Графен сыяктуу эки өлчөмдүү материалдар салттуу жарым өткөргүчтөрдү колдонуу үчүн да, ийкемдүү электроникадагы жаңыдан колдонулуп келе жаткан колдонмолор үчүн да жагымдуу. Бирок, графендин жогорку созулууга туруктуулугу төмөнкү деформацияда сынууга алып келет, бул анын созулуучу электроникада өзгөчө электрондук касиеттерин пайдаланууну кыйындатат. Тунук графен өткөргүчтөрүнүн деформацияга көз каранды мыкты иштешин камсыз кылуу үчүн, биз көп катмарлуу графен/графен түрмөктөрү (MGG) деп аталган графендин фрагменттелген домендеринин ортосунда графен нанотүрмөктөрүн түздүк. Деформация астында, кээ бир түрмөктөр графендин фрагменттелген домендерин көпүрө катары колдонуп, жогорку деформацияларда эң сонун өткөрүмдүүлүктү камсыз кылган перколяциялык тармакты сактап калды. Эластомерлерде кармалып турган үч катмарлуу MGGлер ток агымынын багытына перпендикуляр болгон 100% деформацияда баштапкы өткөрүмдүүлүгүнүн 65%ын сактап калышты, ал эми нанотүрмөктөрү жок графендин үч катмарлуу пленкалары баштапкы өткөрүмдүүлүгүнүн 25%ын гана сактап калды. MGG электроддорун колдонуу менен жасалган созулуучу толугу менен көмүртектүү транзистор 90% дан ашык өткөрүмдүүлүктү көрсөтүп, баштапкы токтун чыгышынын 60%ын 120% деформацияда (заряддын ташуу багытына параллель) сактап калган. Бул жогорку созулуучу жана тунук толугу менен көмүртектүү транзисторлор татаал созулуучу оптоэлектрониканы иштетүүгө мүмкүндүк берет.
Созулуучу тунук электроника - бул өнүккөн биоинтеграцияланган системаларда маанилүү колдонмолорго ээ болгон (1, 2), ошондой эле татаал жумшак робототехникаларды жана дисплейлерди өндүрүү үчүн созулуучу оптоэлектроника менен интеграциялоо мүмкүнчүлүгүнө ээ болгон (3, 4) өсүп келе жаткан тармак. Графен атомдук калыңдыктын, жогорку тунуктуктун жана жогорку өткөрүмдүүлүктүн абдан каалаган касиеттерин көрсөтөт, бирок анын созулуучу колдонмолордо ишке ашырылышы кичинекей деформацияларда жарака кетүү тенденциясынан улам токтоп калган. Графендин механикалык чектөөлөрүн жеңүү созулуучу тунук түзмөктөрдө жаңы функцияларды ишке ашырууга мүмкүндүк берет.
Графендин уникалдуу касиеттери аны кийинки муундагы тунук өткөргүч электроддор үчүн күчтүү талапкер кылат (5, 6). Эң көп колдонулган тунук өткөргүч, индий калай кычкылы менен салыштырганда [ITO; 90% тунуктукта 100 ом/квадрат (кв)], химиялык буу чөктүрүү (CVD) жолу менен өстүрүлгөн бир катмарлуу графен барактын каршылыгынын (125 ом/кв) жана тунуктуктун (97,4%) окшош айкалышына ээ (5). Мындан тышкары, графен пленкалары ITOго салыштырмалуу өзгөчө ийкемдүүлүккө ээ (7). Мисалы, пластикалык субстратта анын өткөргүчтүгү ийилүү радиусу 0,8 ммге чейин кичинекей болгондо да сакталып калышы мүмкүн (8). Анын тунук ийкемдүү өткөргүч катары электрдик касиеттерин андан ары жогорулатуу үчүн мурунку эмгектерде бир өлчөмдүү (1D) күмүш наносымдары же көмүртек нанотүтүкчөлөрү (CNT) менен графен гибриддик материалдары иштелип чыккан (9–11). Мындан тышкары, графен аралаш өлчөмдүү гетероструктуралык жарым өткөргүчтөр (мисалы, 2D көлөмдүү Si, 1D наносымдары/нанотүтүкчөлөрү 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 созулуучу электроникада колдонулушу механикалык касиеттери менен чектелген (17, 24, 25); графендин тегиздиктеги катуулугу 340 Н/м жана Янг модулу 0,5 ТПа (26). Күчтүү көмүртек-көмүртек тармагы колдонулган деформация үчүн эч кандай энергияны чачыратуу механизмдерин камсыз кылбайт жана ошондуктан 5% дан аз деформацияда оңой эле жарака кетет. Мисалы, полидиметилсилоксан (PDMS) серпилгич субстратына өткөрүлгөн CVD графени өткөрүмдүүлүгүн 6% дан аз деформацияда гана сактай алат (8). Теориялык эсептөөлөр көрсөткөндөй, ар кандай катмарлардын ортосундагы бүктөлүү жана өз ара аракеттенүү катуулукту кескин төмөндөтүшү керек (26). Графенди бир нече катмарларга тизүү менен, бул эки же үч катмарлуу графен 30% деформацияга чейин созулушу мүмкүн экени, бир катмарлуу графенге караганда каршылыктын өзгөрүшүнүн 13 эсе аз экени айтылат (27). Бирок, бул созулуучулугу заманбап созулуучу c өткөргүчтөрүнөн бир топ төмөн (28, 29).
Транзисторлор созулуучу колдонмолордо маанилүү, анткени алар сенсордун татаал окуусун жана сигналдарды талдоону камсыз кылат (30, 31). Көп катмарлуу графен булак/дренаждык электроддор жана канал материалы катары колдонулган PDMS транзисторлору электрдик функцияны 5% чыңалууга чейин сактай алат (32), бул кийилүүчү ден соолукту көзөмөлдөөчү сенсорлор жана электрондук тери үчүн талап кылынган минималдуу мааниден (~50%) бир кыйла төмөн (33, 34). Жакында графен киригами ыкмасы изилденди жана суюк электролит менен жабылган транзисторды 240% га чейин созууга болот (35). Бирок, бул ыкма асма графенди талап кылат, бул жасоо процессин татаалдаштырат.
