Elèctrodes de grafè ultratransparents i extensibles

Els materials bidimensionals, com el grafè, són atractius tant per a aplicacions de semiconductors convencionals com per a aplicacions naixents en electrònica flexible. No obstant això, l'alta resistència a la tracció del grafè provoca la fractura a baixa tensió, cosa que fa que sigui difícil aprofitar les seves extraordinàries propietats electròniques en electrònica extensible. Per permetre un excel·lent rendiment depenent de la tensió dels conductors de grafè transparents, vam crear nanovols de grafè entre capes de grafè apilades, anomenades rotlles multicapa de grafè / grafè (MGG). Sota tensió, alguns rotlles van connectar els dominis fragmentats del grafè per mantenir una xarxa de percolació que permetia una conductivitat excel·lent a soques altes. Els MGG de tres capes recolzats en elastòmers van retenir el 65% de la seva conductància original amb una tensió del 100%, que és perpendicular a la direcció del flux del corrent, mentre que les pel·lícules de tres capes de grafè sense nanovols van conservar només el 25% de la seva conductància inicial. Un transistor de carboni extensible fabricat amb MGG com a elèctrodes presentava una transmitància de> 90% i va retenir el 60% de la seva sortida de corrent original amb una tensió del 120% (paral·lel a la direcció de transport de càrrega). Aquests transistors de carboni altament extensibles i transparents podrien permetre una optoelectrònica extensible sofisticada.
L'electrònica transparent extensible és un camp en creixement que té aplicacions importants en sistemes biointegrats avançats (1, 2), així com el potencial d'integrar-se amb optoelectrònica extensible (3, 4) per produir robòtica i pantalles suaus sofisticades. El grafè presenta propietats molt desitjables de gruix atòmic, alta transparència i alta conductivitat, però la seva implementació en aplicacions estirables s'ha vist inhibida per la seva tendència a trencar-se amb petites soques. Superar les limitacions mecàniques del grafè podria permetre una nova funcionalitat en dispositius transparents extensibles.
Les propietats úniques del grafè el converteixen en un fort candidat per a la propera generació d'elèctrodes conductors transparents (5, 6). En comparació amb el conductor transparent més utilitzat, l'òxid d'estany d'indi [ITO; 100 ohms/quadrat (quadrat) amb un 90% de transparència], el grafè monocapa cultivat per deposició química de vapor (CVD) té una combinació similar de resistència a la làmina (125 ohms/sq) i transparència (97,4%) (5). A més, les pel·lícules de grafè tenen una flexibilitat extraordinària en comparació amb l'ITO (7). Per exemple, en un substrat plàstic, la seva conductància es pot retenir fins i tot per a un radi de curvatura de flexió tan petit com 0,8 mm (8). Per millorar encara més el seu rendiment elèctric com a conductor flexible transparent, treballs anteriors han desenvolupat materials híbrids de grafè amb nanocables de plata unidimensionals (1D) o nanotubs de carboni (CNT) (9-11). A més, el grafè s'ha utilitzat com a elèctrodes per a semiconductors heteroestructurals de dimensions mixtes (com ara Si a granel 2D, nanofils/nanotubs 1D i punts quàntics 0D) (12), transistors flexibles, cèl·lules solars i díodes emissors de llum (LED) (13). –23).
Tot i que el grafè ha mostrat resultats prometedors per a l'electrònica flexible, la seva aplicació en electrònica extensible s'ha vist limitada per les seves propietats mecàniques (17, 24, 25); El grafè té una rigidesa en el pla de 340 N/m i un mòdul de Young de 0,5 TPa (26). La forta xarxa de carboni-carboni no proporciona cap mecanisme de dissipació d'energia per a la tensió aplicada i, per tant, es trenca fàcilment a menys del 5% de tensió. Per exemple, el grafè CVD transferit a un substrat elàstic de polidimetilsiloxà (PDMS) només pot mantenir la seva conductivitat a menys del 6% de tensió (8). Els càlculs teòrics mostren que l'arrugament i la interacció entre diferents capes haurien de disminuir fortament la rigidesa (26). Mitjançant l'apilament del grafè en múltiples capes, s'informa que aquest grafè bi- o tricapa és extensible fins a un 30% de tensió, mostrant un canvi de resistència 13 vegades menor que el del grafè monocapa (27). Tanmateix, aquesta extensibilitat encara és significativament inferior als conductors estirables d'última generació (28, 29).
