I materiali bidimensionali, come il grafene, sono interessanti sia per le applicazioni convenzionali dei semiconduttori che per le nascenti applicazioni nell'elettronica flessibile.Tuttavia, l'elevata resistenza alla trazione del grafene si traduce in una frattura a bassa deformazione, rendendo difficile sfruttare le sue straordinarie proprietà elettroniche nell'elettronica estensibile.Per consentire eccellenti prestazioni dipendenti dalla deformazione dei conduttori di grafene trasparente, abbiamo creato nanoscroll di grafene tra strati di grafene impilati, denominati pergamene multistrato di grafene/grafene (MGG).Sotto sforzo, alcuni rotoli hanno collegato i domini frammentati del grafene per mantenere una rete di percolazione che ha consentito un'eccellente conduttività a deformazioni elevate.Gli MGG a tre strati supportati su elastomeri hanno mantenuto il 65% della loro conduttanza originale al 100% della deformazione, che è perpendicolare alla direzione del flusso di corrente, mentre i film a tre strati di grafene senza nanoscroll hanno mantenuto solo il 25% della loro conduttanza iniziale.Un transistor estensibile interamente in carbonio fabbricato utilizzando MGG come elettrodi mostrava una trasmittanza >90% e conservava il 60% della sua uscita di corrente originale al 120% di deformazione (parallela alla direzione di trasporto della carica).Questi transistor interamente in carbonio altamente estensibili e trasparenti potrebbero consentire una sofisticata optoelettronica estensibile.
L'elettronica trasparente estensibile è un campo in crescita che ha importanti applicazioni nei sistemi biointegrati avanzati (1, 2) così come il potenziale per integrarsi con l'optoelettronica estensibile (3, 4) per produrre sofisticati robotica morbida e display.Il grafene mostra proprietà altamente desiderabili di spessore atomico, elevata trasparenza e alta conduttività, ma la sua implementazione in applicazioni estensibili è stata inibita dalla sua tendenza a rompersi a piccole deformazioni.Il superamento dei limiti meccanici del grafene potrebbe consentire nuove funzionalità nei dispositivi trasparenti estensibili.
Le proprietà uniche del grafene lo rendono un ottimo candidato per la prossima generazione di elettrodi conduttivi trasparenti (5, 6).Rispetto al conduttore trasparente più comunemente usato, l'ossido di indio-stagno [ITO;100 ohm/quadrato (sq) al 90% di trasparenza], il grafene monostrato cresciuto mediante deposizione chimica da vapore (CVD) ha una combinazione simile di resistenza del foglio (125 ohm/sq) e trasparenza (97,4%) (5).Inoltre, i film di grafene hanno una flessibilità straordinaria rispetto a ITO (7).Ad esempio, su un substrato di plastica, la sua conduttanza può essere mantenuta anche per un raggio di curvatura di curvatura di appena 0,8 mm (8).Per migliorare ulteriormente le sue prestazioni elettriche come conduttore flessibile trasparente, lavori precedenti hanno sviluppato materiali ibridi di grafene con nanofili d'argento unidimensionali (1D) o nanotubi di carbonio (CNT) (9–11).Inoltre, il grafene è stato utilizzato come elettrodi per semiconduttori eterostrutturali di dimensioni miste (come Si 2D bulk, nanofili/nanotubi 1D e punti quantici 0D) (12), transistor flessibili, celle solari e diodi a emissione di luce (LED) (13) –23).
Sebbene il grafene abbia mostrato risultati promettenti per l'elettronica flessibile, la sua applicazione nell'elettronica estensibile è stata limitata dalle sue proprietà meccaniche (17, 24, 25);il grafene ha una rigidità nel piano di 340 N/me un modulo di Young di 0,5 TPa ( 26).La forte rete carbonio-carbonio non fornisce alcun meccanismo di dissipazione dell'energia per la deformazione applicata e quindi si rompe facilmente con una deformazione inferiore al 5%.Ad esempio, il grafene CVD trasferito su un substrato elastico di polidimetilsilossano (PDMS) può mantenere la sua conduttività solo a una deformazione inferiore al 6% (8).I calcoli teorici mostrano che l'accartocciamento e l'interazione tra i diversi strati dovrebbero diminuire fortemente la rigidità (26).Impilando il grafene in più strati, è stato riportato che questo grafene a due o tre strati è estensibile fino al 30% di deformazione, esibendo una variazione di resistenza 13 volte inferiore a quella del grafene monostrato (27).Tuttavia, questa estensibilità è ancora significativamente inferiore ai conduttori estensibili all'avanguardia (28, 29).