Бул жерде биз графен катмарларынын ортосунда графен түрмөктөрүн (~1ден 20 мкмге чейин, ~0,1ден 1 мкмге чейин жана ~10дон 100 нмге чейин) аралаштыруу менен жогорку деңгээлде чоюлуучу графен түзүлүштөрүнө жетиштик. Биз бул графен түрмөктөрү графен барактарындагы жаракаларды жоюу үчүн өткөргүч жолдорду камсыздай алат, ошону менен чыңалуу астында жогорку өткөргүчтүктү сактайт деп божомолдойбуз. Графен түрмөктөрү кошумча синтезди же процессти талап кылбайт; алар нымдуу өткөрүү процессинде табигый түрдө пайда болот. Көп катмарлуу G/G (графен/графен) түрмөктөрүн (MGG), графен чоюлуучу электроддорун (булак/дренаж жана дарбаза) жана жарым өткөргүч CNTлерди колдонуу менен биз өтө тунук жана жогорку деңгээлде чоюлуучу толугу менен көмүртектүү транзисторлорду көрсөтө алдык, аларды 120% чыңалууга чейин (заряддын ташуу багытына параллель) чоюп, баштапкы токтун чыгышынын 60%ын сактап калууга болот. Бул азырынча эң чоюлуучу тунук көмүртек негизиндеги транзистор жана ал органикалык эмес светодиодду иштетүү үчүн жетиштүү ток берет.
Чоң аянттагы тунук созулуучу графен электроддорун иштетүү үчүн, биз CVDде өстүрүлгөн графенди Cu фольгасында тандап алдык. Cu фольгасы CVD кварц түтүгүнүн ортосуна илип, графендин эки тарабында тең өсүшүнө мүмкүндүк берип, G/Cu/G структураларын түздү. Графенди өткөрүү үчүн, биз алгач графендин бир тарабын коргоо үчүн поли (метилметакрилат) (PMMA) жука катмарын айлантып каптадык, аны үстүнкү графен деп атадык (графендин экинчи тарабы тескерисинче), андан кийин Cu фольгасын оюп алуу үчүн бүтүндөй пленка (PMMA/үстүнкү графен/Cu/төмөнкү графен) (NH4)2S2O8 эритмесине чыланды. PMMA каптамасы жок астыңкы графенде сөзсүз түрдө жаракалар жана кемчиликтер болот, алар оюгучтун (36, 37) аркылуу өтүшүнө мүмкүндүк берет. 1А-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, беттик чыңалуу таасиринин астында бөлүнүп чыккан графен домендери түрмөктөргө оролуп, андан кийин калган үстүнкү G/PMMA пленкасына бекитилген. Үстүнкү G/G түрмөктөрүн SiO2/Si, айнек же жумшак полимер сыяктуу каалаган негизге өткөрүүгө болот. Бул өткөрүү процессин бир эле негизге бир нече жолу кайталоо MGG структураларын берет.
(A) Созулуучу электрод катары MGGлерди жасоо процедурасынын схемалык иллюстрациясы. Графенди өткөрүп берүү учурунда, Cu фольгасындагы арткы графен чектерде жана кемчиликтерде сынган, каалагандай формага оролгон жана үстүнкү пленкаларга бекем бекитилген, нанотүрмөктөрдү түзгөн. Төртүнчү мультфильмде үйүлгөн MGG түзүлүшү көрсөтүлгөн. (B жана C) Бир катмарлуу MGGнин жогорку чечилиштеги TEM мүнөздөмөлөрү, тиешелүүлүгүнө жараша бир катмарлуу графенге (B) жана түрмөк (C) аймагына басым жасалган. (B) сүрөтү - бул TEM торчосундагы бир катмарлуу MGGлердин жалпы морфологиясын көрсөткөн төмөнкү чоңойтуу сүрөтү. (C) сүрөтүнүн сүрөттөрү - бул сүрөттө көрсөтүлгөн тик бурчтуу кутучалар боюнча алынган интенсивдүүлүк профилдери, мында атомдук тегиздиктердин ортосундагы аралык 0,34 жана 0,41 нм. (D) Мүнөздүү графиттик π* жана σ* чокулары менен белгиленген көмүртектин K-четиндеги EEL спектри. (E) Сары чекиттүү сызык боюнча бийиктик профили бар бир катмарлуу G/G түрмөктөрүнүн кесилиштик AFM сүрөтү. (Fден Iге чейин) 300 нм калыңдыктагы SiO2/Si субстраттарында (F жана H) жок жана түрмөктөрү (G жана I) бар үч катмарлуу Gнин оптикалык микроскопиясы жана AFM сүрөттөрү. Алардын айырмачылыктарын белгилөө үчүн типтүү түрмөктөр жана бырыштар белгиленген.