Els transistors són importants en aplicacions extensibles perquè permeten una lectura sofisticada del sensor i l'anàlisi del senyal (30, 31). Els transistors en PDMS amb grafè multicapa com a elèctrodes font/drenatge i material de canal poden mantenir la funció elèctrica fins a un 5% de tensió (32), que està significativament per sota del valor mínim requerit (~ 50%) per als sensors de control de la salut portàtils i la pell electrònica ( 33, 34). Recentment, s'ha explorat un enfocament de kirigami de grafè i el transistor controlat per un electròlit líquid es pot estirar fins a un 240% (35). Tanmateix, aquest mètode requereix grafè en suspensió, cosa que complica el procés de fabricació.
Aquí, aconseguim dispositius de grafè altament estirables intercalant rotlles de grafè (de 1 a 20 μm de llarg, d'entre 0,1 i 1 μm d'ample i de 10 a 100 nm d'alçada) entre capes de grafè. Presentem la hipòtesi que aquests rotlles de grafè podrien proporcionar camins conductors per salvar les esquerdes de les làmines de grafè, mantenint així una alta conductivitat sota tensió. Els rotlles de grafè no requereixen síntesi o procés addicionals; es formen de manera natural durant el procediment de transferència humida. Mitjançant l'ús d'elèctrodes extensibles de grafè multicapa G/G (MGG) (font/drenatge i porta) i CNT semiconductors, vam poder demostrar transistors de carboni molt transparents i altament estirables, que es poden estirar fins a 120 % de tensió (paral·lel a la direcció de transport de càrrega) i retenen el 60 % de la seva sortida de corrent original. Aquest és el transistor transparent basat en carboni més extensible fins ara i proporciona suficient corrent per conduir un LED inorgànic.
Per habilitar elèctrodes de grafè extensibles transparents d'una gran àrea, vam triar el grafè cultivat amb CVD sobre una làmina de Cu. La làmina de Cu es va suspendre al centre d'un tub de quars CVD per permetre el creixement del grafè a banda i banda, formant estructures G/Cu/G. Per transferir el grafè, primer vam revestir una capa fina de poli(metacrilat de metil) (PMMA) per protegir un costat del grafè, que vam anomenar grafè de la part superior (a l'inrevés per a l'altre costat del grafè) i, posteriorment, el La pel·lícula sencera (PMMA / grafè superior / Cu / grafè inferior) es va remullar amb una solució (NH4) 2S2O8 per tallar la làmina de Cu. El grafè de la part inferior sense el recobriment de PMMA tindrà inevitablement esquerdes i defectes que permeten que un gravador penetri (36, 37). Com es mostra a la figura 1A, sota l'efecte de la tensió superficial, els dominis de grafè alliberats es van enrotllar en rotlles i posteriorment es van unir a la pel·lícula G/PMMA superior restant. Els rotlles superiors G/G es podrien transferir a qualsevol substrat, com ara SiO2/Si, vidre o polímer tou. Repetir aquest procés de transferència diverses vegades sobre el mateix substrat dóna estructures MGG.
(A) Il·lustració esquemàtica del procediment de fabricació dels MGG com a elèctrode estirable. Durant la transferència de grafè, el grafè posterior de la làmina de Cu es va trencar als límits i els defectes, es va enrotllar en formes arbitràries i es va unir fortament a les pel·lícules superiors, formant nanovols. La quarta caricatura representa l'estructura MGG apilada. (B i C) Caracteritzacions TEM d'alta resolució d'un MGG monocapa, centrant-se en la regió de grafè monocapa (B) i de desplaçament (C), respectivament. La inserció de (B) és una imatge de baix augment que mostra la morfologia general dels MGG monocapa a la graella TEM. Les insercions de (C) són els perfils d'intensitat que es prenen al llarg de les caixes rectangulars indicades a la imatge, on les distàncies entre els plans atòmics són de 0,34 i 0,41 nm. (D) Espectre EEL de vora K de carboni amb els pics gràfics característics π* i σ* etiquetats. (E) Imatge AFM en secció de desplaçaments monocapa G / G amb un perfil d'alçada al llarg de la línia de punts grocs. (F a I) Microscòpia òptica i imatges AFM de tricapa G sense (F i H) i amb volutes (G i I) sobre substrats de SiO2/Si de 300 nm de gruix, respectivament. Es van etiquetar rotlles i arrugues representatius per destacar les seves diferències.