I transistor sono importanti nelle applicazioni estensibili perché consentono la lettura sofisticata del sensore e l'analisi del segnale (30, 31).I transistor su PDMS con grafene multistrato come elettrodi sorgente/drenaggio e materiale del canale possono mantenere la funzione elettrica fino al 5% di deformazione (32), che è significativamente inferiore al valore minimo richiesto (~50%) per i sensori indossabili di monitoraggio della salute e la pelle elettronica ( 33, 34).Recentemente è stato esplorato un approccio al kirigami con grafene e il transistor controllato da un elettrolita liquido può essere allungato fino al 240% (35).Tuttavia, questo metodo richiede grafene sospeso, che complica il processo di fabbricazione.
Qui, otteniamo dispositivi di grafene altamente estensibili intercalando rotoli di grafene (da 1 a 20 μm di lunghezza, da 0,1 a 1 μm di larghezza e da 10 a 100 nm di altezza) tra gli strati di grafene.Ipotizziamo che questi rotoli di grafene potrebbero fornire percorsi conduttivi per colmare le crepe nei fogli di grafene, mantenendo così un'elevata conduttività sotto sforzo.I rotoli di grafene non richiedono sintesi o processi aggiuntivi;si formano naturalmente durante la procedura di trasferimento a umido.Utilizzando elettrodi estensibili in grafene multistrato G/G (grafene/grafene) scroll (MGG) (source/drain e gate) e CNT semiconduttori, siamo stati in grado di dimostrare transistor interamente in carbonio altamente trasparenti e altamente estensibili, che possono essere allungati fino a 120 % di deformazione (parallela alla direzione di trasporto della carica) e mantengono il 60 % della loro uscita di corrente originale.Questo è il transistor a base di carbonio trasparente più estensibile finora e fornisce corrente sufficiente per pilotare un LED inorganico.
Per consentire elettrodi di grafene estensibili trasparenti di ampia area, abbiamo scelto il grafene coltivato con CVD su un foglio di Cu.La lamina di Cu è stata sospesa al centro di un tubo di quarzo CVD per consentire la crescita del grafene su entrambi i lati, formando strutture G/Cu/G.Per trasferire il grafene, abbiamo prima rivestito in rotazione un sottile strato di poli(metil metacrilato) (PMMA) per proteggere un lato del grafene, che abbiamo chiamato grafene superiore (viceversa per l'altro lato del grafene), e successivamente, il l'intero film (PMMA/grafene superiore/Cu/grafene inferiore) è stato immerso in una soluzione di (NH4)2S2O8 per incidere via la lamina di Cu.Il grafene sul lato inferiore senza il rivestimento in PMMA presenterà inevitabilmente crepe e difetti che consentono a un agente di attacco di penetrare (36, 37).Come illustrato in Fig. 1A, sotto l'effetto della tensione superficiale, i domini di grafene rilasciati si sono arrotolati in rotoli e successivamente attaccati al restante film G/PMMA superiore.Le pergamene G/G superiori possono essere trasferite su qualsiasi substrato, come SiO2/Si, vetro o polimero morbido.Ripetendo questo processo di trasferimento più volte sullo stesso substrato si ottengono strutture MGG.
(A) Illustrazione schematica della procedura di fabbricazione per MGG come elettrodo estensibile.Durante il trasferimento del grafene, il grafene sul retro su un foglio di Cu è stato rotto in corrispondenza di limiti e difetti, arrotolato in forme arbitrarie e saldamente attaccato alle pellicole superiori, formando nanoscroll.Il quarto fumetto raffigura la struttura MGG impilata.(B e C) Caratterizzazioni TEM ad alta risoluzione di un MGG monostrato, concentrandosi rispettivamente sul grafene monostrato (B) e sulla regione di scorrimento (C).L'inserto di (B) è un'immagine a basso ingrandimento che mostra la morfologia generale degli MGG monostrato sulla griglia TEM.Gli inserti di (C) sono i profili di intensità presi lungo le caselle rettangolari indicate nell'immagine, dove le distanze tra i piani atomici sono 0,34 e 0,41 nm.(D ) Spettro EEL del bordo K del carbonio con i caratteristici picchi grafitici π* e σ* etichettati.(E) Immagine AFM in sezione di pergamene G/G monostrato con un profilo di altezza lungo la linea tratteggiata gialla.(Da F a I) Microscopia ottica e immagini AFM del tristrato G senza (F e H) e con pergamene (G e I) rispettivamente su substrati SiO2/Si spessi 300 nm.Pergamene e rughe rappresentative sono state etichettate per evidenziare le loro differenze.