Түрмөктөрдүн табиятында тоголоктолгон графен экенин текшерүү үчүн, биз монокатмарлуу үстүнкү G/G түрмөк структураларында жогорку чечилиштеги өткөрүүчү электрондук микроскопия (TEM) жана электрон энергиясын жоготуу (EEL) спектроскопиясын изилдедик. 1B сүрөтүндө монокатмарлуу графендин алты бурчтуу түзүлүшү көрсөтүлгөн, ал эми кошумча сүрөттө TEM торчосунун бир көмүртек тешигине капталган пленканын жалпы морфологиясы көрсөтүлгөн. Монокатмарлуу графен торчонун көпчүлүк бөлүгүн камтыйт жана алты бурчтуу шакекчелердин бир нече стектери бар жерде кээ бир графен кабырчыктары пайда болот (1B сүрөт). Жеке түрмөккө масштабдоо менен (1C сүрөт), биз көп сандаган графен торчосунун четтерин байкадык, алардын торчо аралыгы 0,34төн 0,41 нмге чейин. Бул өлчөөлөр кабырчыктардын кокусунан тоголоктолгонун жана "ABAB" катмарынын стектөөсүндө торчо аралыгы 0,34 нм болгон кемчиликсиз графит эмес экенин көрсөтүп турат. 1D-сүрөттө көмүртектин K-четиндеги EEL спектри көрсөтүлгөн, мында 285 эВ чокусу π* орбиталынан башталат, ал эми 290 эВ тегерегиндеги экинчиси σ* орбиталынын өтүшүнөн келип чыгат. Бул түзүлүштө sp2 байланышы үстөмдүк кылаарын, бул түрмөктөрдүн жогорку графиттүү экенин тастыктай турганын көрүүгө болот.
Оптикалык микроскопия жана атомдук күч микроскопиясы (AFM) сүрөттөрү MGGдеги графен нанотүргүчтөрүнүн таралышын түшүнүүгө мүмкүндүк берет (1-сүрөт, Eден Gге чейин жана S1 жана S2 сүрөттөрү). Түргүчтөр бетке туш келди бөлүштүрүлгөн жана алардын тегиздиктеги тыгыздыгы кабатталган катмарлардын санына пропорционалдуу түрдө жогорулайт. Көптөгөн түргүчтөр түйүндөргө чырмалышып, 10дон 100 нмге чейинки диапазондо бирдей эмес бийиктиктерди көрсөтөт. Алардын узундугу 1ден 20 мкмге чейин жана туурасы 0,1ден 1 мкмге чейин, бул алардын баштапкы графен кабырчыктарынын өлчөмүнө жараша болот. 1-сүрөттө (H жана I) көрсөтүлгөндөй, түргүчтөрдүн өлчөмдөрү бырыштарга караганда бир топ чоңураак, бул графен катмарларынын ортосундагы бир топ одоно интерфейске алып келет.
Электрдик касиеттерди өлчөө үчүн, биз фотолитографияны колдонуп, 300 мкм туурасындагы жана 2000 мкм узундуктагы тилкелерге спираль структуралары жана катмарлардын жыйындысы бар же жок графен пленкаларын үлгү кылдык. Чыңалуу функциясы катары эки зонддук каршылыктар айлана-чөйрө шарттарында өлчөнгөн. Спиральдардын болушу бир катмарлуу графендин каршылыгын 80% га төмөндөтүп, өткөрүмдүүлүгүн 2,2% гана төмөндөткөн (S4-сүрөт). Бул 5 × 107 А/см2ге чейинки жогорку ток тыгыздыгына ээ болгон наноспиральдардын MGGге абдан оң электрдик салым кошоорун тастыктайт (38, 39). Бардык моно-, би- жана үч катмарлуу жөнөкөй графен жана MGGлердин арасында үч катмарлуу MGG эң жакшы өткөрүмдүүлүккө ээ, анын тунуктугу дээрлик 90% түзөт. Адабиятта келтирилген графендин башка булактары менен салыштыруу үчүн, биз төрт зонддуу барактын каршылыгын да өлчөдүк (S5-сүрөт) жана аларды 2А-сүрөттө 550 нмдеги өткөрүмдүүлүктүн функциясы катары көрсөттүк (S6-сүрөт). MGG жасалма түрдө үйүлгөн көп катмарлуу жөнөкөй графенге жана калыбына келтирилген графен кычкылына (RGO) караганда салыштырмалуу же андан жогору өткөрүмдүүлүктү жана тунуктукту көрсөтөт (6, 8, 18). Адабияттагы жасалма түрдө үйүлгөн көп катмарлуу жөнөкөй графендин барак каршылыгы биздин MGGге караганда бир аз жогору экенин эске алыңыз, балким, алардын оптималдаштырылбаган өсүү шарттары жана өткөрүү ыкмасынан улам.
(A) Графендин бир нече түрлөрү үчүн 550 нмдеги төрт зонддуу барактын каршылыгына салыштырмалуу өткөрүмдүүлүк, мында кара квадраттар моно-, би- жана үч катмарлуу MGGлерди билдирет; кызыл тегерекчелер жана көк үч бурчтуктар тиешелүүлүгүнө жараша Ли жана башкалар (6) жана Ким жана башкалар (8) изилдөөлөрүнөн алынган Cu жана Niде өстүрүлгөн жана кийинчерээк SiO2/Si же кварцка өткөрүлгөн көп катмарлуу жөнөкөй графенге дал келет; ал эми жашыл үч бурчтуктар Бонаккорсо жана башкалар (18) изилдөөсүнөн алынган ар кандай төмөндөө даражаларындагы RGO үчүн маанилер болуп саналат. (B жана C) Ток агымынын багытына перпендикулярдуу (B) жана параллель (C) деформациясынын функциясы катары моно-, би- жана үч катмарлуу MGGлердин жана Gнин нормалдаштырылган каршылык өзгөрүшү. (D) Циклдик деформация жүктөмү астында 50% перпендикулярдуу деформацияга чейинки эки катмарлуу G (кызыл) жана MGG (кара)нын нормалдаштырылган каршылык өзгөрүшү. (E) Циклдик деформация жүктөмү 90% га чейинки параллель деформацияга чейинки G (кызыл) жана MGG (кара) үч катмарлуу Gнин нормалдаштырылган каршылык өзгөрүшү. (F) Моно-, би- жана үч катмарлуу G жана эки- жана үч катмарлуу MGGлердин чыңалуу функциясы катары нормалдаштырылган сыйымдуулуктун өзгөрүшү. Киргизилген сүрөттө конденсатордун түзүлүшү көрсөтүлгөн, мында полимердик негиз SEBS жана полимердик диэлектрик катмар 2 мкм калыңдыктагы SEBS болуп саналат.
