Electrodos de grafeno ultratransparentes e extensibles

Os materiais bidimensionais, como o grafeno, son atractivos tanto para aplicacións de semicondutores convencionais como para aplicacións nacentes en electrónica flexible. Non obstante, a alta resistencia á tracción do grafeno provoca a fractura a baixa tensión, polo que é difícil aproveitar as súas extraordinarias propiedades electrónicas na electrónica elástica. Para permitir un excelente rendemento dependente da deformación dos condutores transparentes de grafeno, creamos nanoscrolls de grafeno entre as capas de grafeno apiladas, denominadas volutas multicapa de grafeno/grafeno (MGG). Baixo tensión, algúns volutas puxeron os dominios fragmentados do grafeno para manter unha rede de filtración que permitía unha excelente condutividade a altas tensións. Os MGG de tres capas apoiados en elastómeros conservaron o 65% da súa condutancia orixinal ao 100% de tensión, que é perpendicular á dirección do fluxo de corrente, mentres que as películas de tres capas de grafeno sen nanoscrolls conservaron só o 25% da súa condutancia inicial. Un transistor de carbono extensible fabricado usando MGGs como electrodos presentaba unha transmitancia de > 90% e conservaba o 60% da súa saída de corrente orixinal cun 120% de tensión (paralela á dirección de transporte de carga). Estes transistores totalmente en carbono altamente extensibles e transparentes poderían permitir unha optoelectrónica extensible sofisticada.
A electrónica transparente extensible é un campo en crecemento que ten importantes aplicacións en sistemas biointegrados avanzados (1, 2), así como o potencial de integrarse coa optoelectrónica extensible (3, 4) para producir robótica e pantallas suaves sofisticadas. O grafeno presenta propiedades moi desexables de grosor atómico, alta transparencia e alta condutividade, pero a súa implementación en aplicacións estirables foi inhibida pola súa tendencia a rachar en pequenas cepas. Superar as limitacións mecánicas do grafeno podería habilitar novas funcionalidades en dispositivos transparentes extensibles.
As propiedades únicas do grafeno fan que sexa un forte candidato para a próxima xeración de electrodos condutores transparentes (5, 6). En comparación co condutor transparente máis usado, o óxido de indio e estaño [ITO; 100 ohmios/cadrado (cadrado) cun 90 % de transparencia], o grafeno monocapa cultivado mediante deposición química de vapor (CVD) ten unha combinación similar de resistencia á folla (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 plástico, a súa condutancia pódese manter mesmo para un radio de curvatura de tan pequeno como 0,8 mm (8). Para mellorar aínda máis o seu rendemento eléctrico como condutor flexible transparente, traballos anteriores desenvolveron materiais híbridos de grafeno con nanocables de prata unidimensionales (1D) ou nanotubos de carbono (CNT) (9-11). Ademais, o grafeno utilizouse como electrodos para semicondutores heteroestruturais de dimensións mixtas (como Si masivo 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 de carbono-carbono non proporciona ningún mecanismo de disipación de enerxía para a tensión aplicada e, polo tanto, racha facilmente a menos do 5 % de tensión. Por exemplo, o grafeno CVD transferido a un substrato elástico de polidimetilsiloxano (PDMS) só pode manter a súa condutividade a menos do 6 % de tensión (8). Os cálculos teóricos mostran que o arrugado e a interacción entre as diferentes capas deberían diminuír fortemente a rixidez (26). Ao apilar grafeno en varias capas, infórmase de que este grafeno bi- ou tricapa é estirable ata un 30% de tensión, mostrando un cambio de resistencia 13 veces menor que o do grafeno monocapa (27). Non obstante, esta elasticidade aínda é significativamente inferior aos condutores estirables de última xeración (28, 29).
