Os materiais bidimensionais, como o grafeno, son atractivos tanto para aplicacións convencionais de semicondutores como para aplicacións emerxentes en electrónica flexible. Non obstante, a alta resistencia á tracción do grafeno provoca fracturas a baixa deformación, o que dificulta o aproveitamento das súas extraordinarias propiedades electrónicas na electrónica estirable. Para permitir un excelente rendemento dependente da deformación dos condutores de grafeno transparentes, creamos nanoenvoltorios de grafeno entre capas de grafeno apiladas, denominados borradores de grafeno/borradores multicapa (MGG). Baixo tensión, algúns borradores conectaron os dominios fragmentados do grafeno para manter unha rede de percolación que permitiu unha excelente condutividade a altas deformacións. Os MGG tricapa soportados sobre elastómeros conservaron o 65 % da súa condutancia orixinal ao 100 % de deformación, que é perpendicular á dirección do fluxo de corrente, mentres que as películas tricapa de grafeno sen nanoenvoltorios conservaron só o 25 % da súa condutancia inicial. Un transistor totalmente de carbono estirable fabricado con MGG como eléctrodos mostrou unha transmitancia de >90 % e mantivo o 60 % da súa saída de corrente orixinal a unha deformación do 120 % (paralela á dirección do transporte de carga). Estes transistores totalmente de carbono altamente estirables e transparentes poderían permitir unha optoelectrónica estirable sofisticada.
A electrónica transparente estirable é un campo en crecemento que ten importantes aplicacións en sistemas biointegrados avanzados (1, 2), así como o potencial de integrarse coa optoelectrónica estirable (3, 4) para producir robótica e pantallas brandas sofisticadas. O grafeno presenta propiedades moi desexables de grosor atómico, alta transparencia e alta condutividade, pero a súa implementación en aplicacións estirables viuse inhibida pola súa tendencia a rachar con pequenas deformacións. Superar as limitacións mecánicas do grafeno podería permitir novas funcionalidades en dispositivos transparentes estirables.
As propiedades únicas do grafeno convérteno nun forte candidato para a próxima xeración de eléctrodos condutores transparentes (5, 6). En comparación co condutor transparente máis utilizado, o óxido de indio e estaño [ITO; 100 ohmios/cadrado (sq) cun 90 % de transparencia], o grafeno monocapa cultivado por deposición química de vapor (CVD) ten unha combinación similar de resistencia laminar (125 ohmios/cadrado) e transparencia (97,4 %) (5). Ademais, as películas de grafeno teñen unha flexibilidade extraordinaria en comparación co ITO (7). Por exemplo, nun substrato de plástico, a súa condutancia pode manterse mesmo para un radio de curvatura de tan só 0,8 mm (8). Para mellorar aínda máis o seu rendemento eléctrico como condutor flexible transparente, traballos previos desenvolveron materiais híbridos de grafeno con nanofíos de prata unidimensionais (1D) ou nanotubos de carbono (CNT) (9–11). Ademais, o grafeno empregouse como eléctrodos para semicondutores heteroestruturais de dimensionamento mixto (como Si a granel 2D, nanofíos/nanotubos 1D e puntos cuánticos 0D) (12), transistores flexibles, células solares e díodos emisores de luz (LED) (13–23).
Aínda que o grafeno mostrou resultados prometedores para a electrónica flexible, a súa aplicación na electrónica estirable viuse limitada polas súas propiedades mecánicas (17, 24, 25); o grafeno ten unha rixidez no plano de 340 N/m e un módulo de Young de 0,5 TPa (26). A forte rede carbono-carbono non proporciona ningún mecanismo de disipación de enerxía para a deformación aplicada e, polo tanto, ráchase facilmente a menos do 5 % de deformación. Por exemplo, o grafeno CVD transferido a un substrato elástico de polidimetilsiloxano (PDMS) só pode manter a súa condutividade a menos do 6 % de deformación (8). Os cálculos teóricos mostran que o engurro e a interacción entre diferentes capas deberían diminuír fortemente a rixidez (26). Ao apilar o grafeno en varias capas, infórmase de que este grafeno bicapa ou tricapa é estirable ata unha deformación do 30 %, presentando un cambio de resistencia 13 veces menor que o do grafeno monocapa (27). Non obstante, esta estirabilidade segue sendo significativamente inferior aos condutores estirables de última xeración (28, 29).