Per verificare che le pergamene siano di natura arrotolata con grafene, abbiamo condotto studi di spettroscopia di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e perdita di energia elettronica (EEL) ad alta risoluzione sulle strutture di scorrimento G/G monostrato.La Figura 1B mostra la struttura esagonale di un grafene monostrato e l'inserto è una morfologia complessiva del film coperto su un singolo foro di carbonio della griglia TEM.Il grafene monostrato copre la maggior parte della griglia e compaiono alcune scaglie di grafene in presenza di più pile di anelli esagonali (Fig. 1B).Ingrandendo un singolo rotolo (Fig. 1C), abbiamo osservato una grande quantità di frange reticolari di grafene, con la spaziatura del reticolo nell'intervallo da 0,34 a 0,41 nm.Queste misurazioni suggeriscono che i fiocchi sono arrotolati casualmente e non sono grafite perfetta, che ha una spaziatura reticolare di 0,34 nm nell'impilamento degli strati "ABAB".La Figura 1D mostra lo spettro EEL del bordo K del carbonio, dove il picco a 285 eV ha origine dall'orbitale π* e l'altro intorno a 290 eV è dovuto alla transizione dell'orbitale σ*.Si può notare che il legame sp2 domina in questa struttura, verificando che le volute sono altamente grafitiche.
Le immagini di microscopia ottica e microscopia a forza atomica (AFM) forniscono informazioni sulla distribuzione dei nanoscroll di grafene negli MGG (Fig. 1, da E a G e figg. S1 e S2).Le pergamene sono distribuite casualmente sulla superficie e la loro densità nel piano aumenta proporzionalmente al numero di strati sovrapposti.Molti rotoli sono aggrovigliati in nodi e mostrano altezze non uniformi nell'intervallo da 10 a 100 nm.Sono lunghi da 1 a 20 μm e larghi da 0,1 a 1 μm, a seconda delle dimensioni dei loro fiocchi di grafene iniziali.Come mostrato in Fig. 1 (H e I), i rotoli hanno dimensioni significativamente maggiori rispetto alle rughe, portando a un'interfaccia molto più ruvida tra gli strati di grafene.
Per misurare le proprietà elettriche, abbiamo modellato film di grafene con o senza strutture a scorrimento e strati impilati in strisce larghe 300 μm e lunghe 2000 μm utilizzando la fotolitografia.Le resistenze a due sonde in funzione della deformazione sono state misurate in condizioni ambientali.La presenza di rotoli ha ridotto dell'80% la resistività del grafene monostrato con una diminuzione della trasmittanza solo del 2,2% (fig. S4).Ciò conferma che i nanoscroll, che hanno un'elevata densità di corrente fino a 5 × 107 A/cm2 (38, 39), danno un contributo elettrico molto positivo agli MGG.Tra tutti gli MGG e il grafene semplice mono, bi e tristrato, l'MGG a tre strati ha la migliore conduttanza con una trasparenza di quasi il 90%.Per confrontare con altre fonti di grafene riportate in letteratura, abbiamo anche misurato le resistenze del foglio a quattro sonde (fig. S5) e le abbiamo elencate in funzione della trasmittanza a 550 nm (fig. S6) in Fig. 2A.L'MGG mostra una conduttività e una trasparenza comparabili o superiori rispetto al grafene semplice multistrato e all'ossido di grafene ridotto (RGO) (6, 8, 18) impilati artificialmente.Si noti che le resistenze del foglio del grafene semplice multistrato impilato artificialmente dalla letteratura sono leggermente superiori a quelle del nostro MGG, probabilmente a causa delle loro condizioni di crescita e del metodo di trasferimento non ottimizzati.
(A) Resistenze del foglio a quattro sonde rispetto alla trasmittanza a 550 nm per diversi tipi di grafene, dove i quadrati neri indicano MGG mono, bi e tristrato;cerchi rossi e triangoli blu corrispondono a grafene semplice multistrato cresciuto su Cu e Ni dagli studi di Li et al.(6) e Kim et al.(8), rispettivamente, e successivamente trasferiti su SiO2/Si o quarzo;e i triangoli verdi sono valori per RGO a diversi gradi riducenti dallo studio di Bonaccorso et al.(18).(B e C) Variazione di resistenza normalizzata di MGG e G mono, bi e tristrato in funzione della deformazione perpendicolare (B) e parallela (C) alla direzione del flusso di corrente.(D) Modifica della resistenza normalizzata del doppio strato G (rosso) e MGG (nero) sotto carico di deformazione ciclica fino al 50% di deformazione perpendicolare.(E) Modifica della resistenza normalizzata del tristrato G (rosso) e MGG (nero) sotto carico di deformazione ciclica fino al 90% di deformazione parallela.( F) Modifica normalizzata della capacità di MGG mono, bi e tristrato G e bi e tristrato in funzione della deformazione.L'inserto è la struttura del condensatore, dove il substrato polimerico è SEBS e lo strato dielettrico polimerico è il SEBS spesso 2 μm.
