Mae deunyddiau dau ddimensiwn, fel graffen, yn ddeniadol ar gyfer cymwysiadau lled-ddargludyddion confensiynol a chymwysiadau newydd mewn electroneg hyblyg. Fodd bynnag, mae cryfder tynnol uchel graffen yn arwain at dorri ar straen isel, gan ei gwneud hi'n heriol manteisio ar ei briodweddau electronig rhyfeddol mewn electroneg ymestynnol. Er mwyn galluogi perfformiad rhagorol sy'n ddibynnol ar straen dargludyddion graffen tryloyw, fe wnaethom greu nanosgrolau graffen rhwng haenau graffen wedi'u pentyrru, y cyfeirir atynt fel sgroliau graffen/graffen amlhaen (MGGs). O dan straen, roedd rhai sgroliau'n pontio'r parthau darniog o graffen i gynnal rhwydwaith hidlo a oedd yn galluogi dargludedd rhagorol ar straen uchel. Cadwodd MGGs tair haen a gefnogir ar elastomerau 65% o'u dargludedd gwreiddiol ar straen 100%, sy'n berpendicwlar i gyfeiriad llif y cerrynt, tra bod ffilmiau tair haen o graffen heb nanosgrolau yn cadw 25% o'u dargludedd cychwynnol yn unig. Dangosodd transistor holl-garbon ymestynnol a gynhyrchwyd gan ddefnyddio MGGs fel electrodau drosglwyddiad o >90% a chadw 60% o'i allbwn cerrynt gwreiddiol ar straen o 120% (yn gyfochrog â chyfeiriad cludo gwefr). Gallai'r transistorau holl-garbon ymestynnol a thryloyw hyn alluogi optoelectroneg ymestynnol soffistigedig.
Mae electroneg dryloyw ymestynnol yn faes sy'n tyfu sydd â chymwysiadau pwysig mewn systemau biointegredig uwch (1, 2) yn ogystal â'r potensial i integreiddio ag optoelectroneg ymestynnol (3, 4) i gynhyrchu roboteg a dangosyddion meddal soffistigedig. Mae gan graffen briodweddau dymunol iawn o drwch atomig, tryloywder uchel, a dargludedd uchel, ond mae ei weithrediad mewn cymwysiadau ymestynnol wedi'i atal gan ei duedd i gracio mewn straenau bach. Gallai goresgyn cyfyngiadau mecanyddol graffen alluogi ymarferoldeb newydd mewn dyfeisiau tryloyw ymestynnol.
Mae priodweddau unigryw graffen yn ei wneud yn ymgeisydd cryf ar gyfer y genhedlaeth nesaf o electrodau dargludol tryloyw (5, 6). O'i gymharu â'r dargludydd tryloyw a ddefnyddir amlaf, ocsid tun indiwm [ITO; 100 ohms/sgwâr (sg) ar 90% tryloywder], mae gan graffen monohaen a dyfir trwy ddyddodiad anwedd cemegol (CVD) gyfuniad tebyg o wrthwynebiad dalen (125 ohms/sgwâr) a thryloywder (97.4%) (5). Yn ogystal, mae gan ffilmiau graffen hyblygrwydd rhyfeddol o'i gymharu ag ITO (7). Er enghraifft, ar swbstrad plastig, gellir cadw ei ddargludedd hyd yn oed ar gyfer radiws plygu crymedd mor fach â 0.8 mm (8). Er mwyn gwella ei berfformiad trydanol ymhellach fel dargludydd hyblyg tryloyw, mae gweithiau blaenorol wedi datblygu deunyddiau hybrid graffen gyda nanowifrau arian un dimensiwn (1D) neu nanotubiau carbon (CNTs) (9–11). Ar ben hynny, mae graffen wedi cael ei ddefnyddio fel electrodau ar gyfer lled-ddargludyddion heterostrwythurol cymysg-ddimensiwn (megis Si swmp 2D, nanowifrau/nanotiwbiau 1D, a dotiau cwantwm 0D) (12), transistorau hyblyg, celloedd solar, a deuodau allyrru golau (LEDs) (13–23).
Er bod graffen wedi dangos canlyniadau addawol ar gyfer electroneg hyblyg, mae ei gymhwysiad mewn electroneg ymestynnol wedi'i gyfyngu gan ei briodweddau mecanyddol (17, 24, 25); mae gan graffen anystwythder mewn-plân o 340 N/m a modwlws Young o 0.5 TPa (26). Nid yw'r rhwydwaith carbon-carbon cryf yn darparu unrhyw fecanweithiau gwasgaru ynni ar gyfer straen cymhwysol ac felly mae'n cracio'n rhwydd ar lai na 5% o straen. Er enghraifft, dim ond ar lai na 6% o straen y gall graffen CVD a drosglwyddir i swbstrad elastig polydimethylsiloxane (PDMS) gynnal ei ddargludedd (8). Mae cyfrifiadau damcaniaethol yn dangos y dylai crychu a rhyngweithio rhwng gwahanol haenau leihau'r anystwythder yn sylweddol (26). Trwy bentyrru graffen i mewn i haenau lluosog, adroddir bod y graffen dwy- neu dair haen hwn yn ymestynnol i 30% o straen, gan arddangos newid ymwrthedd 13 gwaith yn llai na newid ymwrthedd graffen monohaen (27). Fodd bynnag, mae'r ymestynnwch hwn yn dal i fod yn sylweddol israddol i ddargludyddion ymestynnol o'r radd flaenaf (28, 29).