Os transistores son importantes nas aplicacións estirábeis porque permiten unha lectura sofisticada de sensores e unha análise de sinais (30, 31). Os transistores en PDMS con grafeno multicapa como eléctrodos de fonte/drenaxe e material de canle poden manter a función eléctrica ata unha deformación do 5 % (32), que está significativamente por debaixo do valor mínimo requirido (~50 %) para sensores de monitorización da saúde portátiles e pel electrónica (33, 34). Recentemente, explorouse unha abordaxe de kirigami de grafeno, e o transistor controlado por un electrolito líquido pode estirarse ata un 240 % (35). Non obstante, este método require grafeno suspendido, o que complica o proceso de fabricación.
Aquí, conseguimos dispositivos de grafeno altamente estirables intercalando roll-on de grafeno (de ~1 a 20 μm de longo, ~0,1 a 1 μm de ancho e ~10 a 100 nm de alto) entre capas de grafeno. A nosa hipótese é que estes roll-on de grafeno poderían proporcionar camiños condutores para salvar as fendas nas láminas de grafeno, mantendo así unha alta condutividade baixo tensión. Os roll-on de grafeno non requiren síntese nin proceso adicional; fórmanse de forma natural durante o procedemento de transferencia húmida. Mediante o uso de eléctrodos estirables de grafeno multicapa G/G (grafeno/grafeno) (MGG), eléctrodos estirables (fonte/drenaxe e porta) e CNT semicondutores, puidemos demostrar transistores totalmente de carbono altamente transparentes e estirables, que se poden estirar ata unha deformación do 120 % (paralela á dirección do transporte de carga) e conservar o 60 % da súa saída de corrente orixinal. Este é o transistor baseado en carbono transparente máis estirable ata o de agora e proporciona corrente suficiente para alimentar un LED inorgánico.
Para permitir electrodos de grafeno transparentes e estirables de gran área, escollemos grafeno cultivado por CVD sobre unha lámina de Cu. A lámina de Cu suspendeuse no centro dun tubo de cuarzo CVD para permitir o crecemento de grafeno en ambos os lados, formando estruturas G/Cu/G. Para transferir grafeno, primeiro aplicamos un revestimento por centrifugación a unha fina capa de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) para protexer un lado do grafeno, ao que chamamos grafeno superior (viceversa para o outro lado do grafeno) e, posteriormente, toda a película (PMMA/grafeno superior/Cu/grafeno inferior) mergullouse nunha solución de (NH4)2S2O8 para gravar a lámina de Cu. O grafeno inferior sen o revestimento de PMMA inevitablemente terá gretas e defectos que permitirán que un axente de gravación penetre a través del (36, 37). Como se ilustra na figura 1A, baixo o efecto da tensión superficial, os dominios de grafeno liberados enroláronse en espirales e posteriormente uníronse á película superior de G/PMMA restante. As espirales superiores G/G poderían transferirse a calquera substrato, como SiO2/Si, vidro ou polímero brando. Ao repetir este proceso de transferencia varias veces ao mesmo substrato, obtéñense estruturas MGG.
(A) Ilustración esquemática do procedemento de fabricación de MGG como eléctrodo estirable. Durante a transferencia de grafeno, a parte traseira do grafeno sobre a lámina de Cu rompeuse nos límites e defectos, enrolouse en formas arbitrarias e uniuse firmemente ás películas superiores, formando nanovolucións. O cuarto debuxo representa a estrutura apilada de MGG. (B e C) Caracterizacións TEM de alta resolución dun MGG monocapa, centrándose na rexión de grafeno monocapa (B) e na rexión de voluta (C), respectivamente. O recadro de (B) é unha imaxe de baixa ampliación que mostra a morfoloxía xeral dos MGG monocapa na grella TEM. Os recadros de (C) son os perfís de intensidade tomados ao longo das caixas rectangulares indicadas na imaxe, onde as distancias entre os planos atómicos son 0,34 e 0,41 nm. (D) Espectro EEL de bordo K do carbono cos picos π* e σ* grafíticos característicos etiquetados. (E) Imaxe AFM seccional de volutas G/G monocapa cun perfil de altura ao longo da liña punteada amarela. (F a I) Imaxes de microscopía óptica e AFM da tricapa G sen (F e H) e con espirales (G e I) en substratos de SiO2/Si de 300 nm de grosor, respectivamente. As espirales e as engurras representativas foron etiquetadas para destacar as súas diferenzas.
