Bahan dua dimensi, seperti graphene, menarik untuk aplikasi semikonduktor konvensional dan aplikasi baru dalam elektronik fleksibel. Namun, kekuatan tarik yang tinggi dari graphene menyebabkan patah pada regangan rendah, sehingga sulit untuk memanfaatkan sifat elektroniknya yang luar biasa dalam elektronik yang dapat diregangkan. Untuk memungkinkan kinerja konduktor graphene transparan yang bergantung pada regangan yang sangat baik, kami membuat nanoscrolls graphene di antara lapisan graphene yang ditumpuk, yang disebut sebagai multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). Di bawah tekanan, beberapa gulungan menjembatani domain graphene yang terfragmentasi untuk mempertahankan jaringan perkolasi yang memungkinkan konduktivitas yang sangat baik pada regangan tinggi. MGG trilayer yang didukung pada elastomer mempertahankan 65% konduktansi aslinya pada regangan 100%, yang tegak lurus terhadap arah aliran arus, sedangkan film trilayer graphene tanpa nanoscroll hanya mempertahankan 25% konduktansi awalnya. Transistor semua karbon yang dapat diregangkan yang dibuat menggunakan MGG sebagai elektroda menunjukkan transmitansi >90% dan mempertahankan 60% keluaran arus aslinya pada regangan 120% (sejajar dengan arah pengangkutan muatan). Transistor karbon yang sangat mudah diregangkan dan transparan ini dapat memungkinkan optoelektronik canggih yang dapat diregangkan.
Elektronik transparan yang dapat diregangkan adalah bidang yang sedang berkembang yang memiliki aplikasi penting dalam sistem biointegrasi canggih (1, 2) serta potensi untuk berintegrasi dengan optoelektronik yang dapat diregangkan (3, 4) untuk menghasilkan robotika dan tampilan lunak yang canggih. Graphene menunjukkan sifat yang sangat diinginkan dari ketebalan atom, transparansi tinggi, dan konduktivitas tinggi, namun penerapannya dalam aplikasi yang dapat diregangkan terhambat oleh kecenderungannya untuk retak pada regangan kecil. Mengatasi keterbatasan mekanis graphene dapat memungkinkan fungsionalitas baru pada perangkat transparan yang dapat diregangkan.
Sifat unik graphene menjadikannya kandidat kuat untuk elektroda konduktif transparan generasi berikutnya (5, 6). Dibandingkan dengan konduktor transparan yang paling umum digunakan, indium timah oksida [ITO; 100 ohm/persegi (sq) pada transparansi 90%], graphene monolayer yang ditumbuhkan dengan deposisi uap kimia (CVD) memiliki kombinasi ketahanan lembaran yang serupa (125 ohm/sq) dan transparansi (97,4%) (5). Selain itu, film graphene memiliki fleksibilitas yang luar biasa dibandingkan ITO (7). Misalnya, pada substrat plastik, konduktansinya dapat dipertahankan bahkan untuk radius kelengkungan lentur sekecil 0,8 mm (8). Untuk lebih meningkatkan kinerja listriknya sebagai konduktor fleksibel transparan, penelitian sebelumnya telah mengembangkan bahan hibrida graphene dengan kawat nano perak satu dimensi (1D) atau karbon nanotube (CNT) (9-11). Selain itu, graphene telah digunakan sebagai elektroda untuk semikonduktor heterostruktur dimensi campuran (seperti Si massal 2D, kawat nano/nanotube 1D, dan titik kuantum 0D) (12), transistor fleksibel, sel surya, dan dioda pemancar cahaya (LED) (13 –23).
Meskipun graphene telah menunjukkan hasil yang menjanjikan untuk elektronik fleksibel, penerapannya dalam elektronik yang dapat diregangkan dibatasi oleh sifat mekaniknya (17, 24, 25); graphene memiliki kekakuan bidang sebesar 340 N/m dan modulus Young sebesar 0,5 TPa (26). Jaringan karbon-karbon yang kuat tidak memberikan mekanisme disipasi energi apa pun untuk regangan yang diterapkan dan oleh karena itu mudah retak pada regangan kurang dari 5%. Misalnya, graphene CVD yang ditransfer ke substrat elastis polydimethylsiloxane (PDMS) hanya dapat mempertahankan konduktivitasnya pada regangan kurang dari 6% (8). Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa keruntuhan dan interaksi antara lapisan yang berbeda akan sangat mengurangi kekakuan (26). Dengan menumpuk graphene ke dalam beberapa lapisan, dilaporkan bahwa graphene dua atau tiga lapis ini dapat diregangkan hingga regangan 30%, menunjukkan perubahan resistensi 13 kali lebih kecil dibandingkan graphene monolayer (27). Namun, daya regangan ini masih jauh lebih rendah dibandingkan konduktor regangan yang canggih (28, 29).