Os transistores son importantes en aplicacións extensibles porque permiten unha lectura sofisticada de sensores e análise de sinal (30, 31). Os transistores en PDMS con grafeno multicapa como electrodos fonte/drenaxe e material de canle poden manter a función eléctrica ata un 5% de tensión (32), que está significativamente por debaixo do valor mínimo esixido (~50%) para sensores de vixilancia da saúde e pel electrónica ( 33, 34). Recentemente, explorou un enfoque de kirigami de grafeno e o transistor controlado por un electrólito líquido pódese estirar ata o 240% (35). Non obstante, este método require grafeno en suspensión, o que complica o proceso de fabricación.
Aquí, conseguimos dispositivos de grafeno altamente estirables intercalando rolos de grafeno (de ~1 a 20 μm de longo, de ~0,1 a 1 μm de ancho e de ~10 a 100 nm de alto) entre as capas de grafeno. A hipótese de que estes rolos de grafeno poderían proporcionar camiños condutores para salvar gretas nas follas de grafeno, mantendo así unha alta condutividade baixo tensión. Os rolos de grafeno non requiren síntese nin proceso adicional; fórmanse de forma natural durante o procedemento de transferencia húmida. Mediante o uso de electrodos elásticos de grafeno (fonte/dren e porta) multicapa G/G (grafeno/grafeno) scrolls (MGG) e CNT semicondutores, puidemos demostrar transistores totalmente de carbono altamente transparentes e altamente estirables, que se poden estirar ata 120. % de tensión (paralela á dirección de transporte de carga) e conservan o 60 % da súa corrente de saída orixinal. Este é o transistor a base de carbono transparente máis estirable ata agora e proporciona corrente suficiente para impulsar un LED inorgánico.
Para habilitar electrodos de grafeno elásticos transparentes de gran área, escollemos grafeno cultivado con CVD sobre folla de Cu. A lámina de Cu suspendeuse no centro dun tubo de cuarzo CVD para permitir o crecemento de grafeno en ambos os dous lados, formando estruturas G/Cu/G. Para transferir grafeno, primeiro recubrimos por centrifugado unha fina capa de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) para protexer un lado do grafeno, ao que denominamos grafeno da parte superior (viceversa para o outro lado do grafeno) e, posteriormente, o A película enteira (PMMA/grafeno superior/Cu/grafeno inferior) foi empapada en solución de (NH4)2S2O8 para eliminar a folla de Cu. O grafeno do lado inferior sen o revestimento de PMMA terá inevitablemente fendas e defectos que permiten que un gravador penetre (36, 37). Como se ilustra na figura 1A, baixo o efecto da tensión superficial, os dominios de grafeno liberados enrolaronse en rolos e posteriormente uníronse á película superior G/PMMA restante. Os rolos superiores G/G pódense transferir a calquera substrato, como SiO2/Si, vidro ou polímero brando. Repetindo este proceso de transferencia varias veces sobre o mesmo substrato dáse estruturas MGG.
(A) Ilustración esquemática do procedemento de fabricación de MGG como un electrodo estirable. Durante a transferencia de grafeno, o grafeno traseiro da lámina de Cu rompíase nos límites e defectos, enrolado en formas arbitrarias e unido firmemente ás películas superiores, formando nanoscrolls. A cuarta caricatura representa a estrutura MGG apilada. (B e C) Caracterizacións TEM de alta resolución dun MGG monocapa, centrándose na rexión do grafeno monocapa (B) e na rexión scroll (C), respectivamente. O recuadro de (B) é unha imaxe de baixo aumento que mostra a morfoloxía xeral dos MGG monocapa na reixa TEM. Os insertos 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 borde K de carbono cos picos característicos π* e σ* rotulados. (E) Imaxe AFM seccional de rolos monocapa G/G cun perfil de altura ao longo da liña punteada amarela. (F a I) Microscopía óptica e imaxes AFM de tricapa G sen (F e H) e con volutas (G e I) sobre substratos SiO2/Si de 300 nm de espesor, respectivamente. Rolas e engurras representativas rotuláronse para destacar as súas diferenzas.