Para verificar que os rolos son de natureza grafeno enrolado, realizamos estudos de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución e espectroscopía de perda de enerxía electrónica (EEL) nas estruturas de rolos G/G superiores de monocapa. A figura 1B mostra a estrutura hexagonal dun grafeno de monocapa e o recadro é unha morfoloxía xeral da película cuberta por un único burato de carbono da grella TEM. O grafeno de monocapa abrangue a maior parte da grella e aparecen algunhas escamas de grafeno en presenza de múltiples pilas de aneis hexagonais (Fig. 1B). Ao ampliar a imaxe dun rolo individual (Fig. 1C), observamos unha gran cantidade de franxas de rede de grafeno, cun espazado de rede no rango de 0,34 a 0,41 nm. Estas medicións suxiren que as escamas están enroladas aleatoriamente e non son grafito perfecto, que ten un espazado de rede de 0,34 nm no apilamento de capas "ABAB". A figura 1D mostra o espectro EEL do bordo K do carbono, onde o pico a 285 eV se orixina no orbital π* e o outro ao redor de 290 eV débese á transición do orbital σ*. Pódese observar que a unión sp2 domina nesta estrutura, o que verifica que as espirales son altamente grafíticas.
As imaxes de microscopía óptica e microscopía de forza atómica (AFM) proporcionan información sobre a distribución dos nanoenvoltorios de grafeno nos MGG (Fig. 1, E a G, e figs. S1 e S2). Os envoltorios están distribuídos aleatoriamente pola superficie e a súa densidade no plano aumenta proporcionalmente ao número de capas apiladas. Moitos envoltorios están enredados en nós e presentan alturas non uniformes no rango de 10 a 100 nm. Miden de 1 a 20 μm de longo e de 0,1 a 1 μm de ancho, dependendo dos tamaños das súas escamas de grafeno iniciais. Como se mostra na Fig. 1 (H e I), os envoltorios teñen tamaños significativamente maiores que as engurras, o que leva a unha interface moito máis rugosa entre as capas de grafeno.
Para medir as propiedades eléctricas, modelamos películas de grafeno con ou sen estruturas de espiral e apilamento de capas en tiras de 300 μm de ancho e 2000 μm de longo mediante fotolitografía. As resistencias de dúas sondas en función da deformación medíronse en condicións ambientais. A presenza de espirales reduciu a resistividade do grafeno monocapa nun 80 % cunha diminución de só o 2,2 % na transmitancia (fig. S4). Isto confirma que as nanoespirais, que teñen unha alta densidade de corrente de ata 5 × 107 A/cm2 (38, 39), fan unha contribución eléctrica moi positiva aos MGG. Entre todo o grafeno liso e os MGG monocapa, bicapa e tricapa, o MGG tricapa ten a mellor condutancia cunha transparencia de case o 90 %. Para comparar con outras fontes de grafeno descritas na literatura, tamén medimos as resistencias en láminas de catro sondas (fig. S5) e enumerámolas en función da transmitancia a 550 nm (fig. S6) na Fig. 2A. O MGG mostra unha condutividade e transparencia comparables ou superiores ao grafeno liso multicapa apilado artificialmente e ao óxido de grafeno reducido (RGO) (6, 8, 18). Nótese que as resistencias en láminas do grafeno liso multicapa apilado artificialmente da literatura son lixeiramente maiores que as do noso MGG, probablemente debido ás súas condicións de crecemento e método de transferencia non optimizados.
(A) Resistencias de catro láminas de sonda fronte á transmitancia a 550 nm para varios tipos de grafeno, onde os cadrados negros denotan MGG monocapa, bicapa e tricapa; os círculos vermellos e os triángulos azuis correspóndense con grafeno liso multicapa cultivado en Cu e Ni dos estudos de Li et al. (6) e Kim et al. (8), respectivamente, e posteriormente transferido a SiO2/Si ou cuarzo; e os triángulos verdes son valores para RGO en diferentes graos de redución do estudo de Bonaccorso et al. (18). (B e C) Cambio de resistencia normalizado de MGG monocapa, bicapa e tricapa e G en función da deformación perpendicular (B) e paralela (C) á dirección do fluxo de corrente. (D) Cambio de resistencia normalizado da bicapa G (vermello) e MGG (negro) baixo carga de deformación cíclica de ata un 50 % de deformación perpendicular. (E) Cambio de resistencia normalizado da tricapa G (vermello) e MGG (negro) baixo carga de deformación cíclica de ata un 90 % de deformación paralela. (F) Cambio de capacitancia normalizado de G monocapa, bicapa e tricapa e MGG bicapa e tricapa en función da deformación. O gráfico inserido mostra a estrutura do condensador, onde o substrato polimérico é SEBS e a capa dieléctrica polimérica é SEBS de 2 μm de grosor.