MGGнин деформацияга көз каранды иштешин баалоо үчүн, биз графенди термопластикалык эластомер стирол-этилен-бутадиен-стирол (SEBS) субстраттарына (туурасы ~ 2 см жана узундугу ~ 5 см) котордук жана субстрат токтун агымынын багытына перпендикуляр жана параллель созулганда өткөрүмдүүлүк өлчөнгөн (Материалдар жана методдорду караңыз) (2-сүрөт, B жана C). Деформацияга көз каранды электрдик жүрүм-турум нанотүргүчтөрдүн кошулушу жана графен катмарларынын санынын көбөйүшү менен жакшырган. Мисалы, деформация токтун агымына перпендикуляр болгондо, бир катмарлуу графен үчүн түрмөктөрдү кошуу электрдик үзүлүштөгү деформацияны 5тен 70%га чейин жогорулаткан. Үч катмарлуу графендин деформацияга чыдамдуулугу да бир катмарлуу графенге салыштырмалуу бир топ жакшырган. Нанотүргүчтөр менен, 100% перпендикулярдуу деформацияда, үч катмарлуу MGG структурасынын каршылыгы түрмөктөрү жок үч катмарлуу графен үчүн 300%га салыштырмалуу 50% гана жогорулаган. Циклдик деформация жүктөмүнүн астында каршылыктын өзгөрүшү изилденген. Салыштыруу үчүн (2D-сүрөт), жөнөкөй эки катмарлуу графен пленкасынын каршылыгы 50% перпендикулярдык деформацияда ~700 циклден кийин болжол менен 7,5 эсеге көбөйгөн жана ар бир циклде деформация менен жогорулай берген. Башка жагынан алганда, эки катмарлуу MGG каршылыгы ~700 циклден кийин болжол менен 2,5 эсеге гана көбөйгөн. Параллель багыт боюнча 90% га чейин деформация колдонулганда, үч катмарлуу графендин каршылыгы 1000 циклден кийин ~100 эсеге көбөйгөн, ал эми үч катмарлуу MGGде ал ~8 эсеге гана көбөйгөн (2E-сүрөт). Циклдөөнүн жыйынтыктары S7-сүрөттө көрсөтүлгөн. Параллель деформация багыты боюнча каршылыктын салыштырмалуу тезирээк өсүшү жаракалардын багыты ток агымынын багытына перпендикуляр болгондуктан. Жүктөө жана түшүрүү деформациясы учурунда каршылыктын четтөөсү SEBS эластомердик субстратынын вискоэластикалык калыбына келишине байланыштуу. Циклдөө учурунда MGG тилкелеринин туруктуураак каршылыгы графендин жарака кеткен бөлүктөрүн көпүрө катары колдоно турган чоң түрмөктөрдүн болушу менен байланыштуу (AFM байкагандай), бул перколяциялык жолду сактоого жардам берет. Перколяциялык жол менен өткөрүмдүүлүктү сактоонун бул кубулушу эластомердик субстраттардагы жарака кеткен металл же жарым өткөргүч пленкалар үчүн мурда кабарланган (40, 41).
Бул графен негизиндеги пленкаларды чоюлуучу түзүлүштөрдөгү дарбаза электроддору катары баалоо үчүн, биз графен катмарын SEBS диэлектрик катмары (калыңдыгы 2 мкм) менен каптап, диэлектрик сыйымдуулуктун өзгөрүшүн деформация функциясы катары көзөмөлдөдүк (кененирээк маалымат алуу үчүн 2F сүрөтүн жана Кошумча материалдарды караңыз). Биз жөнөкөй бир катмарлуу жана эки катмарлуу графен электроддору менен сыйымдуулук графендин тегиздиктеги өткөрүмдүүлүгүнүн жоголушунан улам тез төмөндөгөнүн байкадык. Ал эми, MGG, ошондой эле жөнөкөй үч катмарлуу графен менен жабдылган сыйымдуулуктар деформация менен сыйымдуулуктун жогорулаганын көрсөттү, бул деформация менен диэлектрик калыңдыгынын азайышынан улам күтүлөт. Күтүлүп жаткан сыйымдуулуктун жогорулашы MGG түзүмүнө абдан дал келди (S8 сүрөт). Бул MGG чоюлуучу транзисторлор үчүн дарбаза электроду катары ылайыктуу экенин көрсөтүп турат.
Электр өткөрүмдүүлүгүнүн чыңалууга чыдамдуулугундагы 1D графен түрмөгүнүн ролун андан ары изилдөө жана графен катмарларынын ортосундагы бөлүнүүнү жакшыраак көзөмөлдөө үчүн, биз графен түрмөктөрүн алмаштыруу үчүн чачыратма менен капталган CNTлерди колдондук (кошумча материалдарды караңыз). MGG структураларын туурап, биз үч тыгыздыктагы CNTлерди (башкача айтканда, CNT1) топтодук.