Para verificar que os rolos son de grafeno enrolado na natureza, realizamos estudos de microscopía electrónica de transmisión (TEM) e espectroscopia de perda de enerxía electrónica (EEL) de alta resolución sobre as estruturas de volutas G/G monocapa. A figura 1B mostra a estrutura hexagonal dun grafeno monocapa, e a inserción é unha morfoloxía global da película cuberta nun único burato de carbono da reixa TEM. O grafeno monocapa abrangue a maior parte da reixa, e aparecen algunhas escamas de grafeno en presenza de varias pilas de aneis hexagonais (Fig. 1B). Ao facer zoom nun pergamiño individual (Fig. 1C), observamos unha gran cantidade de franxas de celosía de grafeno, cun espazamento da rede no intervalo de 0,34 a 0,41 nm. Estas medicións suxiren que as escamas están enroladas aleatoriamente e non son de grafito perfecto, que ten un espazamento de celosía de 0,34 nm no apilado de capas "ABAB". A figura 1D mostra o espectro de EEL do bordo K do carbono, onde o pico a 285 eV orixina do orbital π* e o outro ao redor de 290 eV débese á transición do orbital σ*. Pódese apreciar que nesta estrutura domina o enlace sp2, comprobando que os volutas son altamente grafitizados.
As imaxes de microscopía óptica e microscopía de forza atómica (AFM) proporcionan información sobre a distribución dos nanoscrolls de grafeno nos MGG (Fig. 1, E a G e figs. S1 e S2). Os rolos distribúense aleatoriamente pola superficie e a súa densidade no plano aumenta proporcionalmente ao número de capas apiladas. Moitos volutas 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 do tamaño das súas escamas de grafeno iniciais. Como se mostra na figura 1 (H e I), os rolos teñen tamaños significativamente máis grandes 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 rolo e apilamos capas en tiras de 300 μm de ancho e 2000 μm de lonxitude mediante fotolitografía. Medidas as resistencias de dúas sondas en función da deformación en condicións ambientais. A presenza de volutas reduciu a resistividade do grafeno monocapa nun 80% con só unha diminución do 2,2% na transmitancia (fig. S4). Isto confirma que os nanoscrolls, que teñen unha alta densidade de corrente de ata 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), fan unha contribución eléctrica moi positiva aos MGG. Entre todos os grafeno simple e MGG mono, bi e tricapa, o MGG tricapa ten a mellor condutividade cunha transparencia de case o 90%. Para comparar con outras fontes de grafeno informadas na literatura, tamén medimos as resistencias das follas de catro sondas (fig. S5) e enumerámolas en función da transmitancia a 550 nm (fig. S6) na figura 2A. O MGG mostra unha condutividade e transparencia comparables ou superiores á do grafeno simple multicapa apilado artificialmente e ao óxido de grafeno reducido (RGO) (6, 8, 18). Teña en conta que as resistencias das follas do grafeno simple multicapa apilado artificialmente da literatura son lixeiramente máis altas que as do noso MGG, probablemente debido ás súas condicións de crecemento e método de transferencia non optimizados.
(A) Resistencias de folla de catro sondas fronte a transmitancia a 550 nm para varios tipos de grafeno, onde os cadrados negros indican MGG mono, bi e tricapa; Os círculos vermellos e os triángulos azuis correspóndense co grafeno simple multicapa cultivado en Cu e Ni a partir 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 redutores do estudo de Bonaccorso et al. (18). (B e C) Cambio de resistencia normalizado de MGGs mono, bi e tricapa e G en función da tensión perpendicular (B) e paralela (C) á dirección do fluxo de corrente. (D) Cambio de resistencia normalizado da bicapa G (vermello) e MGG (negro) baixo unha carga de tensión cíclica ata un 50% de tensión perpendicular. (E) Cambio de resistencia normalizado da tricapa G (vermello) e MGG (negro) baixo unha carga de tensión cíclica ata o 90% de tensión paralela. (F) Cambio de capacitancia normalizado de mono, bi e tricapa G e MGG bi e tricapa como función da deformación. O inserto é a estrutura do capacitor, onde o substrato do polímero é SEBS e a capa dieléctrica do polímero é o SEBS de 2 μm de espesor.