Para avaliar o rendemento dependente da deformación do MGG, transferimos grafeno a substratos de elastómero termoplástico de estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) (~2 cm de ancho e ~5 cm de longo) e a condutividade mediuse mentres o substrato se estiraba (ver Materiais e métodos) tanto perpendicular como paralelamente á dirección do fluxo de corrente (Fig. 2, B e C). O comportamento eléctrico dependente da deformación mellorou coa incorporación de nanovolucións e un número crecente de capas de grafeno. Por exemplo, cando a deformación é perpendicular ao fluxo de corrente, para o grafeno monocapa, a adición de volucións aumentou a deformación na rotura eléctrica do 5 ao 70 %. A tolerancia á deformación do grafeno tricapa tamén mellora significativamente en comparación co grafeno monocapa. Cos nanovolucións, a unha deformación perpendicular do 100 %, a resistencia da estrutura tricapa MGG só aumentou un 50 %, en comparación co 300 % para o grafeno tricapa sen volucións. Investigouse o cambio de resistencia baixo carga de deformación cíclica. A modo de comparación (Fig. 2D), as resistencias dunha película de grafeno bicapa simple aumentaron aproximadamente 7,5 veces despois de ~700 ciclos a un 50 % de deformación perpendicular e seguiron aumentando coa deformación en cada ciclo. Por outra banda, a resistencia dun MGG bicapa só aumentou aproximadamente 2,5 veces despois de ~700 ciclos. Aplicando ata un 90 % de deformación ao longo da dirección paralela, a resistencia do grafeno tricapa aumentou ~100 veces despois de 1000 ciclos, mentres que só é ~8 veces nun MGG tricapa (Fig. 2E). Os resultados do ciclado móstranse na fig. S7. O aumento relativamente máis rápido da resistencia ao longo da dirección de deformación paralela débese a que a orientación das fendas é perpendicular á dirección do fluxo de corrente. A desviación da resistencia durante a carga e descarga de deformación débese á recuperación viscoelástica do substrato de elastómero SEBS. A resistencia máis estable das tiras de MGG durante o ciclado débese á presenza de grandes espirales que poden conectar as partes fendas do grafeno (como se observou mediante AFM), axudando a manter unha vía de percolación. Este fenómeno de mantemento da condutividade mediante unha vía de percolación xa foi descrito anteriormente para películas metálicas ou semicondutoras rachadas en substratos de elastómeros (40, 41).
Para avaliar estas películas baseadas en grafeno como eléctrodos de porta en dispositivos estirables, cubrimos a capa de grafeno cunha capa dieléctrica de SEBS (2 μm de grosor) e monitorizamos o cambio de capacitancia dieléctrica en función da deformación (véxase a Fig. 2F e os Materiais Suplementarios para máis detalles). Observamos que as capacitancias con eléctrodos de grafeno monocapa e bicapa lisos diminuíron rapidamente debido á perda de condutividade no plano do grafeno. En contraste, as capacitancias con regulación por MGG, así como o grafeno tricapa liso, mostraron un aumento da capacitancia coa deformación, o que se espera debido á redución do grosor dieléctrico coa deformación. O aumento esperado da capacitancia coincidiu moi ben coa estrutura de MGG (fig. S8). Isto indica que MGG é axeitado como eléctrodo de porta para transistores estirables.
Para investigar máis a fondo o papel da espiral de grafeno 1D na tolerancia á deformación da condutividade eléctrica e controlar mellor a separación entre as capas de grafeno, empregamos CNT revestidos por pulverización para substituír as espirales de grafeno (véxanse os materiais suplementarios). Para imitar as estruturas de MGG, depositamos tres densidades de CNT (é dicir, CNT1
(A a C) Imaxes AFM de tres densidades diferentes de nanotubos de carbono (CNT1
Para comprender mellor a súa capacidade como eléctrodos para electrónica estirable, investigamos sistematicamente as morfoloxías de MGG e G-CNT-G baixo tensión. A microscopía óptica e a microscopía electrónica de varrido (SEM) non son métodos de caracterización eficaces porque ambas carecen de contraste de cor e a SEM está suxeita a artefactos de imaxe durante o varrido electrónico cando o grafeno está sobre substratos poliméricos (figs. S9 e S10). Para observar in situ a superficie do grafeno baixo tensión, recollemos medicións AFM en MGG tricapa e grafeno liso despois de transferilos a substratos SEBS moi finos (~0,1 mm de grosor) e elásticos. Debido aos defectos intrínsecos no grafeno CVD e aos danos extrínsecos durante o proceso de transferencia, xéranse inevitablemente gretas no grafeno deformado e, co aumento da tensión, as gretas vólvense máis densas (Fig. 4, A a D). Dependendo da estrutura de apilamento dos eléctrodos a base de carbono, as gretas presentan diferentes morfoloxías (fig. S11) (27). A densidade da área de fenda (definida como área de fenda/área analizada) do grafeno multicapa é menor que a do grafeno monocapa despois da deformación, o que é consistente co aumento da condutividade eléctrica dos MGG. Por outra banda, obsérvase a miúdo que as volutas pontean as fendas, proporcionando vías condutivas adicionais na película deformada. Por exemplo, como se indica na imaxe da figura 4B, unha ampla voluta cruzou unha fenda no MGG tricapa, pero non se observou ningunha voluta no grafeno liso (figura 4, E a H). De xeito similar, os CNT tamén pontearon as fendas no grafeno (figura S11). A densidade da área de fenda, a densidade da área de voluta e a rugosidade das películas resúmense na figura 4K.