Per verificar que els rotlles són de grafè enrotllat a la natura, hem realitzat estudis d'espectroscòpia electrònica de transmissió (TEM) i espectroscòpia de pèrdua d'energia electrònica (EEL) d'alta resolució sobre les estructures de desplaçament monocapa superior-G/G. La figura 1B mostra l'estructura hexagonal d'un grafè monocapa i la inserció és una morfologia general de la pel·lícula coberta en un sol forat de carboni de la graella TEM. El grafè monocapa s'estén a la major part de la graella, i apareixen alguns flocs de grafè en presència de múltiples piles d'anells hexagonals (Fig. 1B). En fer zoom en un desplaçament individual (Fig. 1C), vam observar una gran quantitat de serrells de gelosia de grafè, amb l'espai entre la gelosia en el rang de 0,34 a 0,41 nm. Aquestes mesures suggereixen que els flocs s'enrotllen aleatòriament i no són de grafit perfecte, que té un espai de gelosia de 0,34 nm en l'apilament de la capa "ABAB". La figura 1D mostra l'espectre EEL de la vora K del carboni, on el pic a 285 eV s'origina de l'orbital π* i l'altre al voltant de 290 eV es deu a la transició de l'orbital σ*. Es pot observar que l'enllaç sp2 domina en aquesta estructura, verificant que els volutes són altament gràfics.
Les imatges de microscòpia òptica i microscòpia de força atòmica (AFM) proporcionen una visió de la distribució dels nanoscrolls de grafè als MGG (Fig. 1, E a G i figures. S1 i S2). Els rotlles es distribueixen aleatòriament per la superfície i la seva densitat en el pla augmenta proporcionalment al nombre de capes apilades. Molts rotlles s'emboliquen en nusos i presenten altures no uniformes en el rang de 10 a 100 nm. Tenen entre 1 i 20 μm de llargada i 0,1 a 1 μm d'amplada, depenent de les mides dels seus flocs de grafè inicials. Tal com es mostra a la figura 1 (H i I), els rotlles tenen mides significativament més grans que les arrugues, donant lloc a una interfície molt més rugosa entre les capes de grafè.
Per mesurar les propietats elèctriques, vam modelar pel·lícules de grafè amb o sense estructures de desplaçament i apilament de capes en tires de 300 μm d'ample i 2000 μm de llarg mitjançant fotolitografia. Les resistències de dues sondes en funció de la tensió es van mesurar en condicions ambientals. La presència de volutes va reduir la resistivitat del grafè monocapa en un 80% amb només una disminució del 2,2% de la transmitància (fig. S4). Això confirma que els nanoscrolls, que tenen una alta densitat de corrent de fins a 5 × 107 A/cm2 (38, 39), fan una contribució elèctrica molt positiva als MGG. Entre tots els grafès i MGG mono, bi i tricapa, el MGG de tres capes té la millor conductància amb una transparència de gairebé el 90%. Per comparar amb altres fonts de grafè informades a la literatura, també vam mesurar les resistències de fulles de quatre sondes (fig. S5) i les vam enumerar en funció de la transmitància a 550 nm (fig. S6) a la figura 2A. MGG mostra una conductivitat i transparència comparables o superiors a les del grafè simple multicapa apilat artificialment i de l'òxid de grafè reduït (RGO) (6, 8, 18). Tingueu en compte que les resistències de làmines del grafè simple multicapa apilat artificialment de la literatura són lleugerament superiors a les del nostre MGG, probablement a causa de les seves condicions de creixement i mètode de transferència no optimitzats.
(A) Resistències de fulles de quatre sondes versus transmitància a 550 nm per a diversos tipus de grafè, on els quadrats negres denoten MGG mono, bi i tricapa; Els cercles vermells i els triangles blaus es corresponen amb el grafè pla multicapa cultivat sobre Cu i Ni a partir dels estudis de Li et al. (6) i Kim et al. (8), respectivament, i posteriorment transferit a SiO2/Si o quars; i els triangles verds són valors per a RGO en diferents graus reductors de l'estudi de Bonaccorso et al. (18). (B i C) Canvi de resistència normalitzat dels MGGs mono, bi i tricapa i G en funció de la tensió perpendicular (B) i paral·lela (C) a la direcció del flux de corrent. (D) Canvi de resistència normalitzat de la bicapa G (vermell) i MGG (negre) sota una càrrega de tensió cíclica fins a un 50% de tensió perpendicular. (E) Canvi de resistència normalitzat de la tricapa G (vermell) i MGG (negre) sota una càrrega de tensió cíclica fins a un 90% de tensió paral·lela. ( F ) Canvi de capacitat normalitzat dels MGG mono, bi i tricapa G i bi i tricapa com a funció de la tensió. La inserció és l'estructura del condensador, on el substrat del polímer és SEBS i la capa dielèctrica del polímer és el SEBS de 2 μm de gruix.