Per valutare le prestazioni dipendenti dalla deformazione dell'MGG, abbiamo trasferito il grafene su substrati di elastomero termoplastico stirene-etilene-butadiene-stirene (SEBS) (~ 2 cm di larghezza e ~ 5 cm di lunghezza) e la conduttività è stata misurata mentre il substrato veniva allungato (vedi Materiali e Metodi) sia perpendicolari che paralleli alla direzione del flusso di corrente (Fig. 2, B e C).Il comportamento elettrico dipendente dalla deformazione è migliorato con l'incorporazione di nanoscroll e un numero crescente di strati di grafene.Ad esempio, quando la deformazione è perpendicolare al flusso di corrente, per il grafene monostrato, l'aggiunta di rotoli ha aumentato la deformazione alla rottura elettrica dal 5 al 70%.Anche la tolleranza alla deformazione del grafene a tre strati è notevolmente migliorata rispetto al grafene monostrato.Con i nanoscroll, al 100% di deformazione perpendicolare, la resistenza della struttura MGG a tre strati è aumentata solo del 50%, rispetto al 300% per il grafene a tre strati senza pergamene.È stata studiata la variazione della resistenza sotto carico di deformazione ciclica.Per confronto (Fig. 2D), le resistenze di una semplice pellicola di grafene a doppio strato sono aumentate di circa 7,5 volte dopo circa 700 cicli al 50% di deformazione perpendicolare e hanno continuato ad aumentare con la deformazione in ogni ciclo.D'altra parte, la resistenza di un MGG a doppio strato è aumentata solo di circa 2,5 volte dopo circa 700 cicli.Applicando una deformazione fino al 90% lungo la direzione parallela, la resistenza del grafene a tre strati è aumentata di circa 100 volte dopo 1000 cicli, mentre è solo di circa 8 volte in un MGG a tre strati (Fig . 2E).I risultati del ciclo sono mostrati in fig.S7.L'aumento relativamente più rapido della resistenza lungo la direzione di deformazione parallela è dovuto al fatto che l'orientamento delle cricche è perpendicolare alla direzione del flusso di corrente.La deviazione della resistenza durante le sollecitazioni di carico e scarico è dovuta al recupero viscoelastico del substrato elastomerico SEBS.La resistenza più stabile delle strisce MGG durante il ciclismo è dovuta alla presenza di grandi volute che possono colmare le parti fessurate del grafene (come osservato da AFM), aiutando a mantenere un percorso di percolazione.Questo fenomeno di mantenimento della conduttività mediante un percorso di percolazione è stato segnalato in precedenza per film di metallo o semiconduttori crackizzati su substrati di elastomero (40, 41).
Per valutare questi film a base di grafene come elettrodi di gate in dispositivi estensibili, abbiamo coperto lo strato di grafene con uno strato dielettrico SEBS (spessore 2 μm) e monitorato la variazione della capacità dielettrica in funzione della deformazione (vedi Fig. 2F e i materiali supplementari per dettagli).Abbiamo osservato che le capacità con elettrodi di grafene monostrato e bistrato semplici sono diminuite rapidamente a causa della perdita di conduttività nel piano del grafene.Al contrario, le capacità controllate dagli MGG e dal semplice grafene a tre strati hanno mostrato un aumento della capacità con la deformazione, che è previsto a causa della riduzione dello spessore del dielettrico con la deformazione.L'aumento previsto della capacità corrispondeva molto bene alla struttura MGG (fig. S8).Ciò indica che MGG è adatto come elettrodo di gate per transistor estensibili.