(A a H) Imaxes AFM in situ de espirales tricapa G/G (A a D) e estruturas tricapa G (E a H) sobre un elastómero SEBS moi fino (~0,1 mm de grosor) a unha deformación do 0, 20, 60 e 100 %. As gretas e as espirales representativas están sinaladas con frechas. Todas as imaxes AFM están nunha área de 15 μm × 15 μm, usando a mesma barra de escala de cores que a etiquetada. (I) Xeometría de simulación de eléctrodos de grafeno monocapa con patrón no substrato SEBS. (J) Mapa de contorno de simulación da deformación logarítmica principal máxima no grafeno monocapa e no substrato SEBS a unha deformación externa do 20 %. (K) Comparación da densidade da área de gretas (columna vermella), a densidade da área de espiral (columna amarela) e a rugosidade superficial (columna azul) para diferentes estruturas de grafeno.
Cando se estiran as películas de MGG, existe un mecanismo adicional importante polo que as rótulas poden conectar rexións rachadas do grafeno, mantendo unha rede de percolación. As rótulas de grafeno son prometedoras porque poden ter decenas de micrómetros de lonxitude e, polo tanto, son capaces de conectar gretas que normalmente son de ata unha escala micrométrica. Ademais, debido a que as rótulas constan de multicapas de grafeno, espérase que teñan baixa resistencia. En comparación, requírense redes de CNT relativamente densas (menor transmitancia) para proporcionar unha capacidade de ponte condutiva comparable, xa que os CNT son máis pequenos (normalmente duns poucos micrómetros de lonxitude) e menos condutores que as rótulas. Por outra banda, como se mostra na figura S12, mentres que o grafeno se racha durante o estiramento para acomodar a tensión, as rótulas non se rachan, o que indica que este último podería estar deslizándose sobre o grafeno subxacente. A razón pola que non se rachan probablemente se deba á estrutura enrolada, composta por moitas capas de grafeno (de ~1 a 20 μm de longo, ~0,1 a 1 μm de ancho e ~10 a 100 nm de alto), que ten un módulo efectivo maior que o grafeno dunha soa capa. Como informaron Green e Hersam (42), as redes de CNT metálicos (diámetro do tubo de 1,0 nm) poden alcanzar baixas resistencias de lámina <100 ohmios/sq a pesar da gran resistencia de unión entre os CNT. Tendo en conta que as nosas rolls de grafeno teñen anchos de 0,1 a 1 μm e que as rolls G/G teñen áreas de contacto moito maiores que as CNT, a resistencia de contacto e a área de contacto entre o grafeno e as rolls de grafeno non deberían ser factores limitantes para manter unha alta condutividade.
O grafeno ten un módulo moito maior que o substrato SEBS. Aínda que o grosor efectivo do eléctrodo de grafeno é moito menor que o do substrato, a rixidez do grafeno multiplicada polo seu grosor é comparable á do substrato (43, 44), o que resulta nun efecto de illa ríxida moderado. Simulamos a deformación dun grafeno de 1 nm de grosor sobre un substrato SEBS (véxanse os materiais suplementarios para obter máis detalles). Segundo os resultados da simulación, cando se aplica unha deformación do 20 % ao substrato SEBS externamente, a deformación media no grafeno é de ~6,6 % (Fig. 4J e fig. S13D), o que é consistente coas observacións experimentais (véxase a fig. S13). Comparamos a deformación nas rexións de grafeno e substrato con patrón mediante microscopía óptica e atopamos que a deformación na rexión do substrato era polo menos o dobre da deformación na rexión do grafeno. Isto indica que a deformación aplicada aos patróns de eléctrodos de grafeno podería estar significativamente confinada, formando illas ríxidas de grafeno na parte superior do SEBS (26, 43, 44).