Para avaliar o rendemento dependente da tensión do MGG, transferimos grafeno a substratos de elastómero termoplástico estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) (~ 2 cm de ancho e ~ 5 cm de longo) e mediuse a condutividade mentres se estiraba o substrato. (ver Materiais e métodos) tanto perpendiculares como paralelos á dirección do fluxo da corrente (Fig. 2, B e C). O comportamento eléctrico dependente da tensión mellorou coa incorporación de nanoscrolls e o aumento do número de capas de grafeno. Por exemplo, cando a deformación é perpendicular ao fluxo de corrente, para o grafeno monocapa, a adición de volutas aumentou a tensión na rotura eléctrica do 5 ao 70%. A tolerancia á tensión do grafeno tricapa tamén mellora significativamente en comparación co grafeno monocapa. Con nanoscrolls, cunha tensión perpendicular ao 100%, a resistencia da estrutura MGG de tres capas só aumentou nun 50%, en comparación co 300% do grafeno tricapa sen volutas. Investigouse o cambio de resistencia baixo carga cíclica. A modo de comparación (Fig. 2D), as resistencias dunha película de grafeno bicapa simple aumentaron unhas 7,5 veces despois de ~ 700 ciclos ao 50% de tensión perpendicular e continuaron aumentando coa tensión en cada ciclo. Por outra banda, a resistencia dun MGG bicapa só aumentou unhas 2,5 veces despois de ~700 ciclos. Aplicando ata un 90% de tensión 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 ciclismo móstranse na fig. S7. O aumento relativamente máis rápido da resistencia ao longo da dirección da tensión paralela débese a que a orientación das fendas é perpendicular á dirección do fluxo de corrente. A desviación da resistencia durante a tensión de carga e descarga débese á recuperación viscoelástica do substrato de elastómero SEBS. A resistencia máis estable das tiras de MGG durante o ciclo débese á presenza de grandes volutas que poden salvar as partes rachadas do grafeno (como observa AFM), axudando a manter unha vía de percolación. Este fenómeno de mantemento da condutividade por unha vía de percolación xa se informou antes para películas de metal rachadas ou semicondutores sobre substratos elastómeros (40, 41).
Para avaliar estas películas a base de grafeno como electrodos de porta en dispositivos estirables, cubrimos a capa de grafeno cunha capa dieléctrica SEBS (2 μm de espesor) e monitorizamos o cambio de capacidade dieléctrica en función da tensión (ver a figura 2F e os materiais suplementarios para detalles). Observamos que as capacidades con electrodos de grafeno simples e bicapa diminuíron rapidamente debido á perda de condutividade no plano do grafeno. Pola contra, as capacidades protexidas polos MGG e o grafeno de tres capas simples mostraron un aumento da capacidade coa tensión, o que se espera debido á redución do espesor dieléctrico coa tensión. O aumento esperado da capacidade coincidiu moi ben coa estrutura MGG (fig. S8). Isto indica que MGG é axeitado como electrodo de porta para transistores estirables.
Para investigar aínda máis o papel do rolo de grafeno 1D na tolerancia á tensión da condutividade eléctrica e controlar mellor a separación entre as capas de grafeno, usamos CNT revestidos con pulverización para substituír os rolos de grafeno (ver Materiais suplementarios). Para imitar estruturas de MGG, depositamos tres densidades de CNT (é dicir, CNT1
(A a C) Imaxes AFM de tres densidades diferentes de CNTs (CNT1
Para comprender aínda máis a súa capacidade como electrodos para a electrónica elástica, investigamos sistemáticamente 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 ambos carecen de contraste de cor e o SEM está suxeito a artefactos de imaxe durante a exploración electrónica cando o grafeno está sobre substratos de polímero (figs. S9 e S10). Para observar in situ a superficie do grafeno baixo tensión, recollemos medicións de AFM en MGG de tres capas e grafeno liso despois de transferir a substratos SEBS moi finos (~ 0,1 mm de espesor) e elásticos. Debido aos defectos intrínsecos no grafeno CVD e aos danos extrínsecos durante o proceso de transferencia, as gretas son inevitablemente xeradas no grafeno tenso e, co aumento da tensión, as gretas fixéronse máis densas (Fig. 4, A a D). Segundo a estrutura de apilado dos electrodos a base de carbono, as gretas presentan diferentes morfoloxías (fig. S11) (27). A densidade da área de fisuras (definida como área de fendas/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, a miúdo obsérvanse volutas para salvar as fendas, proporcionando vías condutoras adicionais na película tensa. Por exemplo, como se indica na imaxe da figura 4B, un pergamiño ancho atravesou unha fenda na MGG de tres capas, pero non se observou ningún pergamiño no grafeno simple (figura 4, de E a H). Do mesmo xeito, os CNT tamén puxeron as fendas do grafeno (fig. S11). A densidade da área de fendas, a densidade da área de desprazamento e a rugosidade das películas resúmense na figura 4K.
