаларды жабууга жөндөмдүү. Андан тышкары, түрмөктөр графендин көп катмарларынан тургандыктан, алар аз каршылыкка ээ болушу күтүлүүдө. Салыштыруу үчүн, салыштырмалуу тыгыз (төмөн өткөргүч) CNT тармактары салыштырмалуу өткөргүч көпүрө жөндөмдүүлүгүн камсыз кылуу үчүн талап кылынат, анткени CNTs кичирээк (демейде узундугу бир нече микрометр) жана түрмөккө караганда азыраак өткөргүч. Экинчи жагынан, сүрөттө көрсөтүлгөндөй. S12, ал эми графен чыңалууга туруштук берүү үчүн чоюлуп жатканда жарылып кетсе, түрмөктөр жарылып кетпейт, бул акыркы графендин астындагы графендин үстүндө тайып жатканын көрсөтүп турат. Алардын жарылып кетпешинин себеби, графендин көп катмарларынан (узундугу ~ 1 - 2 0 мкм, туурасы ~ 0,1 - 1 мкм жана бийиктикте ~ 10 - 100 нм) турган тоголок түзүлүшү менен шартталган. бир катмарлуу графенге караганда эффективдүү модулу жогору. Грин жана Херсам (42) кабарлагандай, металлдык CNT тармактары (трубканын диаметри 1,0 нм) CNTs ортосундагы чоң туташуу каршылыгына карабастан, аз барак каршылыктарына <100 Ом/кв жете алат. Биздин графен түрмөктөрүнүн туурасы 0,1ден 1 мкмге чейин экенин жана G/G түрмөктөрүнүн CNTлерге караганда бир топ чоңураак контакт аймактары бар экенин эске алсак, графен менен графен түрмөктөрүнүн ортосундагы контакттын каршылыгы жана контакт аймагы жогорку өткөргүчтүктү сактоо үчүн чектөө факторлору болбошу керек.
Графен SEBS субстратына караганда бир топ жогору модулга ээ. Графен электродунун эффективдүү калыңдыгы субстраттыкынан бир топ төмөн болсо да, графендин катуулугу анын калыңдыгына салыштырмалуу субстрат менен салыштырууга болот (43, 44), натыйжада орточо катаал арал эффектиси пайда болот. Биз SEBS субстратында 1 нм калыңдыктагы графендин деформациясын окшоштурдук (чоо-жайы үчүн Кошумча материалдарды караңыз). Модельдештирүү натыйжаларына ылайык, 20% штамм SEBS субстратына сырттан колдонулганда, графендеги орточо штамм ~6,6% түзөт (4J-сүрөт жана S13D-сүрөт), бул эксперименталдык байкоолорго шайкеш келет (S13-сүрөттү караңыз) . Биз оптикалык микроскопиянын жардамы менен үлгүлүү графен жана субстрат аймактарындагы штаммдарды салыштырып көрдүк жана субстрат аймагындагы штамм графен аймагындагы штаммдан кеминде эки эсе көп экенин таптык. Бул графен электроддорунун үлгүлөрүнө колдонулган штамм олуттуу чектелип, SEBSтин үстүндө графендин катуу аралдарын түзүшү мүмкүн экенин көрсөтүп турат (26, 43, 44).
Демек, MGG электроддорунун жогорку чыңалуу астында жогорку өткөргүчтүктү сактоо жөндөмдүүлүгү, кыязы, эки негизги механизм аркылуу иштетилген: (i) түрмөктөр өткөргүч перколяция жолун сактап калуу үчүн ажыратылган аймактарды көпүрөө алат жана (ii) көп катмарлуу графен барактары/эластомерлер жылышы мүмкүн. бири-биринин үстүнөн, натыйжада графен электроддорунун штаммдарын азайтат. Эластомерге которулган графендин бир нече катмары үчүн катмарлар бири-бирине катуу жабыштырылбайт, алар штаммга жооп катары жылып кетиши мүмкүн (27). Жылдыруулар ошондой эле графен катмарларынын оройлугун жогорулатты, бул графен катмарларынын ортосундагы бөлүнүүнү көбөйтүүгө жардам берет жана ошондуктан графен катмарларынын жылышын камсыздай алат.