Polo tanto, a capacidade dos eléctrodos MGG para manter unha alta condutividade baixo alta tensión probablemente se deba a dous mecanismos principais: (i) as spirais poden conectar rexións desconectadas para manter unha vía de percolación condutiva e (ii) as láminas/elastómero de grafeno multicapa poden deslizarse unhas sobre as outras, o que resulta nunha redución da tensión nos eléctrodos de grafeno. No caso de varias capas de grafeno transferido sobre o elastómero, as capas non están fortemente unidas entre si, o que pode deslizarse en resposta á tensión (27). As spirais tamén aumentaron a rugosidade das capas de grafeno, o que pode axudar a aumentar a separación entre as capas de grafeno e, polo tanto, permitir o deslizamento das capas de grafeno.
Os dispositivos totalmente de carbono son buscados con entusiasmo debido ao seu baixo custo e alto rendemento. No noso caso, fabricáronse transistores totalmente de carbono usando unha porta de grafeno inferior, un contacto de fonte/dreno de grafeno superior, un semicondutor de CNT ordenado e SEBS como dieléctrico (Fig. 5A). Como se mostra na Fig. 5B, un dispositivo totalmente de carbono con CNT como fonte/dreno e porta (dispositivo inferior) é máis opaco que o dispositivo con eléctrodos de grafeno (dispositivo superior). Isto débese a que as redes de CNT requiren grosores maiores e, en consecuencia, transmitancias ópticas máis baixas para lograr resistencias de lámina similares ás do grafeno (fig. S4). A Figura 5 (C e D) mostra curvas de transferencia e saída representativas antes da deformación para un transistor feito con eléctrodos MGG bicapa. O ancho e a lonxitude do canal do transistor sen deformación foron de 800 e 100 μm, respectivamente. A relación de activación/desactivación medida é superior a 103 con correntes de activación e desactivación nos niveis de 10−5 e 10−8 A, respectivamente. A curva de saída presenta réximes lineais e de saturación ideais cunha clara dependencia da tensión de porta, o que indica un contacto ideal entre os CNT e os eléctrodos de grafeno (45). Observouse que a resistencia de contacto cos eléctrodos de grafeno era menor que a da película de Au evaporada (véxase a fig. S14). A mobilidade de saturación do transistor estirable é duns 5,6 cm2/Vs, similar á dos mesmos transistores CNT clasificados por polímeros en substratos ríxidos de Si con SiO2 de 300 nm como capa dieléctrica. É posible unha mellora adicional na mobilidade cunha densidade de tubos optimizada e outros tipos de tubos (46).
(A) Esquema dun transistor estirable baseado en grafeno. Nanotubos de carbono de parede simple (SWNT). (B) Foto dos transistores estirables feitos de eléctrodos de grafeno (arriba) e eléctrodos de nanotubos de carbono (CNT) (abaixo). A diferenza de transparencia é claramente perceptible. (C e D) Curvas de transferencia e saída do transistor baseado en grafeno en SEBS antes da deformación. (E e F) Curvas de transferencia, corrente de activación e desactivación, relación de activación/desactivación e mobilidade do transistor baseado en grafeno a diferentes deformacións.
Cando o dispositivo transparente, totalmente de carbono, se estirou na dirección paralela á dirección de transporte de carga, observouse unha degradación mínima ata unha deformación do 120 %. Durante o estiramento, a mobilidade diminuíu continuamente de 5,6 cm2/Vs a unha deformación do 0 % a 2,5 cm2/Vs a unha deformación do 120 % (Fig. 5F). Tamén comparamos o rendemento do transistor para diferentes lonxitudes de canle (véxase a táboa S1). Cabe destacar que, a unha deformación de ata o 105 %, todos estes transistores aínda presentaban unha alta relación de activación/desactivación (>103) e mobilidade (>3 cm2/Vs). Ademais, resumimos todo o traballo recente sobre transistores totalmente de carbono (véxase a táboa S2) (47–52). Ao optimizar a fabricación de dispositivos en elastómeros e usar MGG como contactos, os nosos transistores totalmente de carbono mostran un bo rendemento en termos de mobilidade e histérese, así como de ser altamente estirables.