Per avaluar el rendiment depenent de la soca del MGG, vam transferir grafè a substrats d'elastòmer termoplàstic estirè-etilè-butadiè-estirè (SEBS) (~ 2 cm d'ample i ~ 5 cm de llarg), i es va mesurar la conductivitat a mesura que el substrat s'estirava. (vegeu Materials i mètodes) tant perpendiculars com paral·leles a la direcció del flux de corrent (Fig. 2, B i C). El comportament elèctric depenent de la tensió va millorar amb la incorporació de nanovols i un nombre creixent de capes de grafè. Per exemple, quan la tensió és perpendicular al flux de corrent, per al grafè monocapa, l'addició de volutes va augmentar la tensió a la ruptura elèctrica del 5 al 70%. La tolerància a la tensió del grafè de tres capes també es millora significativament en comparació amb el grafè monocapa. Amb nanoscrolls, amb una tensió perpendicular del 100%, la resistència de l'estructura MGG de tres capes només va augmentar un 50%, en comparació amb el 300% del grafè de tres capes sense volutes. Es va investigar el canvi de resistència sota la càrrega de tensió cíclica. Per comparació (Fig. 2D), les resistències d'una pel·lícula de grafè simple de bicapa van augmentar unes 7,5 vegades després de ~ 700 cicles amb una tensió perpendicular del 50% i van continuar augmentant amb la tensió a cada cicle. D'altra banda, la resistència d'un MGG bicapa només va augmentar unes 2,5 vegades després de ~ 700 cicles. Aplicant fins a un 90% de tensió al llarg de la direcció paral·lela, la resistència del grafè de tres capes va augmentar ~ 100 vegades després de 1000 cicles, mentre que només és ~8 vegades en un MGG de tres capes (Fig. 2E). Els resultats del ciclisme es mostren a la fig. S7. L'augment relativament més ràpid de la resistència al llarg de la direcció de la tensió paral·lela es deu al fet que l'orientació de les esquerdes és perpendicular a la direcció del flux de corrent. La desviació de la resistència durant la tensió de càrrega i descàrrega es deu a la recuperació viscoelàstica del substrat d'elastòmer SEBS. La resistència més estable de les tires MGG durant el ciclisme es deu a la presència de grans volutes que poden unir les parts esquerdades del grafè (tal com l'observa AFM), ajudant a mantenir una via de percolació. Aquest fenomen de manteniment de la conductivitat mitjançant una via de percolació s'ha informat abans per a pel·lícules de metall fissurat o semiconductors sobre substrats d'elastòmer (40, 41).
Per avaluar aquestes pel·lícules basades en grafè com a elèctrodes de porta en dispositius extensibles, vam cobrir la capa de grafè amb una capa dielèctrica SEBS (2 μm de gruix) i vam controlar el canvi de capacitat dielèctrica en funció de la tensió (vegeu la figura 2F i els materials suplementaris per a detalls). Vam observar que les capacitats amb elèctrodes de grafè de monocapa i bicapa van disminuir ràpidament a causa de la pèrdua de conductivitat en el pla del grafè. En canvi, les capacitats controlades pels MGG, així com el grafè de tres capes simples, van mostrar un augment de la capacitat amb la tensió, que s'espera a causa de la reducció del gruix dielèctric amb la tensió. L'augment esperat de la capacitat va coincidir molt bé amb l'estructura MGG (fig. S8). Això indica que MGG és adequat com a elèctrode de porta per a transistors extensibles.
Per investigar més el paper del rotllo de grafè 1D en la tolerància a la tensió de la conductivitat elèctrica i controlar millor la separació entre les capes de grafè, hem utilitzat CNT recoberts amb polvorització per substituir els rotlles de grafè (vegeu Materials suplementaris). Per imitar les estructures MGG, vam dipositar tres densitats de CNT (és a dir, CNT1
(A a C) Imatges AFM de tres densitats diferents de CNTs (CNT1
Per entendre millor la seva capacitat com a elèctrodes per a l'electrònica extensible, vam investigar sistemàticament les morfologies de MGG i G-CNT-G sota tensió. La microscòpia òptica i la microscòpia electrònica d'escaneig (SEM) no són mètodes de caracterització eficaços perquè ambdues no tenen contrast de color i el SEM està subjecte a artefactes d'imatge durant l'exploració electrònica quan el grafè es troba sobre substrats de polímer (figs. S9 i S10). Per observar in situ la superfície del grafè sota tensió, vam recollir mesures AFM en MGG de tres capes i grafè simple després de transferir-les a substrats SEBS molt prims (~ 0,1 mm de gruix) i elàstics. A causa dels defectes intrínsecs del grafè CVD i dels danys extrínsecs durant el procés de transferència, inevitablement es generen esquerdes al grafè tensat i, amb l'augment de la tensió, les esquerdes es van fer més denses (Fig. 4, A a D). Segons l'estructura d'apilament dels elèctrodes basats en carboni, les esquerdes presenten diferents morfologies (fig. S11) (27). La densitat de l'àrea d'esquerda (definida com a àrea d'esquerda/àrea analitzada) del grafè multicapa és menor que la del grafè monocapa després de la tensió, cosa que és coherent amb l'augment de la conductivitat elèctrica dels MGG. D'altra banda, sovint s'observen volutes que superen les esquerdes, proporcionant vies conductores addicionals a la pel·lícula tensa. Per exemple, tal com s'etiqueta a la imatge de la figura 4B, un rotllo ample es va creuar per sobre d'una escletxa a la MGG de tres capes, però no es va observar cap desplaçament al grafè normal (Fig. 4, E a H). De la mateixa manera, els CNT també van salvar les esquerdes del grafè (fig. S11). La densitat de l'àrea d'esquerda, la densitat de l'àrea de desplaçament i la rugositat de les pel·lícules es resumeixen a la figura 4K.