Per studiare ulteriormente il ruolo del rotolo di grafene 1D sulla tolleranza alla deformazione della conduttività elettrica e controllare meglio la separazione tra gli strati di grafene, abbiamo utilizzato CNT rivestiti a spruzzo per sostituire i rotoli di grafene (vedi Materiali supplementari).Per imitare le strutture MGG, abbiamo depositato tre densità di CNT (ovvero CNT1
(da A a C) Immagini AFM di tre diverse densità di CNT (CNT1
Per comprendere ulteriormente la loro capacità di elettrodi per l'elettronica estensibile, abbiamo studiato sistematicamente le morfologie di MGG e G-CNT-G sotto sforzo.La microscopia ottica e la microscopia elettronica a scansione (SEM) non sono metodi di caratterizzazione efficaci perché entrambi mancano di contrasto cromatico e il SEM è soggetto ad artefatti dell'immagine durante la scansione elettronica quando il grafene si trova su substrati polimerici (figg. S9 e S10).Per osservare in situ la superficie del grafene sotto sforzo, abbiamo raccolto misurazioni AFM su MGG a tre strati e grafene semplice dopo il trasferimento su substrati SEBS molto sottili (~ 0,1 mm di spessore) ed elastici.A causa dei difetti intrinseci nel grafene CVD e del danno estrinseco durante il processo di trasferimento, vengono inevitabilmente generate crepe sul grafene teso e, con l'aumento della deformazione, le crepe sono diventate più dense (Fig. 4, da A a D).A seconda della struttura di impilamento degli elettrodi a base di carbonio, le cricche presentano morfologie diverse (fig. S11) (27).La densità dell'area della fessura (definita come area della fessura/area analizzata) del grafene multistrato è inferiore a quella del grafene monostrato dopo la deformazione, il che è coerente con l'aumento della conduttività elettrica per gli MGG.D'altra parte, si osserva spesso che i rotoli colmano le crepe, fornendo percorsi conduttivi aggiuntivi nel film teso.Ad esempio, come etichettato nell'immagine della Fig. 4B, un'ampia pergamena ha attraversato una crepa nel tristrato MGG, ma non è stata osservata alcuna pergamena nel grafene semplice (Fig. 4, da E a H).Allo stesso modo, anche i CNT hanno colmato le crepe nel grafene (fig. S11).La densità dell'area della fessura, la densità dell'area di scorrimento e la rugosità dei film sono riassunti in Fig. 4K.
(da A a H) Immagini AFM in situ di pergamene G/G a tre strati (da A a D) e strutture G a tre strati (da E a H) su un elastomero SEBS molto sottile (~0,1 mm di spessore) a 0, 20, 60 e 100 % sforzo.Le crepe e le pergamene rappresentative sono indicate con frecce.Tutte le immagini AFM si trovano in un'area di 15 μm × 15 μm, utilizzando la stessa barra della scala dei colori etichettata.(I) Geometria di simulazione di elettrodi di grafene monostrato modellati sul substrato SEBS.(J) Mappa del contorno di simulazione della deformazione logaritmica principale massima nel grafene monostrato e nel substrato SEBS al 20% di deformazione esterna.(K) Confronto tra densità dell'area della fessura (colonna rossa), densità dell'area di scorrimento (colonna gialla) e rugosità superficiale (colonna blu) per diverse strutture di grafene.
Quando i film MGG vengono allungati, c'è un importante meccanismo aggiuntivo che i rotoli possono colmare le regioni incrinate del grafene, mantenendo una rete di percolazione.I rotoli di grafene sono promettenti perché possono essere lunghi decine di micrometri e quindi in grado di colmare crepe che sono tipicamente fino a una scala micrometrica.Inoltre, poiché i rotoli sono costituiti da multistrati di grafene, dovrebbero avere una bassa resistenza.In confronto, sono necessarie reti CNT relativamente dense (a bassa trasmittanza) per fornire una capacità di bridging conduttivo comparabile, poiché i CNT sono più piccoli (tipicamente pochi micrometri di lunghezza) e meno conduttivi degli scroll.D'altra parte, come mostrato in fig.S12, mentre il grafene si rompe durante l'allungamento per adattarsi alla deformazione, i rotoli non si rompono, indicando che quest'ultimo potrebbe scivolare sul grafene sottostante.Il motivo per cui non si rompono è probabilmente dovuto alla struttura arrotolata, composta da molti strati di grafene (da 1 a 2 0 μm di lunghezza, da 0,1 a 1 μm di larghezza e da 10 a 100 nm di altezza), che ha un modulo efficace più elevato rispetto al grafene a strato singolo.Come riportato da Green e Hersam (42), le reti CNT metalliche (diametro del tubo di 1,0 nm) possono raggiungere basse resistenze del foglio <100 ohm/sq nonostante la grande resistenza di giunzione tra i CNT.Considerando che i nostri rotoli di grafene hanno larghezze da 0,1 a 1 μm e che i rotoli G/G hanno aree di contatto molto più grandi rispetto ai CNT, la resistenza di contatto e l'area di contatto tra i rotoli di grafene e grafene non dovrebbero essere fattori limitanti per mantenere un'elevata conduttività.
Il grafene ha un modulo molto più alto rispetto al substrato SEBS.Sebbene lo spessore effettivo dell'elettrodo di grafene sia molto inferiore a quello del substrato, la rigidità del grafene moltiplicata per il suo spessore è paragonabile a quella del substrato (43, 44), risultando in un moderato effetto isola rigida.Abbiamo simulato la deformazione di un grafene spesso 1 nm su un substrato SEBS (vedi Materiali supplementari per i dettagli).Secondo i risultati della simulazione, quando la deformazione del 20% viene applicata esternamente al substrato SEBS, la deformazione media nel grafene è ~ 6,6% (Fig. 4J e Fig. S13D), che è coerente con le osservazioni sperimentali (vedi Fig. S13) .Abbiamo confrontato la deformazione nelle regioni modellate del grafene e del substrato utilizzando la microscopia ottica e abbiamo riscontrato che la deformazione nella regione del substrato era almeno il doppio della deformazione nella regione del grafene.Ciò indica che la deformazione applicata sui modelli di elettrodi di grafene potrebbe essere significativamente confinata, formando isole rigide di grafene sopra SEBS (26, 43, 44).