(А дан С га чейин) Үч башка тыгыздыктагы CNTлердин (CNT1) AFM сүрөттөрү
Алардын созулуучу электроника үчүн электроддор катары мүмкүнчүлүктөрүн тереңирээк түшүнүү үчүн, биз MGG жана G-CNT-G деформацияланган морфологияларын системалуу түрдө изилдедик. Оптикалык микроскопия жана сканерлөөчү электрондук микроскопия (SEM) натыйжалуу мүнөздөө ыкмалары эмес, анткени экөөндө тең түстүү контраст жок жана SEM графен полимердик субстраттарда болгондо электрондук сканерлөө учурунда сүрөт артефакттарына дуушар болот (S9 жана S10-сүрөттөр). Деформацияланган графендин бетин жеринде байкоо үчүн, биз өтө жука (~0,1 мм калыңдыктагы) жана ийкемдүү SEBS субстраттарына которулгандан кийин үч катмарлуу MGG жана жөнөкөй графен боюнча AFM өлчөөлөрүн чогулттук. CVD графениндеги ички кемчиликтерден жана которуу процессиндеги тышкы зыяндан улам, деформацияланган графенде сөзсүз түрдө жаракалар пайда болот жана деформациянын көбөйүшү менен жаракалар тыгызыраак болуп калат (4-сүрөт, А дан D га чейин). Көмүртек негизиндеги электроддордун катмарлашуу түзүлүшүнө жараша, жаракалар ар кандай морфологияны көрсөтөт (S11-сүрөт) (27). Көп катмарлуу графендин жарака аянтынын тыгыздыгы (жарака аянты/талданган аянт катары аныкталат) деформациядан кийинки бир катмарлуу графендикине караганда азыраак, бул MGG үчүн электр өткөрүмдүүлүгүнүн жогорулашына дал келет. Башка жагынан алганда, жаракаларды көпүрөлөө үчүн көпүрөлөр көп кездешет, бул деформацияланган пленкада кошумча өткөргүч жолдорду камсыз кылат. Мисалы, 4B сүрөтүндөгү сүрөттө белгиленгендей, кең көпүрө үч катмарлуу MGGдеги жараканын үстүнөн өтүп кеткен, бирок жөнөкөй графенде эч кандай көпүрө байкалган эмес (4-сүрөт, Eден Hге чейин). Ошо сыяктуу эле, CNTлер да графендеги жаракаларды көпүрөлөшкөн (S11-сүрөт). Жарака аянтынын тыгыздыгы, айланма аянтынын тыгыздыгы жана пленкалардын оройлугу 4K сүрөтүндө кыскача көрсөтүлгөн.
(A дан H га чейин) Үч катмарлуу G/G түрмөктөрүнүн (A дан D га чейин) жана үч катмарлуу G структураларынын (E дан H га чейин) 0, 20, 60 жана 100% деформацияда өтө жука SEBS (~0,1 мм калыңдыктагы) эластомериндеги in situ AFM сүрөттөрү. Өкүлчүлүктүү жаракалар жана түрмөктөр жебелер менен белгиленген. Бардык AFM сүрөттөрү белгиленгендей эле түстүү масштаб тилкесин колдонуп, 15 мкм × 15 мкм аянтта жайгашкан. (I) SEBS негизиндеги үлгүлүү бир катмарлуу графен электроддорунун симуляция геометриясы. (J) Бир катмарлуу графендеги жана SEBS негизиндеги максималдуу негизги логарифмдик деформациянын 20% тышкы деформацияда симуляциялоо контурдук картасы. (K) Ар кандай графен структуралары үчүн жарака аянтынын тыгыздыгын (кызыл мамыча), түрмөк аянтынын тыгыздыгын (сары мамыча) жана беттин тегиздигин (көк мамыча) салыштыруу.
MGG пленкалары чоюлганда, түрмөктөр графендин жарака кеткен аймактарын көпүрө катары колдонуп, перколяциялык тармакты сактап кала турган маанилүү кошумча механизм бар. Графен түрмөктөрү келечектүү, анткени алардын узундугу ондогон микрометрге жетет жана ошондуктан, адатта, микрометр масштабына чейинки жаракаларды көпүрө катары колдоно алат. Андан тышкары, түрмөктөр графендин көп катмарларынан тургандыктан, алардын каршылык деңгээли төмөн болот деп күтүлүүдө. Салыштырмалуу, салыштырмалуу тыгыз (төмөн өткөрүмдүүлүк) CNT тармактары окшош өткөргүчтүк көпүрө мүмкүнчүлүгүн камсыз кылуу үчүн талап кылынат, анткени CNTлер түрмөктөргө караганда кичирээк (адатта, узундугу бир нече микрометр) жана аз өткөргүч. Башка жагынан алганда, S12-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, графен чыңалууну көтөрүү үчүн чоюлуу учурунда жарака кетсе, түрмөктөр жарака кетпейт, бул акыркысы астындагы графенде жылмышып жаткан болушу мүмкүн экенин көрсөтүп турат. Алардын жарака кетпешинин себеби, кыязы, графендин көптөгөн катмарларынан (~1ден 20 мкмге чейин, ~0,1ден 1 мкмге чейин жана ~10дон 100 нмге чейин) турган тоголок түзүлүшкө байланыштуу, ал бир катмарлуу графенге караганда жогорку эффективдүү модулга ээ. Грин жана Херсам (42) билдиргендей, металл CNT тармактары (түтүктүн диаметри 1,0 нм) CNTлердин ортосундагы чоң өткөөл каршылыкка карабастан, төмөнкү барак каршылыктарына <100 ом/кв жетише алат. Биздин графен түрмөктөрүбүздүн туурасы 0,1ден 1 мкмге чейин экенин жана G/G түрмөктөрүнүн CNTлерге караганда алда канча чоң контакт аянттары бар экенин эске алганда, графен менен графен түрмөктөрүнүн ортосундагы контакт каршылыгы жана контакт аянты жогорку өткөрүмдүүлүктү сактоо үчүн чектөөчү фактор болбошу керек.