(A a H) Imatges AFM in situ de rotlles G/G de tres capes (A a D) i estructures G de tres capes (E a ​​H) en un elastòmer SEBS molt prim (~ 0,1 mm de gruix) a 0, 20, 60 i 100 % tensió. Les esquerdes i els rotlles representatius estan assenyalats amb fletxes. Totes les imatges AFM es troben en una àrea de 15 μm × 15 μm, utilitzant la mateixa barra d'escala de color que s'etiqueta. (I) Geometria de simulació d'elèctrodes de grafè monocapa amb patró al substrat SEBS. (J) Mapa de contorn de simulació de la soca logarítmica principal màxima en el grafè monocapa i el substrat SEBS a un 20% de tensió externa. (K) Comparació de la densitat de l'àrea d'esquerdes (columna vermella), la densitat de l'àrea de desplaçament (columna groga) i la rugositat superficial (columna blava) per a diferents estructures de grafè.
Quan les pel·lícules MGG s'estiren, hi ha un mecanisme addicional important que els rotlles poden unir regions esquerdades de grafè, mantenint una xarxa de percolació. Els rotlles de grafè són prometedors perquè poden tenir desenes de micròmetres de llarg i, per tant, poden salvar esquerdes que solen ser a escala micròmetre. A més, com que els rotlles consisteixen en diverses capes de grafè, s'espera que tinguin poca resistència. En comparació, es requereixen xarxes CNT relativament denses (menor transmitància) per proporcionar una capacitat de pont conductor comparable, ja que els CNT són més petits (normalment uns pocs micròmetres de longitud) i menys conductors que els rotlles. D'altra banda, com es mostra a la fig. S12, mentre que el grafè s'esquerda durant l'estirament per adaptar-se a la tensió, els rotlles no s'esquerden, cosa que indica que aquest últim podria estar lliscant sobre el grafè subjacent. La raó per la qual no s'esquerden és probablement a causa de l'estructura enrotllada, composta per moltes capes de grafè (entre 1 i 20 μm de llarg, entre 0,1 i 1 μm d'ample i entre 10 i 100 nm d'alçada), un mòdul efectiu més alt que el grafè d'una sola capa. Tal com informen Green i Hersam (42), les xarxes CNT metàl·liques (diàmetre del tub d'1, 0 nm) poden aconseguir resistències baixes de fulla <100 ohms/sq malgrat la gran resistència d'unió entre CNT. Tenint en compte que els nostres rotlles de grafè tenen amplades de 0,1 a 1 μm i que els rotlles G / G tenen àrees de contacte molt més grans que els CNT, la resistència de contacte i l'àrea de contacte entre els rotlles de grafè i els rotlles de grafè no haurien de ser factors limitants per mantenir una alta conductivitat.
El grafè té un mòdul molt més alt que el substrat SEBS. Tot i que el gruix efectiu de l'elèctrode de grafè és molt inferior al del substrat, la rigidesa del grafè multiplicada per el seu gruix és comparable a la del substrat (43, 44), donant lloc a un efecte d'illa rígida moderat. Hem simulat la deformació d'un grafè d'1 nm de gruix en un substrat SEBS (vegeu Materials suplementaris per a més detalls). Segons els resultats de la simulació, quan s'aplica un 20% de tensió al substrat SEBS externament, la tensió mitjana del grafè és ~ 6,6% (Fig. 4J i fig. S13D), cosa que és coherent amb les observacions experimentals (vegeu la fig. S13). . Vam comparar la soca a les regions del grafè amb patró i del substrat mitjançant microscòpia òptica i vam trobar que la soca a la regió del substrat era almenys el doble de la soca a la regió del grafè. Això indica que la tensió aplicada als patrons d'elèctrodes de grafè es podria limitar significativament, formant illes rígides de grafè a la part superior de SEBS (26, 43, 44).