(A a H) Imaxes AFM in situ de rolos G/G de tres capas (A a D) e estruturas G de tres capas (E a ​​H) nun elastómero SEBS moi fino (~0,1 mm de espesor) a 0, 20, 60 e 100 % de tensión. As fendas e os rolos representativos están apuntados 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 electrodos de grafeno monocapa estampados no substrato SEBS. (J) Mapa de contorno de simulación da deformación logarítmica principal máxima no grafeno monocapa e no substrato SEBS cun 20% de tensión externa. (K) Comparación da densidade da área de fendas (columna vermella), a densidade da área de desprazamento (columna amarela) e a rugosidade da superficie (columna azul) para diferentes estruturas de grafeno.
Cando se estiran as películas de MGG, hai un importante mecanismo adicional de que os rolos poden salvar rexións rachadas de grafeno, mantendo unha rede de filtración. Os rolos de grafeno son prometedores porque poden medir decenas de micrómetros de lonxitude e, polo tanto, poden salvar gretas que normalmente son a escala micrométrica. Ademais, como os rolos consisten en varias capas de grafeno, espérase que teñan unha baixa resistencia. En comparación, as redes CNT relativamente densas (de menor transmitancia) son necesarias para proporcionar unha capacidade de ponte conductiva comparable, xa que os CNT son máis pequenos (normalmente uns poucos micrómetros de lonxitude) e menos condutores que os scrolls. Por outra banda, como se mostra na fig. S12, mentres que o grafeno racha durante o estiramento para acomodar a tensión, os rolos non se rachan, o que indica que este último pode estar deslizando sobre o grafeno subxacente. A razón pola que non se rachan probablemente débese á estrutura enrolada, composta por moitas capas de grafeno (de entre 1 e 20 μm de longo, entre 0,1 e 1 μm de ancho e entre 10 e 100 nm de alto). un módulo efectivo maior que o grafeno de capa única. Segundo informaron Green e Hersam (42), as redes metálicas CNT (diámetro de tubo de 1,0 nm) poden acadar baixas resistencias de folla <100 ohms/sq a pesar da gran resistencia de unión entre CNT. Tendo en conta que as nosas rolas de grafeno teñen anchos de 0,1 a 1 μm e que as rolas G/G teñen áreas de contacto moito máis grandes que as CNT, a resistencia de contacto e a área de contacto entre as rolas de grafeno e as rolas 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 espesor efectivo do electrodo de grafeno é moito menor que o do substrato, a rixidez do grafeno multiplicada por o seu grosor é comparable á do substrato (43, 44), o que resulta nun efecto de illa ríxida moderada. Simulamos a deformación dun grafeno de 1 nm de espesor nun substrato SEBS (consulte Materiais suplementarios para máis detalles). Segundo os resultados da simulación, cando se aplica un 20% de tensión 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 (ver Fig. S13). . Comparamos a cepa nas rexións de grafeno e substrato con patróns mediante microscopía óptica e descubrimos que a cepa na rexión do substrato era polo menos o dobre da cepa da rexión do grafeno. Isto indica que a tensión aplicada nos patróns de electrodos de grafeno podería estar significativamente limitada, formando illas ríxidas de grafeno na parte superior do SEBS (26, 43, 44).