Графендин модулу SEBS субстратына караганда бир топ жогору. Графен электродунун эффективдүү калыңдыгы субстраттыкына караганда бир топ төмөн болгону менен, графендин катуулугун анын калыңдыгына көбөйтүү субстраттыкына салыштырмалуу (43, 44), натыйжада орточо катуу арал эффектиси пайда болот. Биз SEBS субстратында 1 нм калыңдыктагы графендин деформациясын симуляцияладык (кененирээк маалымат алуу үчүн Кошумча материалдарды караңыз). Моделдөөнүн жыйынтыктарына ылайык, SEBS субстратына сырттан 20% деформация колдонулганда, графендеги орточо деформация ~6,6% түзөт (4J-сүрөт жана S13D-сүрөт), бул эксперименталдык байкоолорго дал келет (S13-сүрөттү караңыз). Биз оптикалык микроскопияны колдонуп, үлгүлүү графен жана субстрат аймактарындагы деформацияны салыштырып, субстрат аймагындагы деформация графен аймагындагы деформациядан кеминде эки эсе көп экенин аныктадык. Бул графен электрод үлгүлөрүнө колдонулган деформация бир топ чектелип, SEBSтин үстүндө графендин катуу аралчаларын пайда кылышы мүмкүн экенин көрсөтүп турат (26, 43, 44).
Ошондуктан, MGG электроддорунун жогорку чыңалуу астында жогорку өткөрүмдүүлүктү сактоо жөндөмү эки негизги механизм менен камсыз болушу мүмкүн: (i) спиралдар өткөргүч перколяция жолун сактоо үчүн ажыратылган аймактарды көпүрө катары колдоно алат жана (ii) көп катмарлуу графен барактары/эластомер бири-биринин үстүнөн жылып, графен электроддоруна болгон чыңалууну азайтышы мүмкүн. Эластомердеги которулган графендин бир нече катмары үчүн катмарлар бири-бирине бекем жабышпайт, бул чыңалууга жооп катары жылып кетиши мүмкүн (27). спиралдар ошондой эле графен катмарларынын оройлугун жогорулаткан, бул графен катмарларынын ортосундагы ажырымды көбөйтүүгө жардам берет жана ошентип графен катмарларынын жылмышуусуна мүмкүндүк берет.
Толугу менен көмүртектүү түзүлүштөр арзан жана жогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгүнөн улам ынталуулук менен колдонулууда. Биздин учурда, толугу менен көмүртектүү транзисторлор төмөнкү графен дарбазасын, үстүнкү графен булагы/дренаж контактын, сорттолгон CNT жарым өткөргүчтү жана диэлектрик катары SEBSти колдонуу менен жасалган (5А-сүрөт). 5B-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, булак/дренаж жана дарбаза (төмөнкү түзүлүш) катары CNT'лер колдонулган толугу менен көмүртектүү түзүлүш графен электроддору бар түзүлүшкө (үстүнкү түзүлүш) караганда тунук эмес. Себеби, CNT тармактары графендикине окшош барак каршылыктарына жетүү үчүн чоңураак калыңдыкты жана натыйжада төмөнкү оптикалык өткөрүмдүүлүктү талап кылат (S4-сүрөт). 5-сүрөттө (C жана D) эки катмарлуу MGG электроддору менен жасалган транзистор үчүн деформацияга чейинки типтүү өткөрүү жана чыгаруу ийри сызыктары көрсөтүлгөн. Денеленбеген транзистордун канал туурасы жана узундугу тиешелүүлүгүнө жараша 800 жана 100 мкм болгон. Өлчөнгөн күйгүзүү/өчүрүү катышы тиешелүүлүгүнө жараша 10−5 жана 10−8 А деңгээлдеринде күйгүзүлгөн жана өчүрүлгөн ток менен 103төн чоң. Чыгуу ийри сызыгы дарбаза чыңалуусуна көз карандылыгы бар идеалдуу сызыктуу жана каныккандык режимдерин көрсөтөт, бул CNTлер менен графен электроддорунун ортосундагы идеалдуу байланышты көрсөтөт (45). Графен электроддору менен байланыш каршылыгы бууланган Au пленкасына караганда төмөн экени байкалган (S14-сүрөттү караңыз). Созулуучу транзистордун каныккандык кыймылдуулугу болжол менен 5,6 см2/Vs түзөт, бул диэлектрик катмары катары 300 нм SiO2 колдонулган катуу Si субстраттарындагы ошол эле полимер-сортталган CNT транзисторлоруна окшош. Мобилдүүлүктү андан ары жакшыртуу түтүктүн тыгыздыгын жана башка типтеги түтүктөрдү оптималдаштыруу менен мүмкүн (46).
(A) Графен негизиндеги созулуучу транзистордун схемасы. SWNTлер, бир дубалдуу көмүртек нанотүтүкчөлөрү. (B) Графен электроддорунан (үстү) жана CNT электроддорунан (асты) жасалган созулуучу транзисторлордун сүрөтү. Тунуктуулуктун айырмасы даана байкалат. (C жана D) Графен негизиндеги транзистордун SEBSтеги деформацияга чейинки өткөрүү жана чыгаруу ийри сызыктары. (E жана F) Өткөрүү ийри сызыктары, күйгүзүү жана өчүрүү тогу, күйгүзүү/өчүрүү катышы жана графен негизиндеги транзистордун ар кандай деформациялардагы кыймылдуулугу.
Тунук, толугу менен көмүртектүү түзүлүш заряддын ташуу багытына параллель багытта созулганда, 120% деформацияга чейин минималдуу деградация байкалган. Созуу учурунда кыймылдуулук 0% деформацияда 5,6 см2/Vsден 120% деформацияда 2,5 см2/Vsге чейин тынымсыз төмөндөгөн (5F-сүрөт). Ошондой эле, биз ар кандай канал узундуктары үчүн транзистордун иштешин салыштырдык (S1 таблицасын караңыз). Белгилей кетчү нерсе, 105% сыяктуу чоң деформацияда бул транзисторлордун баары дагы эле жогорку күйгүзүү/өчүрүү катышын (>103) жана кыймылдуулукту (>3 см2/Vs) көрсөтүштү. Мындан тышкары, биз толугу менен көмүртектүү транзисторлор боюнча акыркы иштердин баарын жыйынтыктадык (S2 таблицасын караңыз) (47–52). Эластомерлерде түзүлүштү жасоону оптималдаштыруу жана MGGлерди контакт катары колдонуу менен, биздин толугу менен көмүртектүү транзисторлорубуз кыймылдуулук жана гистерезис жагынан жакшы көрсөткүчтөрдү, ошондой эле жогорку созулууну көрсөтөт.