Per tant, la capacitat dels elèctrodes MGG per mantenir una alta conductivitat sota una gran tensió probablement està habilitada per dos mecanismes principals: (i) Els rotlles poden unir regions desconnectades per mantenir una via de percolació conductora i (ii) les làmines de grafè / elastòmer multicapa poden lliscar. un sobre l'altre, donant lloc a una tensió reduïda als elèctrodes de grafè. Per a múltiples capes de grafè transferit sobre elastòmer, les capes no estan fortament unides entre si, cosa que pot lliscar en resposta a la tensió (27). Els rotlles també van augmentar la rugositat de les capes de grafè, cosa que pot ajudar a augmentar la separació entre les capes de grafè i, per tant, permetre el lliscament de les capes de grafè.
Els dispositius totalment de carboni es busquen amb entusiasme a causa del baix cost i de l'alt rendiment. En el nostre cas, els transistors de carboni es van fabricar mitjançant una porta de grafè inferior, un contacte de drenatge/font de grafè superior, un semiconductor CNT ordenat i SEBS com a dielèctric (figura 5A). Com es mostra a la figura 5B, un dispositiu de carboni amb CNT com a font/drenatge i porta (dispositiu inferior) és més opac que el dispositiu amb elèctrodes de grafè (dispositiu superior). Això és degut a que les xarxes CNT requereixen gruixos més grans i, en conseqüència, transmitàncies òptiques més baixes per aconseguir resistències de làmina similars a les del grafè (fig. S4). La figura 5 (C i D) mostra les corbes de transferència i sortida representatives abans de la tensió per a un transistor fabricat amb elèctrodes MGG bicapa. L'amplada i la longitud del canal del transistor sense tensió eren de 800 i 100 μm, respectivament. La relació on/off mesurada és superior a 103 amb corrents d'encesa i apagat als nivells de 10−5 i 10−8 A, respectivament. La corba de sortida presenta règims lineals i de saturació ideals amb una clara dependència de la tensió de la porta, cosa que indica un contacte ideal entre CNT i elèctrodes de grafè (45). Es va observar que la resistència de contacte amb els elèctrodes de grafè era inferior a la de la pel·lícula Au evaporada (vegeu la fig. S14). La mobilitat de saturació del transistor extensible és d'uns 5,6 cm2/Vs, similar a la dels mateixos transistors CNT classificats amb polímers sobre substrats de Si rígid amb SiO2 de 300 nm com a capa dielèctrica. És possible millorar la mobilitat amb una densitat de tubs optimitzada i altres tipus de tubs (46).
(A) Esquema de transistor extensible basat en grafè. SWNTs, nanotubs de carboni d'una sola paret. (B) Foto dels transistors extensibles fets d'elèctrodes de grafè (superior) i elèctrodes CNT (inferior). La diferència de transparència es nota clarament. (C i D) Corbes de transferència i sortida del transistor basat en grafè a SEBS abans de la tensió. (E i F) Corbes de transferència, corrent d'encesa i apagada, relació d'encesa/apagada i mobilitat del transistor basat en grafè a diferents tensions.
Quan el dispositiu transparent de carboni es va estirar en la direcció paral·lela a la direcció de transport de càrrega, es va observar una degradació mínima fins a un 120% de tensió. Durant l'estirament, la mobilitat va disminuir contínuament de 5, 6 cm2/Vs amb un 0% de tensió a 2,5 cm2/Vs amb un 120% de tensió (Fig. 5F). També vam comparar el rendiment del transistor per a diferents longituds de canal (vegeu la taula S1). En particular, amb una tensió tan gran com el 105%, tots aquests transistors encara presentaven una alta relació d'encesa/apagada (>103) i mobilitat (>3 cm2/Vs). A més, hem resumit tot el treball recent sobre transistors de carboni (vegeu la taula S2) (47–52). Mitjançant l'optimització de la fabricació de dispositius en elastòmers i utilitzant MGG com a contactes, els nostres transistors de carboni mostren un bon rendiment en termes de mobilitat i histèresi, a més de ser altament estirables.