Баардык көмүртектүү аппараттар арзан баада жана жогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгүнөн улам шыктануу менен изденип жатышат. Биздин учурда, бардык көмүртектүү транзисторлор төмөнкү графен дарбазасы, жогорку графен булагы/дренаждык контакт, сорттолгон CNT жарым өткөргүч жана диэлектрик катары SEBS аркылуу жасалган (сүрөт 5А). 5B-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, булак/дренаж жана дарбаза (төмөнкү аппарат) катары CNTs менен бардык көмүртектүү аппарат графен электроддору бар аппаратка (жогорку аппарат) караганда тунук эмес. Себеби CNT тармактары графендикине окшош барак каршылыктарына жетүү үчүн чоңураак жоондуктарды жана, демек, төмөнкү оптикалык өткөргүчтөрдү талап кылат (сүрөт. S4). 5-сүрөттө (C жана D) эки катмарлуу MGG электроддору менен жасалган транзистор үчүн штаммга чейинки репрезентативдик өткөрүп берүү жана чыгаруу ийри сызыктары көрсөтүлгөн. Чыңалбаган транзистордун каналынын туурасы жана узундугу тиешелүүлүгүнө жараша 800 жана 100 мкм болгон. Өлчөнгөн күйгүзүү/өчүрүү катышы тиешелүүлүгүнө жараша 10−5 жана 10−8 А деңгээлинде күйгүзүү жана өчүрүү агымдары менен 103төн чоң. Чыгуу ийри сызыгы ачык-айкын дарбаза-чыңалуу көз карандылыгы менен идеалдуу сызыктуу жана сатурация режимдерин көрсөтүп, CNT менен графен электроддорунун ортосундагы идеалдуу байланышты көрсөтөт (45). Графен электроддорунун контакт каршылыгы бууланган Au пленкасы менен караганда төмөн болгону байкалган (сүрөт S14 караңыз). Чоюлма транзистордун каныккан кыймылдуулугу болжол менен 5,6 см2/Вс, бул диэлектрдик катмар катары 300 нм SiO2 менен катуу Si субстраттарындагы ошол эле полимердик сорттолгон CNT транзисторлоруна окшош. Оптималдаштырылган түтүк тыгыздыгы жана түтүктөрдүн башка түрлөрү менен мобилдүүлүктү андан ары жакшыртууга болот (46).
(A) Графенге негизделген созула турган транзистордун схемасы. SWNTs, бир дубалдуу көмүртек нанотүтүкчөлөрү. (B) Графен электроддорунан (жогорку) жана CNT электроддорунан (төмөндө) жасалган чоюлма транзисторлордун сүрөтү. айкындуулуктун айырмасы ачык байкалат. (C жана D) SEBS боюнча графен негизиндеги транзистордун штамм алдында өткөрүп берүү жана чыгаруу ийри сызыгы. (E жана F) Трансфер ийри сызыктары, күйгүзүү жана өчүрүү агымы, күйгүзүү/өчүрүү катышы жана ар кандай штаммдарда графенге негизделген транзистордун мобилдүүлүгү.
Тунук, бардык көмүртектүү түзүлүш зарядды ташуу багытына параллелдүү багытта созулганда, минималдуу бузулуу 120% штаммга чейин байкалган. Чоюу учурунда мобилдүүлүк 0% штаммда 5,6 см2/Vстен 120% штаммда 2,5 см2/Vs чейин төмөндөгөн (сүрөт 5F). Биз ошондой эле ар кандай канал узундугу үчүн транзистордун иштешин салыштырдык (S1 таблицасын караңыз). Белгилей кетчү нерсе, 105% ге чейин штаммда, бардык бул транзисторлор дагы эле жогорку күйгүзүү/өчүрүү катышын (>103) жана мобилдүүлүктү (>3 см2/Вс) көрсөтүшкөн. Мындан тышкары, биз бардык көмүртектүү транзисторлор боюнча акыркы иштердин жыйынтыгын чыгардык (S2 таблицасын караңыз) (47–52). Эластомерлердеги түзүлүштөрдү жасоону оптималдаштыруу жана MGGлерди контакт катары колдонуу менен, биздин бардык көмүртектүү транзисторлор мобилдүүлүк жана гистерезис жагынан жакшы көрсөткүчтөрдү көрсөтөт, ошондой эле абдан чоюлууга жөндөмдүү.