Mae transistorau yn bwysig mewn cymwysiadau ymestynnol oherwydd eu bod yn galluogi darlleniad synhwyrydd a dadansoddi signalau soffistigedig (30, 31). Gall transistorau ar PDMS gyda graffen amlhaen fel electrodau ffynhonnell/draen a deunydd sianel gynnal swyddogaeth drydanol hyd at 5% o straen (32), sydd yn sylweddol is na'r gwerth gofynnol lleiaf (~50%) ar gyfer synwyryddion monitro iechyd gwisgadwy a chroen electronig (33, 34). Yn ddiweddar, archwiliwyd dull kirigami graffen, a gellir ymestyn y transistor sy'n cael ei gate gan electrolyt hylifol hyd at 240% (35). Fodd bynnag, mae'r dull hwn yn gofyn am graffen ataliedig, sy'n cymhlethu'r broses weithgynhyrchu.
Yma, rydym yn cyflawni dyfeisiau graffen hynod ymestynnol trwy fewnosod sgroliau graffen (~1 i 20 μm o hyd, ~0.1 i 1 μm o led, a ~10 i 100 nm o uchder) rhwng haenau graffen. Rydym yn rhagdybio y gallai'r sgroliau graffen hyn ddarparu llwybrau dargludol i bontio craciau yn y dalennau graffen, gan gynnal dargludedd uchel o dan straen. Nid oes angen synthesis na phroses ychwanegol ar y sgroliau graffen; maent yn cael eu ffurfio'n naturiol yn ystod y weithdrefn drosglwyddo gwlyb. Trwy ddefnyddio sgroliau amlhaen G/G (graffen/graffen) (MGGs), electrodau ymestynnol graffen (ffynhonnell/draen a giât) a CNTs lled-ddargludol, roeddem yn gallu dangos transistorau holl-garbon tryloyw iawn ac ymestynnol iawn, y gellir eu hymestyn i 120% o straen (yn gyfochrog â chyfeiriad cludo gwefr) a chadw 60% o'u hallbwn cerrynt gwreiddiol. Dyma'r transistor carbon tryloyw mwyaf ymestynnol hyd yn hyn, ac mae'n darparu digon o gerrynt i yrru LED anorganig.
Er mwyn galluogi electrodau graffen ymestynnol tryloyw arwynebedd mawr, fe ddewison ni graffen a dyfwyd mewn CVD ar ffoil Cu. Cafodd y ffoil Cu ei hatal yng nghanol tiwb cwarts CVD i ganiatáu i graffen dyfu ar y ddwy ochr, gan ffurfio strwythurau G/Cu/G. I drosglwyddo graffen, fe wnaethon ni orchuddio haen denau o poly(methyl methacrylate) (PMMA) â throelli yn gyntaf i amddiffyn un ochr i'r graffen, a enwyd gennym yn graffen ochr uchaf (i'r gwrthwyneb ar gyfer ochr arall y graffen), ac wedi hynny, cafodd y ffilm gyfan (PMMA/graffen uchaf/Cu/graffen gwaelod) ei socian mewn hydoddiant (NH4)2S2O8 i ysgythru'r ffoil Cu i ffwrdd. Yn anochel, bydd gan y graffen ochr waelod heb yr orchudd PMMA graciau a diffygion sy'n caniatáu i ysgythrwr dreiddio drwyddo (36, 37). Fel y dangosir yn Ffig. 1A, o dan effaith tensiwn arwyneb, roedd y parthau graffen a ryddhawyd yn rholio i fyny i mewn i sgroliau ac wedi hynny'n atodi i'r ffilm G/PMMA uchaf sy'n weddill. Gellid trosglwyddo'r sgroliau top-G/G i unrhyw swbstrad, fel SiO2/Si, gwydr, neu bolymer meddal. Mae ailadrodd y broses drosglwyddo hon sawl gwaith ar yr un swbstrad yn rhoi strwythurau MGG.
(A) Darlun sgematig o'r weithdrefn weithgynhyrchu ar gyfer MGGs fel electrod ymestynnol. Yn ystod y trosglwyddiad graffen, torrwyd graffen gefn ar ffoil Cu ar ffiniau a diffygion, cafodd ei rolio i fyny i siapiau mympwyol, a'i gysylltu'n dynn â'r ffilmiau uchaf, gan ffurfio nanosgrolau. Mae'r pedwerydd cartŵn yn darlunio strwythur MGG wedi'i bentyrru. (B a C) Nodweddion TEM cydraniad uchel o MGG monohaen, gan ganolbwyntio ar y graffen monohaen (B) a'r rhanbarth sgrolio (C), yn y drefn honno. Mewnosodiad (B) yw delwedd chwyddiad isel sy'n dangos morffoleg gyffredinol MGGs monohaen ar y grid TEM. Mewnosodiadau (C) yw'r proffiliau dwyster a gymerwyd ar hyd y blychau petryal a nodir yn y ddelwedd, lle mae'r pellteroedd rhwng y planau atomig yn 0.34 a 0.41 nm. (D) Sbectrwm EEL ymyl-K carbon gyda'r pigau graffiti π* a σ* nodweddiadol wedi'u labelu. (E) Delwedd AFM adrannol o sgroliau G/G monohaen gyda phroffil uchder ar hyd y llinell ddotiog felen. (F i I) Delweddau microsgopeg optegol ac AFM o dair haen G heb (F a H) a gyda sgroliau (G ac I) ar swbstradau SiO2/Si 300-nm o drwch, yn y drefn honno. Labelwyd sgroliau a chrychau cynrychioliadol i amlygu eu gwahaniaethau.