Com a aplicació del transistor totalment transparent i extensible, el vam utilitzar per controlar la commutació d'un LED (Fig. 6A). Tal com es mostra a la figura 6B, el LED verd es pot veure clarament a través del dispositiu de carboni extensible situat directament a sobre. Mentre s'estira a ~ 100% (Fig. 6, C i D), la intensitat de la llum LED no canvia, cosa que és coherent amb el rendiment del transistor descrit anteriorment (vegeu la pel·lícula S1). Aquest és el primer informe d'unitats de control extensibles fetes amb elèctrodes de grafè, que demostra una nova possibilitat per a l'electrònica extensible de grafè.
(A) Circuit d'un transistor per conduir el LED. GND, terra. (B) Foto del transistor de carboni extensible i transparent amb una tensió del 0% muntat sobre un LED verd. (C) El transistor transparent i estirable de carboni que s'utilitza per canviar el LED s'està muntant a sobre del LED a un 0% (esquerra) i ~ 100% de tensió (dreta). Les fletxes blanques assenyalen com els marcadors grocs del dispositiu per mostrar el canvi de distància que s'estira. (D) Vista lateral del transistor estirat, amb el LED empès a l'elastòmer.
En conclusió, hem desenvolupat una estructura de grafè conductor transparent que manté una alta conductivitat sota grans soques com a elèctrodes estirables, habilitats per nanovols de grafè entre capes de grafè apilades. Aquestes estructures d'elèctrodes MGG de dues i tres capes en un elastòmer poden mantenir el 21 i el 65%, respectivament, de les seves conductivitats de tensió del 0% a una tensió fins al 100%, en comparació amb la pèrdua total de conductivitat amb una tensió del 5% dels elèctrodes de grafè monocapa típics. . Els camins conductors addicionals dels rotlles de grafè, així com la interacció feble entre les capes transferides, contribueixen a una estabilitat de conductivitat superior sota tensió. A més, vam aplicar aquesta estructura de grafè per fabricar transistors extensibles de carboni. Fins ara, aquest és el transistor basat en grafè més estirable amb la millor transparència sense utilitzar el pany. Tot i que el present estudi es va realitzar per habilitar el grafè per a l'electrònica estirable, creiem que aquest enfocament es pot estendre a altres materials 2D per permetre l'electrònica 2D estirable.
El grafè CVD de gran superfície es va cultivar sobre làmines de Cu suspeses (99,999%; Alfa Aesar) sota una pressió constant de 0,5 mtorr amb 50–SCCM (centímetre cúbic estàndard per minut) CH4 i 20–SCCM H2 com a precursors a 1000 °C. Els dos costats de la làmina de Cu estaven coberts per grafè monocapa. Una fina capa de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) es va revestir per rotació a un costat de la làmina de Cu, formant una estructura PMMA/G/Cu paper/G. posteriorment, tota la pel·lícula es va remullar en una solució de persulfat d'amoni 0,1 M [(NH4)2S2O8] durant unes 2 hores per tallar la làmina de Cu. Durant aquest procés, el grafè posterior sense protecció es va trencar primer al llarg dels límits del gra i després es va enrotllar en volutes a causa de la tensió superficial. Els rotlles es van connectar a la pel·lícula de grafè superior suportada per PMMA, formant rotlles PMMA/G/G. Posteriorment, les pel·lícules es van rentar amb aigua desionitzada diverses vegades i es van col·locar sobre un substrat objectiu, com ara un substrat rígid de SiO2/Si o plàstic. Tan bon punt la pel·lícula adjunta s'assecava al substrat, la mostra es va remullar seqüencialment amb acetona, acetona/IPA 1:1 (alcohol isopropílic) i IPA durant 30 s cadascun per eliminar PMMA. Les pel·lícules es van escalfar a 100 ° C durant 15 minuts o es van mantenir al buit durant la nit per eliminar completament l'aigua atrapada abans de transferir-hi una altra capa de rotllo G / G. Aquest pas va ser evitar el despreniment de la pel·lícula de grafè del substrat i assegurar una cobertura total dels MGG durant l'alliberament de la capa portadora de PMMA.