Como aplicación do transistor totalmente transparente e estirable, usámolo para controlar a conmutación dun LED (Fig. 6A). Como se mostra na Fig. 6B, o LED verde pódese ver claramente a través do dispositivo totalmente de carbono estirable situado directamente enriba. Mentres se estira ata aproximadamente o 100 % (Fig. 6, C e D), a intensidade da luz do LED non cambia, o que é consistente co rendemento do transistor descrito anteriormente (véxase o vídeo S1). Este é o primeiro informe sobre unidades de control estirables fabricadas con eléctrodos de grafeno, o que demostra unha nova posibilidade para a electrónica estirable de grafeno.
(A) Circuíto dun transistor para controlar un LED. GND, terra. (B) Foto do transistor totalmente de carbono, estirable e transparente, a unha deformación do 0 %, montado sobre un LED verde. (C) O transistor totalmente de carbono, transparente e estirable, usado para conectar o LED, está montado sobre o LED a unha deformación do 0 % (esquerda) e de ~100 % (dereita). As frechas brancas sinalan como marcadores amarelos no dispositivo para mostrar o cambio de distancia ao estirarse. (D) Vista lateral do transistor estirado, co LED empuxado contra o elastómero.
En conclusión, desenvolvemos unha estrutura de grafeno condutora transparente que mantén unha alta condutividade baixo grandes deformacións como eléctrodos estirables, habilitada por nanoenvoltorios de grafeno entre capas de grafeno apiladas. Estas estruturas de eléctrodos MGG bicapa e tricapa sobre un elastómero poden manter o 21 e o 65 %, respectivamente, das súas condutividades de deformación ao 0 % a unha deformación de ata o 100 %, en comparación coa perda completa de condutividade a unha deformación do 5 % para os eléctrodos de grafeno monocapa típicos. As rutas condutoras adicionais dos envoltorios de grafeno, así como a débil interacción entre as capas transferidas, contribúen á superior estabilidade da condutividade baixo deformación. Ademais, aplicamos esta estrutura de grafeno para fabricar transistores estirables totalmente de carbono. Ata o de agora, este é o transistor baseado en grafeno máis estirable coa mellor transparencia sen usar pandeo. Aínda que o presente estudo se realizou para habilitar o grafeno para electrónica estirable, cremos que esta abordaxe pódese estender a outros materiais 2D para permitir electrónica 2D estirable.
O grafeno de CVD de gran área cultivouse en láminas de Cu suspendidas (99,999 %; Alfa Aesar) baixo unha presión constante de 0,5 mtorr con 50–SCCM (centímetros cúbicos estándar por minuto) de CH4 e 20–SCCM de H2 como precursores a 1000 °C. Ambas as caras da lámina de Cu estaban cubertas por unha monocapa de grafeno. Unha capa fina de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) foi aplicada por centrifugación nun lado da lámina de Cu, formando unha estrutura de PMMA/G/lámina de Cu/G. Posteriormente, toda a película foi mergullada nunha solución de persulfato de amonio 0,1 M [(NH4)2S2O8] durante unhas 2 horas para gravar a lámina de Cu. Durante este proceso, o grafeno da parte traseira desprotexida primeiro rasgouse ao longo dos límites de gran e despois enrolouse en espiral debido á tensión superficial. As espirales uníronse á película superior de grafeno soportada por PMMA, formando espirales de PMMA/G/G. Posteriormente, as películas laváronse varias veces en auga desionizada e colocáronse sobre un substrato obxectivo, como un substrato ríxido de SiO2/Si ou de plástico. En canto a película adherida secou sobre o substrato, a mostra mergullouse secuencialmente en acetona, acetona/IPA (alcohol isopropílico) 1:1 e IPA durante 30 segundos cada vez para eliminar o PMMA. As películas quentáronse a 100 °C durante 15 minutos ou mantivéronse ao baleiro durante a noite para eliminar completamente a auga atrapada antes de transferir outra capa de pergamiño G/G sobre elas. Este paso serviu para evitar o desprendemento da película de grafeno do substrato e garantir a cobertura completa dos MGG durante a liberación da capa portadora de PMMA.