Толугу менен тунук жана чоюлма транзисторду колдонуу катары, биз аны LEDдин которулушун башкаруу үчүн колдондук (6А-сүрөт). 6B-сүрөттө көрсөтүлгөндөй, жашыл LEDди түздөн-түз жогору жакта жайгашкан чоюлма толугу менен көмүртектүү түзүлүш аркылуу даана көрүүгө болот. ~100% га чейин созулганда (6-сүрөт, C жана D), LED жарыгынын интенсивдүүлүгү өзгөрбөйт, бул жогоруда сүрөттөлгөн транзистордун иштешине дал келет (S1 тасмасын караңыз). Бул графен электроддорун колдонуу менен жасалган чоюлма башкаруу блокторунун биринчи отчету, графен менен чоюлма электроника үчүн жаңы мүмкүнчүлүктү көрсөтөт.
(A) Светодиодду иштетүүчү транзистордун схемасы. GND, жерге туташтыруу. (B) Жашыл светодиоддун үстүнө орнотулган 0% деформациядагы чоюлуучу жана тунук толугу менен көмүртектүү транзистордун сүрөтү. (C) Светодиодду которуштуруу үчүн колдонулган толугу менен көмүртектүү тунук жана чоюлуучу транзистор Светодиоддун үстүнө 0% (солдо) жана ~100% деформацияда (оңдо) орнотулуп жатат. Ак жебелер түзүлүштөгү сары маркерлер катары көрсөтүп, аралыктын өзгөрүшүн көрсөтөт. (D) Созулган транзистордун каптал көрүнүшү, светодиод эластомерге түртүлгөн.
Жыйынтыктап айтканда, биз чоюлуучу электроддор катары чоң деформациялардын астында жогорку өткөрүмдүүлүктү сактаган тунук өткөргүч графен структурасын иштеп чыктык, бул графен катмарларынын ортосундагы графен нанотүрмөктөрү менен камсыз кылынат. Эластомердеги бул эки жана үч катмарлуу MGG электрод структуралары 100% га чейинки деформацияда 0% деформация өткөрүмдүүлүгүнүн тиешелүүлүгүнө жараша 21 жана 65% сактай алат, ал эми типтүү бир катмарлуу графен электроддору үчүн 5% деформацияда өткөрүмдүүлүктүн толук жоголушуна салыштырмалуу. Графен түрмөктөрүнүн кошумча өткөргүч жолдору, ошондой эле которулган катмарлардын ортосундагы алсыз өз ара аракеттенүү деформациянын астында жогорку өткөрүмдүүлүк туруктуулугуна өбөлгө түзөт. Биз бул графен структурасын толугу менен көмүртектүү чоюлуучу транзисторлорду жасоо үчүн колдондук. Азырынча бул бүктөлүүчү транзисторлорду колдонбостон эң жакшы тунуктукка ээ болгон эң чоюлуучу графенге негизделген транзистор. Бул изилдөө чоюлуучу электроника үчүн графенди иштетүү максатында жүргүзүлгөнү менен, биз бул ыкманы чоюлуучу 2D электрониканы иштетүү үчүн башка 2D материалдарга да жайылтууга болот деп эсептейбиз.
Чоң аянттагы CVD графени 1000°C температурада прекурсорлор катары 50–SCCM (стандарттык куб сантиметр) CH4 жана 20–SCCM H2 менен 0,5 мторр туруктуу басым астында асма Cu фольгаларында (99,999%; Alfa Aesar) өстүрүлгөн. Cu фольгасынын эки тарабы тең бир катмарлуу графен менен капталган. Cu фольгасынын бир тарабына PMMAнын жука катмары (2000 айн/мин; A4, Microchem) айланма жол менен капталып, PMMA/G/Cu фольгасы/G түзүмүн түзгөн. Андан кийин, Cu фольгасын оюп алуу үчүн бүт пленка 0,1 М аммоний персульфатынын [(NH4)2S2O8] эритмесине болжол менен 2 саат чыланган. Бул процесстин жүрүшүндө корголбогон арткы графен алгач дан чек аралары боюнча айрылып, андан кийин беттик тартылуудан улам түрмөктөргө айланган. Түрмөктөр PMMA колдогон үстүнкү графен пленкасына бекитилип, PMMA/G/G түрмөктөрүн түзгөн. Андан кийин пленкалар деиондоштурулган сууда бир нече жолу жуулуп, катуу SiO2/Si же пластикалык субстрат сыяктуу максаттуу субстратка төшөлгөн. Тиркелген пленка субстратта кургагандан кийин, үлгү PMMAны кетирүү үчүн ацетонго, 1:1 ацетон/IPAга (изопропил спиртине) жана IPAга 30 секунддан удаалаш чыланган. Пленкалар 100°C температурада 15 мүнөт ысытылган же G/G сыдырмасынын дагы бир катмары өткөрүлгөнгө чейин кармалып калган сууну толугу менен кетирүү үчүн түнү бою вакуумда кармалган. Бул кадам субстраттан графен пленкасынын ажырап кетишине жол бербөө жана PMMA алып жүрүүчү катмарынын бөлүнүп чыгышы учурунда MGGлерди толук каптоону камсыз кылуу болгон.