Толугу менен тунук жана чоюлма транзистордун тиркемесинде биз аны LEDдин которулушун башкаруу үчүн колдондук (сүрөт 6А). 6B-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, жашыл диодду түздөн-түз жогоруда жайгашкан stretchable бардык көмүртектүү аппарат аркылуу даана көрүүгө болот. ~100% чейин созулуп жатканда (сүрөт. 6, C жана D), LED жарыгынын интенсивдүүлүгү өзгөрбөйт, бул жогоруда сүрөттөлгөн транзистордун иштешине шайкеш келет (S1 тасмасын караңыз). Бул графен электроддорунун жардамы менен жасалган чоюлма башкаруу бирдиктеринин биринчи отчету, графен менен чоюлма электроника үчүн жаңы мүмкүнчүлүктү көрсөтөт.
(A) LEDди жетектөө үчүн транзистордун схемасы. GND, жер. (B) жашыл светодиоддун үстүнө орнотулган 0% штаммдагы чоюлма жана тунук бардык көмүртектүү транзистордун сүрөтү. (C) LEDди которуштуруу үчүн колдонулган бүт көмүртектүү тунук жана чоюлма транзистор 0% (солдо) жана ~ 100% штаммда (оңдо) LEDдин үстүнө орнотулууда. Ак жебелер созулуп жаткан аралыктын өзгөрүшүн көрсөтүү үчүн аппараттагы сары маркерлерди көрсөтүп турат. (D) Эластомерге түртүлгөн светодиод менен созулган транзистордун каптал көрүнүшү.
Жыйынтыктап айтканда, биз чоюлма электроддор катары чоң штаммдарда жогорку өткөргүчтүктү сактаган тунук өткөргүч графен структурасын иштеп чыктык, бул графендик наноскроллдор аркылуу үйүлгөн графен катмарларынын ортосундагы. Эластомерлердеги бул эки жана үч катмарлуу MGG электрод структуралары типтүү бир катмарлуу графен электроддору үчүн 5% штаммда өткөргүчтүктү толук жоготууга салыштырганда 100% чейин жогорку штаммда 21 жана 65% 0% штамм өткөргүчтөрүн сактай алат. . Графен түрмөктөрүнүн кошумча өткөргүч жолдору, ошондой эле өткөрүлүп берилген катмарлардын ортосундагы начар өз ара аракеттенүү штамм астында жогорку өткөрүмдүүлүк туруктуулугуна өбөлгө түзөт. Биз андан ары бул графен структурасын толугу менен көмүртектүү чоюлма транзисторлорду жасоо үчүн колдондук. Азырынча бул графенге негизделген эң чоюлгуч транзистор, бүктөлүүнү колдонбостон, эң жакшы тунуктугу. Бул изилдөө чоюлма электроника үчүн графенди иштетүү үчүн жүргүзүлсө да, биз бул ыкманы 2D электроникасын иштетүү үчүн башка 2D материалдарына жайылтууга болот деп ишенебиз.