A morfoloxía da estrutura MGG observouse empregando un microscopio óptico (Leica) e un microscopio electrónico de varrido (1 kV; FEI). Utilizouse un microscopio de forza atómica (Nanoscope III, Digital Instrument) en modo de tapping para observar os detalles dos rolos G. A transparencia da película comprobouse cun espectrómetro ultravioleta-visible (Agilent Cary 6000i). Para as probas nas que a deformación estaba ao longo da dirección perpendicular do fluxo de corrente, utilizáronse fotolitografía e plasma de O2 para modelar as estruturas de grafeno en tiras (~300 μm de ancho e ~2000 μm de longo), e depositáronse termicamente eléctrodos de Au (50 nm) empregando máscaras de sombra en ambos os extremos do lado longo. As tiras de grafeno puxéronse entón en contacto cun elastómero SEBS (~2 cm de ancho e ~5 cm de longo), co eixe longo das tiras paralelo ao lado curto do SEBS, seguido de gravado BOE (gravado de óxido tamponado) (HF:H2O 1:6) e galio-indio eutéctico (EGaIn) como contactos eléctricos. Para as probas de deformación paralela, transferíronse estruturas de grafeno sen patrón (~5 × 10 mm) a substratos de SEBS, con eixes longos paralelos ao lado longo do substrato de SEBS. En ambos os casos, todo o G (sen as spirais de G)/SEBS estirouse ao longo do lado longo do elastómero nun aparello manual e, in situ, medimos os seus cambios de resistencia baixo deformación nunha estación de sonda cun analizador de semicondutores (Keithley 4200-SCS).
Os transistores totalmente de carbono, altamente estirables e transparentes, sobre un substrato elástico fabricáronse mediante os seguintes procedementos para evitar danos por solventes orgánicos no dieléctrico polimérico e no substrato. As estruturas de MGG transferíronse a SEBS como eléctrodos de porta. Para obter unha capa dieléctrica polimérica de película fina uniforme (2 μm de espesor), aplicouse un revestimento por centrifugación a unha solución de tolueno SEBS (80 mg/ml) sobre un substrato de SiO2/Si modificado con octadeciltriclorosilano (OTS) a 1000 rpm durante 1 minuto. A película dieléctrica fina pódese transferir facilmente desde a superficie hidrofóbica de OTS ao substrato SEBS cuberto co grafeno preparado. Pódese fabricar un condensador depositando un eléctrodo superior de metal líquido (EGaIn; Sigma-Aldrich) para determinar a capacitancia en función da deformación usando un medidor LCR (indutancia, capacitancia, resistencia) (Agilent). A outra parte do transistor consistía en CNT semicondutores clasificados por polímeros, seguindo os procedementos descritos anteriormente (53). Os eléctrodos de fonte/drenaxe modelados fabricáronse sobre substratos ríxidos de SiO2/Si. Posteriormente, as dúas partes, dieléctrico/G/SEBS e CNT/G/SiO2/Si modelado, lamináronse entre si e mergulláronse en BOE para eliminar o substrato ríxido de SiO2/Si. Deste xeito, fabricáronse os transistores totalmente transparentes e estirables. As probas eléctricas baixo tensión realizáronse nunha configuración de estiramento manual como o método mencionado anteriormente.
Podes atopar material complementario para este artigo en http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
figura S1. Imaxes de microscopía óptica de MGG monocapa sobre substratos de SiO2/Si a diferentes aumentos.
Fig. S4. Comparación das resistencias e transmitancias de dúas láminas de sonda a 550 nm de grafeno liso monocapa, bicapa e tricapa (cadrados negros), MGG (círculos vermellos) e CNT (triángulo azul).
figura S7. Cambio de resistencia normalizado de MGGs monocapa e bicapa (negro) e G (vermello) baixo unha carga de deformación cíclica de ~1000 ata unha deformación paralela do 40 e 90 %, respectivamente.
Fig. S10. Imaxe SEB de MGG tricapa sobre elastómero SEBS despois da deformación, que mostra unha longa espiral cruzada sobre varias gretas.
Fig. S12. Imaxe AFM de MGG tricapa sobre elastómero SEBS moi fino a unha deformación do 20 %, que mostra que unha espiral cruzou unha greta.
Táboa S1. Mobilidades de transistores de nanotubos de carbono de parede simple e bicapa MGG a diferentes lonxitudes de canle antes e despois da deformación.
Este é un artigo de acceso aberto distribuído baixo os termos da licenza Creative Commons Atribución-NonComercial, que permite o uso, a distribución e a reprodución en calquera medio, sempre que o uso resultante non sexa para unha vantaxe comercial e sempre que a obra orixinal sexa debidamente citada.
NOTA: Só solicitamos o teu enderezo de correo electrónico para que a persoa á que lle recomendas a páxina saiba que querías que a vise e que non é correo lixo. Non capturamos ningún enderezo de correo electrónico.
Esta pregunta serve para comprobar se es ou non unha persoa e para evitar envíos automáticos de correo lixo.
Por 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
Por 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 Asociación Americana para o Avance da Ciencia. Todos os dereitos reservados. AAAS é socio de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Data de publicación: 28 de xaneiro de 2021