Pertanto, la capacità degli elettrodi MGG di mantenere un'elevata conduttività sotto un'elevata deformazione è probabilmente abilitata da due meccanismi principali: (i) le pergamene possono collegare regioni disconnesse per mantenere un percorso di percolazione conduttivo e (ii) i fogli/elastomero di grafene multistrato possono scivolare l'uno sull'altro, con conseguente riduzione della sollecitazione sugli elettrodi di grafene.Per più strati di grafene trasferito su elastomero, gli strati non sono fortemente attaccati l'uno all'altro, il che può scivolare in risposta alla deformazione (27).Le pergamene hanno anche aumentato la rugosità degli strati di grafene, il che può aiutare ad aumentare la separazione tra gli strati di grafene e quindi consentire lo scorrimento degli strati di grafene.
I dispositivi interamente in carbonio sono perseguiti con entusiasmo a causa del basso costo e dell'elevata produttività.Nel nostro caso, i transistor interamente in carbonio sono stati fabbricati utilizzando un gate di grafene inferiore, un contatto sorgente/drain di grafene superiore, un semiconduttore CNT ordinato e SEBS come dielettrico ( Fig. 5A).Come mostrato in Fig. 5B, un dispositivo interamente in carbonio con CNT come sorgente/drain e gate (dispositivo inferiore) è più opaco del dispositivo con elettrodi di grafene (dispositivo superiore).Questo perché le reti CNT richiedono spessori maggiori e, di conseguenza, trasmittanze ottiche inferiori per ottenere resistenze del foglio simili a quelle del grafene (fig. S4).La Figura 5 (C e D) mostra le curve di trasferimento e uscita rappresentative prima della deformazione per un transistor realizzato con elettrodi MGG a doppio strato.La larghezza del canale e la lunghezza del transistor libero erano rispettivamente di 800 e 100 μm.Il rapporto on/off misurato è maggiore di 103 con correnti on e off rispettivamente a livelli di 10-5 e 10-8 A.La curva di uscita mostra regimi lineari e di saturazione ideali con una chiara dipendenza dalla tensione di gate, indicando un contatto ideale tra CNT ed elettrodi di grafene (45).La resistenza di contatto con elettrodi di grafene è risultata inferiore a quella con film di Au evaporato (vedi fig. S14).La mobilità di saturazione del transistor estensibile è di circa 5,6 cm2/Vs, simile a quella degli stessi transistor CNT ordinati per polimeri su substrati di Si rigidi con SiO2 a 300 nm come strato dielettrico.Un ulteriore miglioramento della mobilità è possibile con la densità dei tubi ottimizzata e altri tipi di tubi ( 46).
(A) Schema di transistor estensibile a base di grafene.SWNT, nanotubi di carbonio a parete singola.(B) Foto dei transistor estensibili realizzati con elettrodi di grafene (in alto) ed elettrodi CNT (in basso).La differenza di trasparenza è chiaramente evidente.(C e D) Curve di trasferimento e uscita del transistor a base di grafene su SEBS prima della deformazione.(E e F) Curve di trasferimento, corrente di accensione e spegnimento, rapporto di accensione/spegnimento e mobilità del transistor a base di grafene a diverse deformazioni.
Quando il dispositivo trasparente interamente in carbonio è stato allungato nella direzione parallela alla direzione di trasporto della carica, è stata osservata una degradazione minima fino al 120% di deformazione.Durante lo stretching, la mobilità è diminuita continuamente da 5,6 cm2/Vs allo 0% di deformazione a 2,5 cm2/Vs al 120% di deformazione (Fig. 5F).Abbiamo anche confrontato le prestazioni del transistor per diverse lunghezze di canale (vedi tabella S1).In particolare, con una deformazione fino al 105%, tutti questi transistor mostravano ancora un elevato rapporto on/off (>103) e mobilità (>3 cm2/Vs).Inoltre, abbiamo riassunto tutto il lavoro recente sui transistor interamente in carbonio (vedi tabella S2) (47–52).Ottimizzando la fabbricazione del dispositivo su elastomeri e utilizzando gli MGG come contatti, i nostri transistor interamente in carbonio mostrano buone prestazioni in termini di mobilità e isteresi oltre ad essere altamente estensibili.