Чоң аянттагы CVD графен токтотулган Cu фольгаларында (99,999%; Alfa Aesar) 0,5 мторр туруктуу басымында 50–SCCM (мүнөтүнө стандарттык куб сантиметр) CH4 жана 20–SCCM H2 менен 1000°C прекурсорлор катары өстүрүлгөн. Cu фольгасынын эки тарабы моно катмарлуу графен менен капталган. Жука PMMA катмары (2000 айн/мин; A4, Microchem) Cu фольгасынын бир тарабында PMMA/G/Cu фольга/G түзүмүн түздү. андан кийин бүт пленканы 0,1 М аммоний персульфатына [(NH4)2S2O8] эритмесинде 2 саатка жакын чылап, Cu фольгасын сүртүштү. Бул процесстин жүрүшүндө, корголбогон арткы графен адегенде дан чектерин бойлой үзүлүп, андан кийин беттик чыңалуудан улам түрмөккө айланды. Түрмөктөр PMMA/G/G түрмөктөрүн түзгөн PMMA колдогон үстүнкү графен пленкасына тиркелген. Кийинчерээк пленкалар деионизацияланган сууда бир нече жолу жууп, катуу SiO2/Si же пластикалык субстрат сыяктуу максаттуу субстраттын үстүнө коюлду. Тиркелген пленка субстратта кургатылгандан кийин, үлгү PMMAны алып салуу үчүн ырааттуу түрдө ацетонго, 1:1 ацетон/IPA (изопропил спирти) жана IPAга 30 секундага малынган. Тасмалар 100°C температурада 15 мүнөт ысытылган же G/G түрмөгүнүн башка катмары ага которулганга чейин камалып калган сууну толугу менен алып салуу үчүн түнү бою вакуумда сакталган. Бул кадам графен пленкасынын субстраттан бөлүнүшүнө жол бербөө жана PMMA ташуучу катмарын чыгаруу учурунда MGGтердин толук камтылышын камсыз кылуу болгон.
MGG структурасынын морфологиясы оптикалык микроскоптун (Leica) жана сканерлөөчү электрондук микроскоптун (1 кВ; FEI) жардамы менен байкалган. Атомдук күч микроскобу (Nanoscope III, Digital Instrument) G түрмөктөрүнүн майда-чүйдөсүнө чейин байкоо жүргүзүү үчүн таптоо режиминде иштетилген. Тасманын тунуктугу ультра кызгылт көккө көрүнгөн спектрометр (Agilent Cary 6000i) менен сыналган. Штамм токтун агымынын перпендикуляр багытында болгон сыноолор үчүн, фотолитография жана O2 плазмасы графен структураларын тилкелерге түшүрүү үчүн колдонулган (туурасы ~ 300 мкм жана узундугу ~ 2000 мкм) жана Au (50 нм) электроддор термикалык түрдө жайгаштырылды. узун тараптын эки учуна көлөкө маскалар. Андан кийин графен тилкелери SEBS эластомери менен байланышта (~2 см туурасы жана ~5 см узундугу), тилкелердин узун огу SEBSтин кыска тарабына параллель, андан кийин BOE (буфердик кычкыл оксид) (HF: H2O) 1:6) электрдик контакттар катары офорт жана эвтектикалык галлий индийи (EGaIn). Параллелдүү штамм сыноолору үчүн, үлгүсүз графен структуралары (~ 5 × 10 мм) SEBS субстраттарынын узун огу менен SEBS субстратынын узун тарабына параллелдүү болгон. Эки учурда тең бүт G (G түрмөктөрү жок)/SEBS кол аппаратында эластомердин узун тарабын бойлой сунулган жана in situ, биз жарым өткөргүч анализатору (Кейтли 4200) менен зонд станциясында чыңалуу астында алардын каршылык өзгөрүүлөрүн өлчөгөнбүз. -SCS).