Er mwyn gwirio bod y sgroliau wedi'u rholio o ran natur, fe wnaethom gynnal astudiaethau sbectrosgopeg microsgopeg electron trosglwyddo (TEM) cydraniad uchel a cholli ynni electron (EEL) ar strwythurau sgrôl monohaen top-G/G. Mae Ffigur 1B yn dangos strwythur hecsagonol graffen monohaen, ac mae'r mewnosodiad yn forffoleg gyffredinol o'r ffilm wedi'i gorchuddio ar un twll carbon o'r grid TEM. Mae'r graffen monohaen yn rhychwantu'r rhan fwyaf o'r grid, ac mae rhai naddion graffen ym mhresenoldeb pentyrrau lluosog o gylchoedd hecsagonol yn ymddangos (Ffig. 1B). Drwy chwyddo i mewn i sgrôl unigol (Ffig. 1C), gwelsom lawer iawn o ymylon dellt graffen, gyda'r bylchau dellt yn yr ystod o 0.34 i 0.41 nm. Mae'r mesuriadau hyn yn awgrymu bod y naddion wedi'u rholio i fyny ar hap ac nad ydynt yn graffit perffaith, sydd â bylchau dellt o 0.34 nm mewn pentyrru haenau “ABAB”. Mae Ffigur 1D yn dangos y sbectrwm EEL carbon-ymyl K, lle mae'r brig ar 285 eV yn tarddu o'r orbital π* a'r llall tua 290 eV oherwydd trawsnewidiad yr orbital σ*. Gellir gweld bod bondio sp2 yn dominyddu yn y strwythur hwn, gan wirio bod y sgroliau'n graffitig iawn.
Mae delweddau microsgopeg optegol a microsgopeg grym atomig (AFM) yn rhoi cipolwg ar ddosbarthiad nanosgrolau graffen yn y MGGs (Ffig. 1, E i G, a ffig. S1 ac S2). Mae'r sgroliau wedi'u dosbarthu ar hap dros yr wyneb, ac mae eu dwysedd yn y plân yn cynyddu'n gymesur â nifer yr haenau wedi'u pentyrru. Mae llawer o sgroliau wedi'u cymysgu'n glymau ac yn arddangos uchderau anghyson yn yr ystod o 10 i 100 nm. Maent rhwng 1 a 20 μm o hyd a 0.1 i 1 μm o led, yn dibynnu ar feintiau eu naddion graffen cychwynnol. Fel y dangosir yn Ffig. 1 (H ac I), mae gan y sgroliau feintiau llawer mwy na'r crychau, gan arwain at ryngwyneb llawer mwy garw rhwng haenau graffen.
I fesur y priodweddau trydanol, fe wnaethom batrymu ffilmiau graffen gyda neu heb strwythurau sgrôl a phentyrru haenau yn stribedi 300-μm o led a 2000-μm o hyd gan ddefnyddio ffotolithograffeg. Mesurwyd gwrthiannau dau-brob fel swyddogaeth o straen o dan amodau amgylchynol. Gostyngodd presenoldeb sgroliau'r gwrthiant ar gyfer graffen monohaen 80% gyda gostyngiad o 2.2% yn unig yn y trosglwyddiad (ffig. S4). Mae hyn yn cadarnhau bod nanosgrolau, sydd â dwysedd cerrynt uchel hyd at 5 × 107 A/cm2 (38, 39), yn gwneud cyfraniad trydanol cadarnhaol iawn i'r MGGs. Ymhlith yr holl graffen plaen mono-, deu-, a thrihaen a MGGs, yr MGG trihaen sydd â'r dargludedd gorau gyda thryloywder o bron i 90%. I gymharu â ffynonellau eraill o graffen a adroddwyd yn y llenyddiaeth, fe wnaethom hefyd fesur gwrthiannau dalen pedwar-prob (ffig. S5) a'u rhestru fel swyddogaeth o drawsyriant ar 550 nm (ffig. S6) yn Ffig. 2A. Mae MGG yn dangos dargludedd a thryloywder cymharol neu uwch na graffen plaen amlhaen wedi'i bentyrru'n artiffisial ac ocsid graffen lleihaol (RGO) (6, 8, 18). Sylwch fod gwrthiannau dalen graffen plaen amlhaen wedi'i bentyrru'n artiffisial o'r llenyddiaeth ychydig yn uwch na gwrthiannau ein MGG, yn ôl pob tebyg oherwydd eu hamodau twf heb eu optimeiddio a'u dull trosglwyddo.
(A) Gwrthiannau dalen pedwar-prob yn erbyn tryloywder ar 550 nm ar gyfer sawl math o graffen, lle mae sgwariau du yn dynodi MGGs mono-, deu-, a thrihaen; mae cylchoedd coch a thrionglau glas yn cyfateb i graffen plaen amlhaen a dyfwyd ar Cu a Ni o astudiaethau Li et al. (6) a Kim et al. (8), yn y drefn honno, ac a drosglwyddwyd wedyn i SiO2/Si neu gwarts; ac mae trionglau gwyrdd yn werthoedd ar gyfer RGO ar wahanol raddau lleihau o astudiaeth Bonaccorso et al. (18). (B a C) Newid gwrthiant wedi'i normaleiddio MGGs mono-, deu- a thrihaen a G fel swyddogaeth o straen perpendicwlar (B) a chyfochrog (C) i gyfeiriad llif y cerrynt. (D) Newid gwrthiant wedi'i normaleiddio deu-haen G (coch) ac MGG (du) o dan lwyth straen cylchol hyd at straen perpendicwlar 50%. (E) Newid gwrthiant wedi'i normaleiddio tairhaen G (coch) ac MGG (du) o dan lwyth straen cylchol hyd at straen cyfochrog 90%. (F) Newid cynhwysedd wedi'i normaleiddio o mono-, deu- a thrihaen G a MGGs deu- a thrihaen fel swyddogaeth o straen. Y mewnosodiad yw strwythur y cynhwysydd, lle mae'r swbstrad polymer yn SEBS a'r haen dielectrig polymer yn SEBS 2-μm o drwch.