Come applicazione del transistor completamente trasparente ed estensibile, lo abbiamo utilizzato per controllare la commutazione di un LED (Fig. 6A).Come mostrato in Fig. 6B, il LED verde può essere visto chiaramente attraverso il dispositivo estensibile interamente in carbonio posizionato direttamente sopra.Mentre si estende a ~ 100% (Fig. 6, C e D), l'intensità della luce del LED non cambia, il che è coerente con le prestazioni del transistor sopra descritte (vedi film S1).Questo è il primo rapporto di unità di controllo estensibili realizzate utilizzando elettrodi di grafene, che dimostrano una nuova possibilità per l'elettronica estensibile di grafene.
(A) Circuito di un transistor per pilotare il LED.GND, terra.(B) Foto del transistor interamente in carbonio estensibile e trasparente con una deformazione dello 0% montato sopra un LED verde.(C) Il transistor interamente in carbonio trasparente ed estensibile utilizzato per commutare il LED viene montato sopra il LED allo 0% (sinistra) e ~ 100% di deformazione (destra).Le frecce bianche indicano gli indicatori gialli sul dispositivo per mostrare la modifica della distanza in fase di allungamento.(D) Vista laterale del transistor allungato, con il LED inserito nell'elastomero.
In conclusione, abbiamo sviluppato una struttura di grafene conduttivo trasparente che mantiene un'elevata conduttività sotto grandi sollecitazioni come elettrodi estensibili, abilitati da nanoscorrimenti di grafene tra strati di grafene impilati.Queste strutture di elettrodi MGG a due e tre strati su un elastomero possono mantenere rispettivamente il 21 e il 65% della loro conduttività di deformazione dello 0% a una deformazione fino al 100%, rispetto alla completa perdita di conducibilità al 5% di deformazione per i tipici elettrodi di grafene monostrato .I percorsi conduttivi aggiuntivi dei rotoli di grafene e la debole interazione tra gli strati trasferiti contribuiscono alla stabilità della conduttività superiore sotto sforzo.Abbiamo inoltre applicato questa struttura di grafene per fabbricare transistor estensibili interamente in carbonio.Finora, questo è il transistor a base di grafene più estensibile con la migliore trasparenza senza utilizzare l'instabilità.Sebbene il presente studio sia stato condotto per abilitare il grafene per l'elettronica estensibile, riteniamo che questo approccio possa essere esteso ad altri materiali 2D per abilitare l'elettronica 2D estensibile.
Il grafene CVD ad ampia area è stato coltivato su fogli di Cu sospesi (99,999%; Alfa Aesar) a una pressione costante di 0,5 mtorr con 50–SCCM (centimetro cubo standard al minuto) CH4 e 20–SCCM H2 come precursori a 1000°C.Entrambi i lati della lamina di Cu erano ricoperti da grafene monostrato.Uno strato sottile di PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) è stato rivestito in rotazione su un lato della lamina Cu, formando una struttura PMMA/G/Cu lamina/G.successivamente, l'intero film è stato immerso in una soluzione 0,1 M di persolfato di ammonio [(NH4)2S2O8] per circa 2 ore per attaccare via il foglio di Cu.Durante questo processo, il grafene sul retro non protetto si è prima strappato lungo i bordi dei grani e poi si è arrotolato in rotoli a causa della tensione superficiale.I rotoli sono stati attaccati al film di grafene superiore supportato da PMMA, formando rotoli di PMMA/G/G.I film sono stati successivamente lavati più volte in acqua deionizzata e posati su un substrato target, come un SiO2/Si rigido o un substrato plastico.Non appena il film attaccato si è asciugato sul substrato, il campione è stato imbevuto in sequenza di acetone, acetone/IPA 1:1 (alcol isopropilico) e IPA per 30 s ciascuno per rimuovere il PMMA.I film sono stati riscaldati a 100°C per 15 minuti o tenuti sotto vuoto per una notte per rimuovere completamente l'acqua intrappolata prima che un altro strato di pergamena G/G fosse trasferito su di esso.Questo passaggio consisteva nell'evitare il distacco della pellicola di grafene dal substrato e garantire la piena copertura degli MGG durante il rilascio dello strato di supporto del PMMA.