Polo tanto, a capacidade dos electrodos de MGG para manter unha alta condutividade baixo unha alta tensión probablemente estea habilitada por dous mecanismos principais: (i) Os rolos poden unir rexións desconectadas para manter unha vía de percolación condutora e (ii) as follas de grafeno/elastómero multicapa poden deslizarse. uns sobre outros, o que resulta nunha redución da tensión nos electrodos de grafeno. Para varias capas de grafeno transferido sobre elastómero, as capas non están fortemente unidas entre si, o que pode deslizarse en resposta á tensión (27). Os rolos 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 perseguidos con entusiasmo debido ao baixo custo e ao alto rendemento. No noso caso, os transistores de carbono foron fabricados usando unha porta de grafeno inferior, un contacto fonte/dren superior de grafeno, un semicondutor CNT clasificado e SEBS como dieléctrico (Fig. 5A). Como se mostra na figura 5B, un dispositivo totalmente en carbono con CNTs como fonte/drenaxe e porta (dispositivo inferior) é máis opaco que o dispositivo con electrodos de grafeno (dispositivo superior). Isto débese a que as redes CNT requiren grosores maiores e, en consecuencia, transmitancias ópticas máis baixas para conseguir resistencias de folla semellantes ás do grafeno (fig. S4). A figura 5 (C e D) mostra as curvas de transferencia e saída representativas antes da tensión para un transistor feito con electrodos MGG bicapa. O ancho e a lonxitude da canle do transistor sen tensión eran de 800 e 100 μm, respectivamente. A relación on/off medida é maior que 103 con correntes de aceso e apagado 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 electrodos de grafeno (45). Observouse que a resistencia de contacto cos electrodos de grafeno era inferior á da película Au evaporada (ver fig. S14). A mobilidade de saturación do transistor estirable é duns 5,6 cm2/Vs, similar á dos mesmos transistores CNT clasificados por polímeros sobre substratos ríxidos de Si con SiO2 de 300 nm como capa dieléctrica. É posible mellorar aínda máis a mobilidade cunha densidade de tubos optimizada e outros tipos de tubos (46).
(A) Esquema dun transistor extensible baseado en grafeno. SWNTs, nanotubos de carbono de parede simple. (B) Foto dos transistores estirables feitos de electrodos de grafeno (arriba) e electrodos CNT (inferior). A diferenza de transparencia é claramente perceptible. (C e D) Curvas de transferencia e saída do transistor baseado en grafeno en SEBS antes da tensión. (E e F) Curvas de transferencia, corrente de encendido e apagado, relación on/off e mobilidade do transistor baseado en grafeno a diferentes tensións.
Cando o dispositivo transparente de carbono estirado na dirección paralela á dirección de transporte de carga, observouse unha degradación mínima ata o 120 % de tensión. Durante o estiramento, a mobilidade diminuíu continuamente de 5,6 cm2/Vs ao 0% de tensión a 2,5 cm2/Vs ao 120% de tensión (Fig. 5F). Tamén comparamos o rendemento do transistor para diferentes lonxitudes de canle (consulte a táboa S1). Notablemente, a unha tensión tan grande como o 105%, todos estes transistores aínda presentaban unha alta relación on/off (>103) e mobilidade (>3 cm2/Vs). Ademais, resumimos todo o traballo recente sobre transistores totalmente de carbono (ver táboa S2) (47-52). Ao optimizar a fabricación de dispositivos en elastómeros e usar MGG como contactos, os nosos transistores totalmente en carbono mostran un bo rendemento en termos de mobilidade e histérese, ademais de ser altamente elásticos.
Como unha aplicación do transistor totalmente transparente e estirable, usámolo para controlar a conmutación dun LED (Fig. 6A). Como se mostra na figura 6B, o LED verde pódese ver claramente a través do dispositivo de carbono extensible situado directamente enriba. Mentres se estende a ~ 100% (Fig. 6, C e D), a intensidade da luz LED non cambia, o que é consistente co rendemento do transistor descrito anteriormente (ver película S1). Este é o primeiro informe de unidades de control estirables feitas con electrodos de grafeno, que demostra unha nova posibilidade para a electrónica estirable de grafeno.