I werthuso perfformiad yr MGG sy'n ddibynnol ar straen, fe wnaethom drosglwyddo graffen i swbstradau thermoplastig elastomer styren-ethylen-bwtadien-styren (SEBS) (~2 cm o led a ~5 cm o hyd), a mesurwyd y dargludedd wrth i'r swbstrad gael ei ymestyn (gweler Deunyddiau a Dulliau) yn berpendicwlar ac yn gyfochrog â chyfeiriad llif y cerrynt (Ffig. 2, B a C). Gwellodd yr ymddygiad trydanol sy'n ddibynnol ar straen gydag ymgorffori nanosgrolau a chynyddu nifer yr haenau o graffen. Er enghraifft, pan fo straen yn berpendicwlar i lif y cerrynt, ar gyfer graffen monohaen, cynyddodd ychwanegu sgroliau'r straen wrth doriad trydanol o 5 i 70%. Mae goddefgarwch straen y graffen tair haen hefyd wedi gwella'n sylweddol o'i gymharu â'r graffen monohaen. Gyda nanosgrolau, ar straen berpendicwlar o 100%, dim ond 50% a gynyddodd gwrthiant strwythur y MGG tair haen, o'i gymharu â 300% ar gyfer graffen tair haen heb sgroliau. Ymchwiliwyd i newid gwrthiant o dan lwyth straen cylchol. I gymharu (Ffig. 2D), cynyddodd gwrthiannau ffilm graffen haen ddeuol plaen tua 7.5 gwaith ar ôl ~700 o gylchoedd ar straen perpendicwlar o 50% a pharhaodd i gynyddu gyda straen ym mhob cylch. Ar y llaw arall, dim ond tua 2.5 gwaith ar ôl ~700 o gylchoedd y cynyddodd gwrthiant MGG haen ddeuol. Gan gymhwyso hyd at 90% o straen ar hyd y cyfeiriad paralel, cynyddodd gwrthiant graffen tair haen ~100 gwaith ar ôl 1000 o gylchoedd, tra mai dim ond ~8 gwaith ydyw mewn MGG tair haen (Ffig. 2E). Dangosir canlyniadau beicio yn ffig. S7. Y cynnydd cymharol gyflymach mewn gwrthiant ar hyd y cyfeiriad straen paralel yw bod cyfeiriadedd craciau yn berpendicwlar i gyfeiriad llif y cerrynt. Mae gwyriad y gwrthiant yn ystod llwytho a dadlwytho straen oherwydd adferiad fiscoelastig swbstrad elastomer SEBS. Mae gwrthiant mwy sefydlog y stribedi MGG yn ystod beicio oherwydd presenoldeb sgroliau mawr a all bontio'r rhannau wedi cracio o'r graffen (fel y'i gwelwyd gan AFM), gan helpu i gynnal llwybr hidlo. Mae'r ffenomen hon o gynnal dargludedd trwy lwybr percoladu wedi'i hadrodd o'r blaen ar gyfer ffilmiau metel neu led-ddargludyddion wedi cracio ar swbstradau elastomer (40, 41).
I werthuso'r ffilmiau hyn sy'n seiliedig ar graffen fel electrodau giât mewn dyfeisiau ymestynadwy, fe wnaethom orchuddio'r haen graffen â haen dielectrig SEBS (2 μm o drwch) a monitro'r newid mewn cynhwysedd dielectrig fel swyddogaeth o straen (gweler Ffig. 2F a'r Deunyddiau Atodol am fanylion). Gwelsom fod cynhwyseddau gydag electrodau graffen monohaen a deuhaen plaen wedi gostwng yn gyflym oherwydd colli dargludedd mewn-plân graffen. Mewn cyferbyniad, dangosodd cynhwyseddau a gyrchwyd gan MGGs yn ogystal â graffen tair haen plaen gynnydd mewn cynhwysedd gyda straen, a ddisgwylir oherwydd gostyngiad mewn trwch dielectrig gyda straen. Roedd y cynnydd disgwyliedig mewn cynhwysedd yn cyd-fynd yn dda iawn â strwythur MGG (ffig. S8). Mae hyn yn dangos bod MGG yn addas fel electrod giât ar gyfer transistorau ymestynadwy.