MGG түзүлүшүнүн морфологиясы оптикалык микроскоп (Leica) жана сканерлөөчү электрондук микроскоп (1 кВ; FEI) аркылуу байкалган. G түрмөктөрүнүн деталдарын байкоо үчүн атомдук күч микроскобу (Nanoscope III, Digital Instrument) таптоо режиминде иштетилген. Плёнканын тунуктугу ультрафиолет-көрүнүүчү спектрометр (Agilent Cary 6000i) менен текшерилген. Деформация ток агымынын перпендикулярдуу багыты боюнча болгон сыноолор үчүн графен структураларын тилкелерге (туурасы ~ 300 мкм жана узундугу ~ 2000 мкм) үлгүлөө үчүн фотолитография жана O2 плазмасы колдонулган, ал эми узун тарабынын эки учуна тең көлөкө маскаларын колдонуу менен Au (50 нм) электроддору термикалык түрдө чөктүрүлгөн. Андан кийин графен тилкелери SEBS эластомери (туурасы ~2 см жана узундугу ~5 см) менен байланыштырылган, тилкелердин узун огу SEBSтин кыска тарабына параллель, андан кийин BOE (буфердик оксид оюу) (HF:H2O 1:6) оюу жана электрдик контакттар катары эвтектикалык галлий индий (EGaIn) колдонулган. Параллель деформация сыноолору үчүн, үлгүсүз графен структуралары (~5 × 10 мм) SEBS субстраттарына которулган, узун октор SEBS субстратынын узун тарабына параллель болгон. Эки учурда тең, G (G түрмөктөрү жок)/SEBS толугу менен кол менен башкарылуучу аппаратта эластомердин узун тарабы боюнча созулган жана ордунда биз жарым өткөргүч анализатору (Keithley 4200-SCS) менен зонд станциясында деформация астында алардын каршылык өзгөрүүлөрүн өлчөдүк.
Серпилгич субстраттагы жогорку созулуучу жана тунук толугу менен көмүртектүү транзисторлор полимер диэлектриги менен субстраттын органикалык эриткичтин зыянына учурабашы үчүн төмөнкү процедуралар менен жасалган. MGG структуралары SEBSке дарбаза электроддору катары өткөрүлгөн. Бирдей жука пленкалуу полимер диэлектрик катмарын (калыңдыгы 2 мкм) алуу үчүн, SEBS толуол (80 мг/мл) эритмеси октадецилтрихлорсилан (OTS) менен модификацияланган SiO2/Si субстратына 1000 айн/мин ылдамдыкта 1 мүнөт бою айланма каптоо менен капталган. Жука диэлектрик пленканы гидрофобдук OTS бетинен даярдалган графен менен капталган SEBS субстратына оңой эле өткөрүүгө болот. Конденсаторду LCR (индуктивдүүлүк, сыйымдуулук, каршылык) өлчөгүчтү (Agilent) колдонуп, деформация функциясы катары сыйымдуулукту аныктоо үчүн суюк металл (EGaIn; Sigma-Aldrich) үстүнкү электродун куюу менен жасоого болот. Транзистордун башка бөлүгү мурда билдирилген процедураларга ылайык (53) полимер менен сорттолгон жарым өткөргүч CNTлерден турган. Үлгүлүү булак/дренаждык электроддор катуу SiO2/Si субстраттарында жасалган. Андан кийин, диэлектриктик/G/SEBS жана CNTs/үлгүлүү G/SiO2/Si эки бөлүк бири-бирине ламинатталган жана катуу SiO2/Si субстратын алып салуу үчүн BOEге чыланган. Ошентип, толугу менен тунук жана созулуучу транзисторлор жасалган. Чыңалуу астындагы электрдик сыноо жогоруда айтылган ыкма сыяктуу кол менен созулуучу түзүлүштө жүргүзүлдү.
Бул макала үчүн кошумча материалдарды http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 дарегинен тапса болот.
S1 сүрөтү. SiO2/Si субстраттарындагы ар кандай чоңойтуулардагы MGG бир катмарынын оптикалык микроскопиялык сүрөттөрү.
Сүрөт S4. Моно-, би- жана үч катмарлуу жөнөкөй графендин (кара квадраттардын), MGGнин (кызыл тегерекчелердин) жана CNTлердин (көк үч бурчтуктун) 550 нмдеги эки зонддуу барактын каршылыгын жана өткөрүмдүүлүгүн салыштыруу.
сүрөт S7. ~1000 циклдик деформация жүктөмү астында тиешелүүлүгүнө жараша 40 жана 90% параллель деформацияга чейинки моно- жана эки катмарлуу MGG (кара) жана G (кызыл) үчүн нормалдаштырылган каршылыктын өзгөрүшү.
S10-сүрөт. SEBS эластомериндеги деформациядан кийинки үч катмарлуу MGGнин SEM сүрөтү, бир нече жаракалардын үстүндөгү узун сыдырма кайчылаш сызыкты көрсөтөт.
сүрөт S12. Өтө жука SEBS эластомериндеги 20% деформацияланган үч катмарлуу MGG AFM сүрөтү, ал жараканын үстүнөн өтүп кеткен түрмөктү көрсөтөт.
S1 таблицасы. Ар кандай канал узундугундагы эки катмарлуу MGG–бир дубалдуу көмүртек нанотүтүкчөлөрүнүн деформацияга чейинки жана андан кийинки кыймылдуулугу.
Бул Creative Commons Attribution-NonCommercial лицензиясынын шарттары боюнча таратылган ачык жеткиликтүү макала, ал каалаган каражатта колдонууга, таратууга жана көчүрүүгө уруксат берет, эгерде натыйжада коммерциялык максатта колдонулбаса жана түпнуска эмгек туура цитаталанган болсо.
ЭСКЕРТҮҮ: Биз сиздин электрондук почта дарегиңизди сиз баракчаны сунуштап жаткан адам сиз аны көрүшүн каалаганыңызды жана ал керексиз почта эмес экенин билиши үчүн гана сурайбыз. Биз эч кандай электрондук почта дарегин кармабайбыз.
Бул суроо сиздин адам экениңизди же эместигиңизди текшерүү жана спамдын автоматтык түрдө жөнөтүлүшүнүн алдын алуу үчүн берилет.
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.
Жарыяланган убактысы: 2021-жылдын 28-январы