Полимердик диэлектриктин жана субстраттын органикалык эриткичтин бузулушунан качуу үчүн ийкемдүү субстраттагы өтө чоюлма жана тунук бардык көмүртектүү транзисторлор төмөнкү процедуралар менен даярдалган. MGG структуралары дарбаза электроддор катары SEBS көздөй өткөрүлүп берилди. Бир калыптагы жука пленкалуу полимердик диэлектрдик катмарды (калыңдыгы 2 мкм) алуу үчүн SEBS толуол (80 мг/мл) эритмеси октадецильтрихлоросилан (OTS) – модификацияланган SiO2/Si субстратына 1000 айн/мин ылдамдыкта 1 мин. Жука диэлектрдик пленканы гидрофобдук OTS бетинен оңой эле даярдалган графен менен капталган SEBS субстратына которууга болот. LCR (индуктивдүүлүк, сыйымдуулук, каршылык) өлчөгүч (Agilent) аркылуу штаммдын функциясы катары сыйымдуулукту аныктоо үчүн суюк металл (EGaIn; Sigma-Oldrich) жогорку электродду салуу менен конденсатор жасалышы мүмкүн. Транзистордун башка бөлүгү мурда билдирилген процедуралар боюнча (53) полимердик сорттолгон жарым өткөргүч CNTлерден турган. Үлгү түрүндөгү булак/дренаждык электроддор катуу SiO2/Si субстраттарында жасалган. Андан кийин, эки бөлүк, диэлектрик / G / SEBS жана CNTs / үлгүдөгү G / SiO2 / Si, бири-бирине ламинатталган жана катуу SiO2 / Si субстратын алып салуу үчүн BOEге чыланган. Ошентип, толугу менен тунук жана чоюлма транзисторлор даярдалган. Штаммдын астында электрдик сыноо жогоруда айтылган ыкма катары кол менен созулган орнотууда жүргүзүлдү.
Бул макала үчүн кошумча материал http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 дареги боюнча жеткиликтүү
сүрөт. S1. SiO2/Si субстраттарында бир катмарлуу MGGнин оптикалык микроскопиялык сүрөттөрү ар кандай чоңойтууда.
сүрөт. S4. Эки зонд барактарынын каршылыктарын жана өткөрүмдүүлүктөрүн салыштыруу @550 нм моно-, эки жана үч катмарлуу жөнөкөй графендин (кара квадраттар), MGG (кызыл тегерекчелер) жана CNTs (көк үч бурчтук).
сүрөт. S7. Тиешелүүлүгүнө жараша 40 жана 90% параллелдүү штаммга чейин ~ 1000 циклдик штамм жүктөө астында моно- жана кош катмарлуу MGGs (кара) жана G (кызыл) нормалдаштырылган каршылык өзгөрүшү.
сүрөт. S10. Штаммдан кийин SEBS эластомериндеги үч катмарлуу MGGдин SEM сүрөтү, бир нече жаракалардын үстүнөн узун жылдыргычты көрсөтүп турат.
сүрөт. S12. 20% штаммдагы өтө жука SEBS эластомериндеги үч катмарлуу MGG AFM сүрөтү, түрмөк жараканын үстүнөн өтүп кеткенин көрсөтүп турат.
таблица S1. Эки катмарлуу MGG – бир дубалдуу көмүртектүү нанотүтүк транзисторлорунун штаммга чейинки жана андан кийинки ар кандай узундуктагы мобилдүүлүктөрү.
Бул ачык жеткиликтүү макала Creative Commons Attribution-Commercial эмес лицензиясынын шарттарына ылайык таркатылып, аны каалаган чөйрөдө колдонууга, жайылтууга жана кайра чыгарууга уруксат берет. келтирилген.
ЭСКЕРТҮҮ: Биз сиздин электрондук почтаңыздын дарегиңизди гана сурайбыз, андыктан сиз баракчаны сунуштап жаткан адам сиз аны көрүүнү каалап жатканыңызды жана ал керексиз кат эмес экенин билиши үчүн. Биз эч кандай электрондук почта дарегин басып жок.
Бул суроо адам зыяратчы экениңизди текшерүү жана автоматташтырылган спам жөнөтүүнү алдын алуу үчүн.
Нан Лю, Алекс Чортос, Тинг Лей, Лихуа Жин, Тэхо Рой Ким, Вон-Гю Бэ, Ченсин Жу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюан Чен, Роберт Синклэр, Женан Бао
Нан Лю, Алекс Чортос, Тинг Лей, Лихуа Жин, Тэхо Рой Ким, Вон-Гю Бэ, Ченсин Жу, Сихонг Ван, Рафаэль Пфаттнер, Сиюан Чен, Роберт Синклэр, Женан Бао
© 2021 Илимди өнүктүрүү боюнча Америка Ассоциациясы. Бардык укуктар корголгон. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef жана COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 өнөктөшү болуп саналат.
Посттун убактысы: 28-январь 2021-жыл