La morfologia de l'estructura MGG es va observar mitjançant un microscopi òptic (Leica) i un microscopi electrònic d'escaneig (1 kV; FEI). Es va utilitzar un microscopi de força atòmica (Nanoscope III, Digital Instrument) en mode de toc per observar els detalls dels rotlles G. La transparència de la pel·lícula es va provar amb un espectròmetre ultraviolat-visible (Agilent Cary 6000i). Per a les proves quan la tensió estava al llarg de la direcció perpendicular del flux de corrent, es van utilitzar fotolitografia i plasma d'O2 per modelar estructures de grafè en tires (~ 300 μm d'ample i ~ 2000 μm de llarg) i es van dipositar tèrmicament els elèctrodes d'Au (50 nm). màscares d'ombra als dos extrems del costat llarg. A continuació, les tires de grafè es van posar en contacte amb un elastòmer SEBS (~ 2 cm d'ample i ~ 5 cm de llarg), amb l'eix llarg de les tires paral·lel al costat curt de SEBS seguit de BOE (gravat d'òxid tamponat) (HF: H2O). 1:6) gravat i indi gal·li eutèctic (EGaIn) com a contactes elèctrics. Per a proves de tensió paral·leles, es van transferir estructures de grafè sense patró (~ 5 × 10 mm) a substrats SEBS, amb eixos llargs paral·lels al costat llarg del substrat SEBS. En ambdós casos, tot el G (sense els rotlles G)/SEBS es va estirar al llarg del costat llarg de l'elastòmer en un aparell manual i, in situ, vam mesurar els seus canvis de resistència sota tensió en una estació de sonda amb un analitzador de semiconductors (Keithley 4200). -SCS).
Els transistors de carboni altament estirables i transparents sobre un substrat elàstic es van fabricar mitjançant els procediments següents per evitar danys en dissolvents orgànics del dielèctric i del substrat del polímer. Les estructures MGG es van transferir a SEBS com a elèctrodes de porta. Per obtenir una capa dielèctrica uniforme de polímer de pel·lícula prima (2 μm de gruix), es va revestir una solució de toluè SEBS (80 mg/ml) sobre un substrat SiO2/Si modificat amb octadeciltriclorosilà (OTS) a 1000 rpm durant 1 min. La fina pel·lícula dielèctrica es pot transferir fàcilment des de la superfície hidrofòbica OTS al substrat SEBS cobert amb el grafè tal com es va preparar. Es podria fer un condensador dipositant un elèctrode superior de metall líquid (EGaIn; Sigma-Aldrich) per determinar la capacitat en funció de la tensió mitjançant un mesurador LCR (inductància, capacitat, resistència) (Agilent). L'altra part del transistor consistia en CNTs semiconductors classificats per polímers, seguint els procediments indicats anteriorment (53). Els elèctrodes de font/drenatge estampats es van fabricar sobre substrats rígids de SiO2/Si. Posteriorment, les dues parts, dielèctric / G / SEBS i CNTs / modelat G / SiO2 / Si, es van laminar entre si i es van remullar amb BOE per eliminar el substrat rígid de SiO2 / Si. Així, es van fabricar els transistors totalment transparents i extensibles. Les proves elèctriques sota tensió es van realitzar en una configuració d'estirament manual com el mètode esmentat anteriorment.
El material suplementari d'aquest article està disponible a http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Imatges de microscòpia òptica de MGG monocapa sobre substrats de SiO2/Si a diferents augments.
fig. S4. Comparació de resistències i transmitàncies de fulles de dues sondes a 550 nm de grafè simple mono, bi i tricapa (quadrats negres), MGG (cercles vermells) i CNTs (triangle blau).
fig. S7. Canvi de resistència normalitzat dels MGGs mono i bicapa (negre) i G (vermell) sota ~ 1000 soques cícliques amb una càrrega de fins a un 40 i un 90% de soca paral·lela, respectivament.
fig. S10. Imatge SEM de MGG de tres capes sobre elastòmer SEBS després de la tensió, que mostra una llarga creu de desplaçament sobre diverses esquerdes.
fig. S12. Imatge AFM de MGG de tres capes sobre elastòmer SEBS molt prim amb un 20% de tensió, que mostra que un rotllo es va creuar sobre una esquerda.
taula S1. Mobilitats de transistors de nanotubs de carboni de paret única MGG de bicapa a diferents longituds de canal abans i després de la tensió.
Aquest és un article d'accés obert distribuït sota els termes de la llicència Reconeixement-NoComercial de Creative Commons, que permet l'ús, la distribució i la reproducció en qualsevol mitjà, sempre que l'ús resultant no sigui per a un avantatge comercial i sempre que l'obra original sigui correctament. citat.
NOTA: Només demanem la vostra adreça de correu electrònic perquè la persona a qui recomaneu la pàgina sàpiga que volíeu que la vegi i que no és correu brossa. No capturem cap adreça de correu electrònic.
Aquesta pregunta serveix per comprovar si sou o no un visitant humà i per evitar enviaments automàtics de correu brossa.
Per 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
Per 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 Associació Americana per a l'Avenç de la Ciència. Tots els drets reservats. AAAS és soci de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef i COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.