La morfologia della struttura MGG è stata osservata utilizzando un microscopio ottico (Leica) e un microscopio elettronico a scansione (1 kV; FEI).Un microscopio a forza atomica (Nanoscope III, Strumento digitale) è stato utilizzato in modalità toccando per osservare i dettagli delle pergamene G.La trasparenza della pellicola è stata testata da uno spettrometro ultravioletto-visibile (Agilent Cary 6000i).Per i test quando la deformazione era lungo la direzione perpendicolare del flusso di corrente, fotolitografia e plasma O2 sono stati utilizzati per modellare le strutture di grafene in strisce (larghezza ~ 300 μm e lunghe ~ 2000 μm) e gli elettrodi Au (50 nm) sono stati depositati termicamente utilizzando maschere d'ombra su entrambe le estremità del lato lungo.Le strisce di grafene sono state quindi messe a contatto con un elastomero SEBS (~2 cm di larghezza e ~5 cm di lunghezza), con l'asse lungo delle strisce parallelo al lato corto di SEBS seguito da BOE (buffered ossido etch) (HF:H2O 1:6) acquaforte e gallio indio eutettico (EGaIn) come contatti elettrici.Per i test di deformazione parallela, le strutture di grafene non modellate (~ 5 × 10 mm) sono state trasferite su substrati SEBS, con assi lunghi paralleli al lato lungo del substrato SEBS.In entrambi i casi, l'intero G (senza G scroll)/SEBS è stato allungato lungo il lato lungo dell'elastomero in un'apparecchiatura manuale e, in situ, abbiamo misurato le loro variazioni di resistenza sotto sforzo su una stazione sonda con un analizzatore a semiconduttore (Keithley 4200 -SCS).
I transistor interamente in carbonio altamente estensibili e trasparenti su un substrato elastico sono stati fabbricati con le seguenti procedure per evitare il danneggiamento del solvente organico del dielettrico polimerico e del substrato.Le strutture MGG sono state trasferite su SEBS come elettrodi di gate.Per ottenere uno strato dielettrico polimerico a film sottile uniforme (spessore 2 μm), una soluzione di toluene SEBS (80 mg/ml) è stata rivestita in rotazione su un substrato SiO2/Si modificato con ottadeciltriclorosilano (OTS) a 1000 rpm per 1 min.Il sottile film dielettrico può essere facilmente trasferito dalla superficie idrofobica OTS sul substrato SEBS ricoperto con il grafene preparato.Un condensatore potrebbe essere realizzato depositando un elettrodo superiore in metallo liquido (EGaIn; Sigma-Aldrich) per determinare la capacità in funzione della deformazione utilizzando un misuratore LCR (induttanza, capacità, resistenza) (Agilent).L'altra parte del transistor era costituita da CNT semiconduttori ordinati per polimeri, seguendo le procedure riportate in precedenza (53).Gli elettrodi source/drain modellati sono stati fabbricati su substrati rigidi SiO2/Si.Successivamente, le due parti, dielettrico/G/SEBS e CNT/modellato G/SiO2/Si, sono state laminate l'una con l'altra e immerse in BOE per rimuovere il substrato rigido di SiO2/Si.Pertanto, sono stati fabbricati i transistor completamente trasparenti ed estensibili.Il test elettrico sotto sforzo è stato eseguito su una configurazione di allungamento manuale come metodo sopra menzionato.
Materiale supplementare per questo articolo è disponibile su http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Figura.S1.Immagini al microscopio ottico di MGG monostrato su substrati SiO2/Si a diversi ingrandimenti.
Figura.S4.Confronto delle resistenze e trasmittanze del foglio a due sonde a 550 nm di grafene semplice mono, bi e tristrato (quadrati neri), MGG (cerchi rossi) e CNT (triangolo blu).
Figura.S7.Modifica della resistenza normalizzata di MGG mono e doppio strato (nero) e G (rosso) sotto ~ 1000 carichi ciclici di deformazione fino al 40 e 90% di deformazione parallela, rispettivamente.
Figura.S10.Immagine SEM di MGG a tre strati su elastomero SEBS dopo la deformazione, che mostra una lunga croce di scorrimento su diverse crepe.
Figura.S12.Immagine AFM di MGG a tre strati su elastomero SEBS molto sottile al 20% di deformazione, che mostra che un rotolo ha attraversato una crepa.
tabella S1.Mobilità dei transistor a nanotubi di carbonio a parete singola MGG a doppio strato a diverse lunghezze di canale prima e dopo la deformazione.
Questo è un articolo ad accesso aperto distribuito secondo i termini della licenza Creative Commons Attribuzione-non commerciale, che consente l'uso, la distribuzione e la riproduzione con qualsiasi mezzo, a condizione che l'uso risultante non sia a vantaggio commerciale e a condizione che l'opera originale sia adeguatamente citato.
NOTA: Richiediamo il tuo indirizzo email solo in modo che la persona a cui stai consigliando la pagina sappia che volevi che la vedesse e che non si tratta di posta indesiderata.Non catturiamo alcun indirizzo email.
Questa domanda serve per verificare se sei o meno un visitatore umano e per prevenire l'invio automatico di spam.
Di 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
Di 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 Associazione americana per l'avanzamento della scienza.Tutti i diritti riservati.AAAS è partner di HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Tempo di pubblicazione: 28-gennaio-2021