Er mwyn ymchwilio ymhellach i rôl y sgrôl graffen 1D ar oddefgarwch straen dargludedd trydanol a rheoli'r gwahaniad rhwng haenau graffen yn well, fe wnaethom ddefnyddio CNTs wedi'u gorchuddio â chwistrell i ddisodli'r sgroliau graffen (gweler Deunyddiau Atodol). I efelychu strwythurau MGG, fe wnaethom adneuo tri dwysedd o CNTs (hynny yw, CNT1
(A i C) Delweddau AFM o dri dwysedd gwahanol o CNTs (CNT1
Er mwyn deall eu gallu fel electrodau ar gyfer electroneg ymestynnol ymhellach, fe wnaethom ymchwilio'n systematig i forffolegau MGG a G-CNT-G o dan straen. Nid yw microsgopeg optegol a microsgopeg electron sganio (SEM) yn ddulliau nodweddu effeithiol oherwydd bod diffyg cyferbyniad lliw yn y ddau ac mae SEM yn destun arteffactau delwedd yn ystod sganio electronau pan fydd graffen ar swbstradau polymer (ffigau S9 ac S10). I arsylwi ar wyneb y graffen o dan straen in situ, fe wnaethom gasglu mesuriadau AFM ar MGGs tair haen a graffen plaen ar ôl trosglwyddo i swbstradau SEBS tenau iawn (~0.1 mm o drwch) ac elastig. Oherwydd y diffygion cynhenid mewn graffen CVD a difrod allanol yn ystod y broses drosglwyddo, mae craciau'n anochel yn cael eu cynhyrchu ar y graffen dan straen, a chyda straen cynyddol, daeth y craciau'n fwy dwys (Ffig. 4, A i D). Yn dibynnu ar strwythur pentyrru'r electrodau carbon-seiliedig, mae'r craciau'n arddangos gwahanol forffolegau (ffig. S11) (27). Mae dwysedd arwynebedd crac (a ddiffinnir fel arwynebedd crac/arwynebedd wedi'i ddadansoddi) graffen amlhaenog yn llai na dwysedd graffen monohaenog ar ôl straen, sy'n gyson â'r cynnydd mewn dargludedd trydanol ar gyfer MGGs. Ar y llaw arall, gwelir yn aml fod sgroliau'n pontio'r craciau, gan ddarparu llwybrau dargludol ychwanegol yn y ffilm wedi'i straenio. Er enghraifft, fel y'i labelwyd yn nelwedd Ffig. 4B, croesodd sgrôl lydan dros grac yn yr MGG tair haenog, ond ni welwyd unrhyw sgrôl yn y graffen plaen (Ffig. 4, E i H). Yn yr un modd, roedd CNTs hefyd yn pontio'r craciau mewn graffen (ffig. S11). Crynhoir dwysedd arwynebedd crac, dwysedd arwynebedd sgrôl, a garwedd y ffilmiau yn Ffig. 4K.
(A i H) Delweddau AFM in situ o sgroliau tair haen G/G (A i D) a strwythurau tair haen G (E i H) ar elastomer SEBS tenau iawn (~0.1 mm o drwch) ar straen 0, 20, 60, a 100%. Mae craciau a sgroliau cynrychioliadol wedi'u nodi â saethau. Mae'r holl ddelweddau AFM mewn ardal o 15 μm × 15 μm, gan ddefnyddio'r un bar graddfa lliw ag a labelwyd. (I) Geometreg efelychu electrodau graffen monohaen patrymog ar y swbstrad SEBS. (J) Map cyfuchlin efelychu'r prif straen logarithmig mwyaf yn y graffen monohaen a'r swbstrad SEBS ar straen allanol o 20%. (K) Cymhariaeth o ddwysedd arwynebedd crac (colofn goch), dwysedd arwynebedd sgrôl (colofn felen), a garwedd arwyneb (colofn las) ar gyfer gwahanol strwythurau graffen.
Pan fydd ffilmiau MGG yn cael eu hymestyn, mae mecanwaith ychwanegol pwysig lle gall y sgroliau bontio rhanbarthau wedi cracio o graffen, gan gynnal rhwydwaith sy'n percolio. Mae'r sgroliau graffen yn addawol oherwydd gallant fod yn ddegau o ficrometrau o hyd ac felly'n gallu pontio craciau sydd fel arfer hyd at raddfa micrometr. Ar ben hynny, oherwydd bod y sgroliau'n cynnwys amlhaenau o graffen, disgwylir iddynt gael gwrthiant isel. Mewn cymhariaeth, mae angen rhwydweithiau CNT cymharol ddwys (trosglwyddiad is) i ddarparu gallu pontio dargludol cymharol, gan fod CNTs yn llai (fel arfer ychydig ficrometrau o hyd) ac yn llai dargludol na sgroliau. Ar y llaw arall, fel y dangosir yn ffig. S12, er bod y graffen yn cracio yn ystod ymestyn i ddarparu ar gyfer straen, nid yw'r sgroliau'n cracio, sy'n dangos y gallai'r olaf fod yn llithro ar y graffen oddi tano. Mae'n debyg mai'r rheswm nad ydyn nhw'n cracio yw'r strwythur wedi'i rolio, sy'n cynnwys llawer o haenau o graffen (~1 i 20 μm o hyd, ~0.1 i 1 μm o led, a ~10 i 100 nm o uchder), sydd â modwlws effeithiol uwch na'r graffen un haen. Fel yr adroddwyd gan Green a Hersam (42), gall rhwydweithiau CNT metelaidd (diamedr tiwb o 1.0 nm) gyflawni gwrthiannau dalen isel <100 ohms/sg er gwaethaf y gwrthiant cyffordd mawr rhwng CNTs. O ystyried bod gan ein sgroliau graffen led o 0.1 i 1 μm a bod gan y sgroliau G/G arwynebeddau cyswllt llawer mwy na CNTs, ni ddylai'r gwrthiant cyswllt a'r arwynebedd cyswllt rhwng graffen a sgroliau graffen fod yn ffactorau cyfyngol i gynnal dargludedd uchel.
Mae gan y graffen fodiwlws llawer uwch na'r swbstrad SEBS. Er bod trwch effeithiol yr electrod graffen yn llawer is na thrwch y swbstrad, mae anystwythder y graffen wedi'i luosi â'i drwch yn gymharol â thrwch y swbstrad (43, 44), gan arwain at effaith ynys anhyblyg gymedrol. Fe wnaethom efelychu anffurfiad graffen 1-nm o drwch ar swbstrad SEBS (gweler Deunyddiau Atodol am fanylion). Yn ôl canlyniadau'r efelychiad, pan roddir straen o 20% i'r swbstrad SEBS yn allanol, mae'r straen cyfartalog yn y graffen yn ~6.6% (Ffig. 4J a ffig. S13D), sy'n gyson ag arsylwadau arbrofol (gweler ffig. S13). Fe wnaethom gymharu'r straen yn rhanbarthau'r graffen a'r swbstrad patrymog gan ddefnyddio microsgopeg optegol a chanfod bod y straen yn rhanbarth y swbstrad o leiaf ddwywaith y straen yn rhanbarth y graffen. Mae hyn yn dangos y gallai'r straen a roddir ar batrymau electrod graffen gael ei gyfyngu'n sylweddol, gan ffurfio ynysoedd anystwyth graffen ar ben SEBS (26, 43, 44).