(A) Circuíto dun transistor para conducir LED. GND, terra. (B) Foto do transistor totalmente de carbono elástico e transparente ao 0% de tensión montado sobre un LED verde. (C) O transistor transparente e estirable totalmente en carbono usado para cambiar o LED está a ser montado enriba do LED a 0% (esquerda) e ~ 100% de tensión (dereita). As frechas brancas sinalan como os marcadores amarelos do dispositivo para mostrar o cambio de distancia que se estira. (D) Vista lateral do transistor estirado, co LED empurrado no elastómero.
En conclusión, desenvolvemos unha estrutura condutora de grafeno transparente que mantén unha alta condutividade baixo grandes tensións como electrodos elásticos, habilitada por nanovolturas de grafeno entre as capas de grafeno apiladas. Estas estruturas de electrodos MGG bi e tricapa nun elastómero poden manter o 21 e o 65%, respectivamente, das súas condutividades de deformación do 0% a unha tensión ata o 100%, en comparación coa perda total de condutividade ao 5% de tensión dos electrodos de grafeno monocapa típicos. . Os camiños condutores adicionais dos rolos de grafeno, así como a débil interacción entre as capas transferidas, contribúen á estabilidade superior da condutividade baixo tensión. Ademais aplicamos esta estrutura de grafeno para fabricar transistores extensibles totalmente en carbono. Ata o momento, este é o transistor baseado en grafeno máis estirable e coa mellor transparencia sen usar pandeo. Aínda que o presente estudo realizouse para habilitar o grafeno para a electrónica elástica, cremos que este enfoque pode estenderse a outros materiais 2D para permitir a electrónica 2D elástica.
Cultivouse grafeno CVD de gran área en follas de Cu suspendidas (99,999%; Alfa Aesar) baixo unha presión constante de 0,5 mtorr con 50–SCCM (centímetro cúbico estándar por minuto) CH4 e 20–SCCM H2 como precursores a 1000 °C. Ambos os dous lados da lámina de Cu estaban cubertos por grafeno monocapa. Unha fina capa de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) foi revestida por centrifugado nun lado da folla de Cu, formando unha estrutura de PMMA/G/Cu foil/G. posteriormente, a película enteira foi empapada nunha solución de persulfato de amonio 0,1 M [(NH4)2S2O8] durante aproximadamente 2 horas para eliminar a folla de Cu. Durante este proceso, o grafeno traseiro desprotexido rasgou primeiro ao longo dos límites dos grans e despois enrollouse en volutas debido á tensión superficial. Os rolos uníronse á película de grafeno superior apoiada en PMMA, formando rolas PMMA/G/G. Posteriormente, as películas foron lavadas en auga desionizada varias veces e colocadas sobre un substrato obxectivo, como un substrato ríxido de SiO2/Si ou plástico. Tan pronto como a película adxunta se secou no substrato, a mostra foi empapada secuencialmente en acetona, acetona 1:1/IPA (alcohol isopropílico) e IPA durante 30 s cada unha 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 que se transferise outra capa de rolo G/G. Este paso foi evitar a separación da película de grafeno do substrato e garantir a cobertura total dos MGG durante a liberación da capa portadora de PMMA.
A morfoloxía da estrutura do MGG foi observada mediante un microscopio óptico (Leica) e un microscopio electrónico de varrido (1 kV; FEI). Operouse un microscopio de forza atómica (Nanoscope III, Digital Instrument) en modo tapping para observar os detalles dos rolos G. A transparencia da película foi probada cun espectrómetro ultravioleta-visible (Agilent Cary 6000i). Para as probas cando a deformación estaba ao longo da dirección perpendicular do fluxo de corrente, utilizáronse fotolitografía e plasma de O2 para modelar estruturas de grafeno en tiras (~ 300 μm de ancho e ~ 2000 μm de lonxitude) e depositáronse térmicamente electrodos de Au (50 nm). máscaras de sombra nos dous extremos do lado longo. A continuación, as tiras de grafeno puxéronse 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 BOE (grabado de óxido tampón) (HF:H2O). 1:6) gravado e galio indio eutéctico (EGaIn) como contactos eléctricos. Para as probas de deformación paralelas, as estruturas de grafeno sen patrón (~ 5 × 10 mm) foron transferidas a substratos SEBS, con eixes longos paralelos ao lado longo do substrato SEBS. Para ambos os casos, todo o G (sen rolos G)/SEBS estirouse ao longo do lado longo do elastómero nun aparello manual, e in situ, medimos os seus cambios de resistencia baixo tensión nunha estación de sonda cun analizador de semicondutores (Keithley 4200). -SCS).
Os transistores de carbono altamente elásticos e transparentes sobre un substrato elástico fabricáronse cos seguintes procedementos para evitar danos do dieléctrico do polímero e do substrato por disolventes orgánicos. As estruturas MGG foron transferidas a SEBS como electrodos de porta. Para obter unha capa dieléctrica de polímero de película fina uniforme (2 μm de espesor), unha solución de tolueno SEBS (80 mg/ml) foi recuberta por centrifugación sobre un substrato de SiO2/Si modificado con octadeciltriclorosilano (OTS) a 1000 rpm durante 1 min. A fina película dieléctrica pódese transferir facilmente desde a superficie hidrófoba OTS ao substrato SEBS cuberto co grafeno preparado. Pódese fabricar un capacitor depositando un electrodo superior de metal líquido (EGaIn; Sigma-Aldrich) para determinar a capacitancia en función da tensión usando un medidor LCR (inductancia, capacitancia, resistencia) (Agilent). A outra parte do transistor consistía en CNTs semicondutores clasificados por polímeros, seguindo os procedementos descritos anteriormente (53). Os electrodos fonte/dren e patróns fabricáronse sobre substratos ríxidos de SiO2/Si. Posteriormente, as dúas partes, dieléctrico/G/SEBS e CNTs/estampado G/SiO2/Si, foron laminadas entre si e empapadas en BOE para eliminar o substrato ríxido de SiO2/Si. Así, fabricáronse os transistores totalmente transparentes e estirables. A proba eléctrica baixo tensión realizouse nunha configuración de estiramento manual como o método mencionado anteriormente.
O material complementario deste artigo está dispoñible en http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Imaxes de microscopía óptica de MGG monocapa sobre substratos de SiO2/Si con diferentes aumentos.
fig. S4. Comparación de resistencias e transmitancias de follas de dúas sondas a 550 nm de grafeno liso mono, bi e tricapa (cadrados negros), MGG (círculos vermellos) e CNT (triángulo azul).
fig. S7. Cambio de resistencia normalizado de MGG mono e bicapa (negro) e G (vermello) baixo ~ 1000 cargas de tensión cíclica ata 40 e 90% de tensión paralela, respectivamente.
fig. S10. Imaxe SEM de MGG tricapa sobre elastómero SEBS despois da tensión, que mostra unha longa cruz de volutas sobre varias fendas.
fig. S12. Imaxe AFM de MGG de tres capas sobre elastómero SEBS moi fino cun 20% de tensión, que mostra que un rolo atravesou unha fenda.
táboa S1. Mobilidades dos transistores de nanotubos de carbono de parede única MGG de bicapa en diferentes lonxitudes de canle antes e despois da tensión.
Este é un artigo de acceso aberto distribuído baixo os termos da licenza Creative Commons Recoñecemento-NonComercial, que permite o seu uso, distribución e reprodución en calquera medio, sempre que o uso resultante non sexa para beneficio comercial e sempre que a obra orixinal sexa axeitada. citado.
NOTA: Só solicitamos o teu enderezo de correo electrónico para que a persoa á que estás recomendando 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 un visitante humano e para evitar envíos automáticos de spam.
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.