Felly, mae'n debyg bod gallu electrodau MGG i gynnal dargludedd uchel o dan straen uchel yn cael ei alluogi gan ddau brif fecanwaith: (i) Gall y sgroliau bontio rhanbarthau datgysylltiedig i gynnal llwybr hidlo dargludol, a (ii) gall y dalennau/elastomer graffen amlhaen lithro dros ei gilydd, gan arwain at lai o straen ar electrodau graffen. Ar gyfer haenau lluosog o graffen wedi'i drosglwyddo ar elastomer, nid yw'r haenau wedi'u cysylltu'n gryf â'i gilydd, a all lithro mewn ymateb i straen (27). Cynyddodd y sgroliau hefyd garwedd yr haenau graffen, a all helpu i gynyddu'r gwahaniad rhwng haenau graffen ac felly alluogi llithro'r haenau graffen.
Mae dyfeisiau carbon-i-law yn cael eu dilyn yn frwdfrydig oherwydd cost isel a thryloywder uchel. Yn ein hachos ni, cynhyrchwyd transistorau carbon-i-law gan ddefnyddio giât graffen gwaelod, cyswllt ffynhonnell/draen graffen uchaf, lled-ddargludydd CNT wedi'i ddidoli, a SEBS fel dielectrig (Ffig. 5A). Fel y dangosir yn Ffig. 5B, mae dyfais carbon-i-law gyda CNTs fel y ffynhonnell/draen a'r giât (dyfais waelod) yn fwy afloyw na'r ddyfais gydag electrodau graffen (dyfais uchaf). Mae hyn oherwydd bod rhwydweithiau CNT angen trwch mwy ac, o ganlyniad, trosglwyddiadau optegol is i gyflawni gwrthiannau dalen debyg i wrthiannau graffen (ffig. S4). Mae Ffigur 5 (C a D) yn dangos cromliniau trosglwyddo ac allbwn cynrychioliadol cyn straen ar gyfer transistor wedi'i wneud gydag electrodau MGG haen ddeuol. Roedd lled a hyd y sianel ar gyfer y transistor heb ei straenio yn 800 a 100 μm, yn y drefn honno. Mae'r gymhareb ymlaen/i ffwrdd a fesurwyd yn fwy na 103 gyda cheryntau ymlaen ac i ffwrdd ar lefelau 10−5 a 10−8 A, yn y drefn honno. Mae'r gromlin allbwn yn arddangos cyfundrefnau llinol a dirlawnder delfrydol gyda dibyniaeth foltedd-giât glir, sy'n dynodi cyswllt delfrydol rhwng CNTs ac electrodau graffen (45). Gwelwyd bod y gwrthiant cyswllt gydag electrodau graffen yn is na'r gwrthiant cyswllt gyda ffilm Au anweddedig (gweler ffig. S14). Mae symudedd dirlawnder y transistor ymestynnol tua 5.6 cm2/Vs, yn debyg i symudedd yr un transistorau CNT wedi'u didoli â polymer ar swbstradau Si anhyblyg gyda SiO2 300-nm fel haen dielectrig. Mae gwelliant pellach mewn symudedd yn bosibl gyda dwysedd tiwb wedi'i optimeiddio a mathau eraill o diwbiau (46).
(A) Cynllun transistor ymestynnol sy'n seiliedig ar graffen. SWNTs, nanotubiau carbon un wal. (B) Llun o'r transistorau ymestynnol wedi'u gwneud o electrodau graffen (top) ac electrodau CNT (gwaelod). Mae'r gwahaniaeth mewn tryloywder yn amlwg iawn. (C a D) Cromliniau trosglwyddo ac allbwn y transistor sy'n seiliedig ar graffen ar SEBS cyn straen. (E ac F) Cromliniau trosglwyddo, cerrynt ymlaen ac i ffwrdd, cymhareb ymlaen/i ffwrdd, a symudedd y transistor sy'n seiliedig ar graffen ar wahanol straeniau.
Pan gafodd y ddyfais dryloyw, holl-garbon ei hymestyn i gyfeiriad sy'n gyfochrog â chyfeiriad cludo'r gwefr, gwelwyd dirywiad lleiaf posibl hyd at straen o 120%. Yn ystod yr ymestyn, gostyngodd y symudedd yn barhaus o 5.6 cm2/Vs ar straen o 0% i 2.5 cm2/Vs ar straen o 120% (Ffig. 5F). Cymharom hefyd berfformiad y transistor ar gyfer gwahanol hydau sianeli (gweler tabl S1). Yn nodedig, ar straen mor fawr â 105%, roedd yr holl transistorau hyn yn dal i arddangos cymhareb ymlaen/i ffwrdd uchel (>103) a symudedd (>3 cm2/Vs). Yn ogystal, crynhowyd yr holl waith diweddar ar transistorau holl-garbon (gweler tabl S2) (47–52). Drwy optimeiddio gwneuthuriad dyfeisiau ar elastomerau a defnyddio MGGs fel cysylltiadau, mae ein transistorau holl-garbon yn dangos perfformiad da o ran symudedd a hysteresis yn ogystal â bod yn hynod ymestynnol.
Fel cymhwysiad o'r transistor cwbl dryloyw ac ymestynadwy, fe'i defnyddiwyd i reoli newid LED (Ffig. 6A). Fel y dangosir yn Ffig. 6B, gellir gweld y LED gwyrdd yn glir trwy'r ddyfais garbon ymestynadwy sydd wedi'i gosod yn uniongyrchol uwchben. Wrth ymestyn i ~100% (Ffig. 6, C a D), nid yw dwyster golau'r LED yn newid, sy'n gyson â pherfformiad y transistor a ddisgrifiwyd uchod (gweler ffilm S1). Dyma'r adroddiad cyntaf ar unedau rheoli ymestynadwy a wnaed gan ddefnyddio electrodau graffen, gan ddangos posibilrwydd newydd ar gyfer electroneg ymestynadwy graffen.
(A) Cylchdaith transistor i yrru LED. GND, daear. (B) Llun o'r transistor holl-garbon ymestynnol a thryloyw ar 0% straen wedi'i osod uwchben LED gwyrdd. (C) Mae'r transistor holl-garbon tryloyw ac ymestynnol a ddefnyddir i newid y LED yn cael ei osod uwchben yr LED ar 0% (chwith) a ~100% straen (dde). Mae saethau gwyn yn pwyntio fel y marcwyr melyn ar y ddyfais i ddangos y newid pellter sy'n cael ei ymestyn. (D) Golwg ochr o'r transistor wedi'i ymestyn, gyda'r LED wedi'i wthio i'r elastomer.
I gloi, rydym wedi datblygu strwythur graffen dargludol tryloyw sy'n cynnal dargludedd uchel o dan straen mawr fel electrodau ymestynadwy, wedi'i alluogi gan nanosgrolau graffen rhwng haenau graffen wedi'u pentyrru. Gall y strwythurau electrod MGG deu- a thrihaen hyn ar elastomer gynnal 21 a 65%, yn y drefn honno, o'u dargludedd straen 0% ar straen mor uchel â 100%, o'i gymharu â cholli dargludedd yn llwyr ar straen 5% ar gyfer electrodau graffen monohaen nodweddiadol. Mae llwybrau dargludol ychwanegol sgroliau graffen yn ogystal â'r rhyngweithio gwan rhwng yr haenau a drosglwyddwyd yn cyfrannu at y sefydlogrwydd dargludedd uwch o dan straen. Fe wnaethom gymhwyso'r strwythur graffen hwn ymhellach i gynhyrchu transistorau ymestynadwy holl-garbon. Hyd yn hyn, dyma'r transistor mwyaf ymestynadwy sy'n seiliedig ar graffen gyda'r tryloywder gorau heb ddefnyddio bwcl. Er bod yr astudiaeth bresennol wedi'i chynnal i alluogi graffen ar gyfer electroneg ymestynadwy, credwn y gellir ymestyn y dull hwn i ddeunyddiau 2D eraill i alluogi electroneg 2D ymestynadwy.
Tyfwyd graffen CVD arwynebedd mawr ar ffoiliau Cu wedi'u hatal (99.999%; Alfa Aesar) o dan bwysau cyson o 0.5 mtorr gyda 50–SCCM (centimetr ciwbig safonol y funud) CH4 a 20–SCCM H2 fel rhagflaenwyr ar 1000°C. Gorchuddiwyd dwy ochr y ffoil Cu â graffen monohaen. Gorchuddiodd haen denau o PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) â throelli ar un ochr i'r ffoil Cu, gan ffurfio strwythur PMMA/G/ffoil Cu/G. Wedi hynny, socian y ffilm gyfan mewn hydoddiant 0.1 M o bersylffad amoniwm [(NH4)2S2O8] am tua 2 awr i ysgythru'r ffoil Cu i ffwrdd. Yn ystod y broses hon, rhwygodd y graffen cefn heb ei amddiffyn yn gyntaf ar hyd y ffiniau grawn ac yna ei rolio i fyny yn sgroliau oherwydd tensiwn arwyneb. Gosodwyd y sgroliau ar y ffilm graffen uchaf a gefnogir gan PMMA, gan ffurfio sgroliau PMMA/G/G. Wedi hynny, golchwyd y ffilmiau mewn dŵr wedi'i ddad-ïoneiddio sawl gwaith a'u gosod ar swbstrad targed, fel SiO2/Si anhyblyg neu swbstrad plastig. Cyn gynted ag y sychodd y ffilm ynghlwm ar y swbstrad, socian y sampl yn olynol mewn aseton, 1:1 aseton/IPA (alcohol isopropyl), ac IPA am 30 eiliad yr un i gael gwared ar PMMA. Gwresogwyd y ffilmiau ar 100°C am 15 munud neu eu cadw mewn gwactod dros nos i gael gwared ar y dŵr a oedd wedi'i ddal yn llwyr cyn trosglwyddo haen arall o sgrôl G/G arno. Pwrpas y cam hwn oedd osgoi datgysylltu ffilm graffen o'r swbstrad a sicrhau gorchudd llawn o MGGs yn ystod rhyddhau haen cludwr PMMA.
Arsylwyd morffoleg strwythur MGG gan ddefnyddio microsgop optegol (Leica) a microsgop electron sganio (1 kV; FEI). Gweithredwyd microsgop grym atomig (Nanoscope III, Offeryn Digidol) yn y modd tapio i arsylwi manylion y sgroliau G. Profwyd tryloywder ffilm gan sbectromedr uwchfioled-gweladwy (Agilent Cary 6000i). Ar gyfer y profion pan oedd y straen ar hyd cyfeiriad perpendicwlar llif y cerrynt, defnyddiwyd ffotolithograffeg a plasma O2 i batrymu strwythurau graffen yn stribedi (~300 μm o led a ~2000 μm o hyd), a dyddodwyd electrodau Au (50 nm) yn thermol gan ddefnyddio masgiau cysgod ar ddau ben yr ochr hir. Yna rhoddwyd y stribedi graffen mewn cysylltiad ag elastomer SEBS (~2 cm o led a ~5 cm o hyd), gydag echelin hir y stribedi yn gyfochrog ag ochr fer SEBS ac yna ysgythru BOE (ysgythru ocsid wedi'i glustogi) (HF:H2O 1:6) a gallium indium ewtectig (EGaIn) fel cysylltiadau trydanol. Ar gyfer profion straen cyfochrog, trosglwyddwyd strwythurau graffen heb batrwm (~5 × 10 mm) i swbstradau SEBS, gydag echelinau hir yn gyfochrog ag ochr hir y swbstrad SEBS. Ar gyfer y ddau achos, ymestynnwyd y G (heb sgroliau G)/SEBS cyfan ar hyd ochr hir yr elastomer mewn cyfarpar â llaw, ac yn y fan a'r lle, fe wnaethom fesur eu newidiadau ymwrthedd o dan straen ar orsaf chwiliedydd gyda dadansoddwr lled-ddargludyddion (Keithley 4200-SCS).
Cafodd y transistorau carbon holl-estynadwy a thryloyw iawn ar swbstrad elastig eu cynhyrchu gan ddefnyddio'r gweithdrefnau canlynol i osgoi difrod toddyddion organig i'r dielectrig polymer a'r swbstrad. Trosglwyddwyd strwythurau MGG i SEBS fel electrodau giât. I gael haen dielectrig polymer ffilm denau unffurf (2 μm o drwch), cafodd hydoddiant tolwen SEBS (80 mg/ml) ei orchuddio â sbin ar swbstrad SiO2/Si wedi'i addasu ag octadecyltrichlorosilane (OTS) ar 1000 rpm am 1 munud. Gellir trosglwyddo'r ffilm dielectrig denau yn hawdd o'r wyneb OTS hydroffobig i'r swbstrad SEBS wedi'i orchuddio â'r graffen fel y'i paratowyd. Gellid gwneud cynhwysydd trwy ddyddodi electrod uchaf metel hylif (EGaIn; Sigma-Aldrich) i bennu'r cynhwysedd fel swyddogaeth o straen gan ddefnyddio mesurydd LCR (anwythiad, cynhwysedd, gwrthiant) (Agilent). Roedd rhan arall y transistor yn cynnwys CNTs lled-ddargludol wedi'u didoli o ran polymer, gan ddilyn y gweithdrefnau a adroddwyd yn flaenorol (53). Cafodd yr electrodau ffynhonnell/draen patrymog eu cynhyrchu ar swbstradau SiO2/Si anhyblyg. Wedi hynny, cafodd y ddwy ran, dielectrig/G/SEBS a CNTs/G/Si patrymog G/SiO2/Si, eu lamineiddio i'w gilydd, a'u socian mewn BOE i gael gwared ar y swbstrad SiO2/Si anhyblyg. Felly, cafodd y transistorau cwbl dryloyw ac ymestynnol eu cynhyrchu. Perfformiwyd y profion trydanol o dan straen ar osodiad ymestyn â llaw fel y dull uchod.
Mae deunydd atodol ar gyfer yr erthygl hon ar gael yn http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
ffig. S1. Delweddau microsgopeg optegol o MGG monohaen ar swbstradau SiO2/Si ar wahanol chwyddiadau.
ffig. S4. Cymhariaeth o wrthwynebiadau a thryloywderau dalen dau-brob @550 nm o graffen plaen mono-, deu- a thrihaen (sgwariau du), MGG (cylchoedd coch), a CNTs (triongl glas).
ffig. S7. Newid gwrthiant wedi'i normaleiddio MGGs mono- a deuhaen (du) a G (coch) o dan lwyth straen cylchol o ~1000 hyd at straen paralel o 40 a 90%, yn y drefn honno.
ffig. S10. Delwedd SEM o MGG tair haen ar elastomer SEBS ar ôl straen, yn dangos croes sgrôl hir dros sawl crac.
ffig. S12. Delwedd AFM o MGG tair haen ar elastomer SEBS tenau iawn ar straen o 20%, yn dangos bod sgrôl wedi croesi crac.
tabl S1. Symudedd transistorau nanotube carbon dwyhaen MGG–wal sengl ar wahanol hydau sianel cyn ac ar ôl straen.
Mae hon yn erthygl mynediad agored a ddosberthir o dan delerau'r drwydded Creative Commons Attribution-NonCommercial, sy'n caniatáu defnyddio, dosbarthu ac atgynhyrchu mewn unrhyw gyfrwng, cyn belled nad yw'r defnydd canlyniadol er mantais fasnachol a chyn belled â bod y gwaith gwreiddiol wedi'i ddyfynnu'n briodol.
NODYN: Dim ond er mwyn i'r person rydych chi'n argymell y dudalen iddo wybod eich bod chi eisiau iddyn nhw ei gweld, ac nad post sothach ydyw, rydyn ni'n gofyn am eich cyfeiriad e-bost. Nid ydym yn casglu unrhyw gyfeiriad e-bost.
Mae'r cwestiwn hwn ar gyfer profi a ydych chi'n ymwelydd dynol ai peidio ac i atal cyflwyniadau sbam awtomataidd.
Gan 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
Gan 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 Cymdeithas America er Hyrwyddo Gwyddoniaeth. Cedwir pob hawl. Mae AAAS yn bartner i HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef a COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Amser postio: Ion-28-2021