Transistor penting dalam aplikasi yang dapat diregangkan karena memungkinkan pembacaan sensor dan analisis sinyal yang canggih (30, 31). Transistor pada PDMS dengan graphene multilayer sebagai elektroda sumber/saluran dan bahan saluran dapat mempertahankan fungsi listrik hingga regangan 5% (32), yang jauh di bawah nilai minimum yang disyaratkan (~50%) untuk sensor pemantauan kesehatan yang dapat dikenakan dan kulit elektronik ( 33, 34). Baru-baru ini, pendekatan graphene kirigami telah dieksplorasi, dan transistor yang diberi gerbang oleh elektrolit cair dapat diregangkan hingga 240% (35). Namun, metode ini memerlukan graphene tersuspensi, yang mempersulit proses fabrikasi.
Di sini, kami mencapai perangkat graphene yang sangat dapat diregangkan dengan menyisipkan gulungan graphene (panjang ~1 hingga 20 μm, lebar ~0,1 hingga 1 μm, dan tinggi ~10 hingga 100 nm) di antara lapisan graphene. Kami berhipotesis bahwa gulungan graphene ini dapat menyediakan jalur konduktif untuk menjembatani retakan pada lembaran graphene, sehingga mempertahankan konduktivitas tinggi di bawah tekanan. Gulungan graphene tidak memerlukan sintesis atau proses tambahan; mereka terbentuk secara alami selama prosedur perpindahan basah. Dengan menggunakan elektroda elastis graphene multilayer G/G (graphene/graphene) scrolls (MGGs) (sumber/saluran dan gerbang) dan CNT semikonduktor, kami dapat mendemonstrasikan transistor semua karbon yang sangat transparan dan sangat dapat diregangkan, yang dapat diregangkan hingga 120 % regangan (sejajar dengan arah pengangkutan muatan) dan mempertahankan 60 % keluaran arus aslinya. Ini adalah transistor berbasis karbon transparan yang paling mudah diregangkan sejauh ini, dan menyediakan arus yang cukup untuk menggerakkan LED anorganik.
Untuk mengaktifkan elektroda graphene transparan area luas yang dapat diregangkan, kami memilih graphene yang ditanam CVD pada foil Cu. Foil Cu digantung di tengah tabung kuarsa CVD untuk memungkinkan pertumbuhan graphene di kedua sisi, membentuk struktur G/Cu/G. Untuk mentransfer graphene, pertama-tama kami melapisi lapisan tipis poli(metil metakrilat) (PMMA) untuk melindungi satu sisi graphene, yang kami beri nama topside graphene (sebaliknya untuk sisi lain graphene), dan selanjutnya, seluruh film (PMMA/grafena atas/Cu/grafena bawah) direndam dalam larutan (NH4)2S2O8 untuk mengetsa foil Cu. Graphene sisi bawah tanpa lapisan PMMA pasti akan memiliki retakan dan cacat yang memungkinkan etsa menembusnya (36, 37). Seperti diilustrasikan pada Gambar 1A, di bawah pengaruh tegangan permukaan, domain graphene yang dilepaskan digulung menjadi gulungan dan kemudian dilekatkan pada film G/PMMA atas yang tersisa. Gulungan G/G atas dapat ditransfer ke substrat apa pun, seperti SiO2/Si, kaca, atau polimer lunak. Mengulangi proses transfer ini beberapa kali ke substrat yang sama menghasilkan struktur MGG.
(A) Ilustrasi skema prosedur pembuatan MGG sebagai elektroda yang dapat diregangkan. Selama transfer graphene, graphene bagian belakang pada foil Cu dipecah pada batas dan cacatnya, digulung menjadi bentuk yang berubah-ubah, dan melekat erat pada film atas, membentuk gulungan nano. Kartun keempat menggambarkan struktur MGG yang bertumpuk. (B dan C) Karakterisasi TEM resolusi tinggi dari MGG monolayer, dengan fokus masing-masing pada wilayah monolayer graphene (B) dan scroll (C). Inset (B) adalah gambar perbesaran rendah yang menunjukkan keseluruhan morfologi MGG monolayer pada grid TEM. Sisipan (C) adalah profil intensitas yang diambil sepanjang kotak persegi panjang yang ditunjukkan pada gambar, dengan jarak antara bidang atom adalah 0,34 dan 0,41 nm. (D ) Spektrum Belut tepi K karbon dengan karakteristik puncak grafit π* dan σ* diberi label. (E) Gambar AFM bagian dari gulungan G/G monolayer dengan profil tinggi di sepanjang garis putus-putus kuning. (F ke I) Mikroskop optik dan gambar AFM dari trilayer G tanpa (F dan H) dan dengan gulungan (G dan I) masing-masing pada substrat SiO2/Si setebal 300 nm. Gulungan dan kerutan yang representatif diberi label untuk menonjolkan perbedaannya.
Untuk memverifikasi bahwa gulungan tersebut adalah gulungan graphene di alam, kami melakukan studi spektroskopi mikroskop elektron transmisi (TEM) resolusi tinggi dan kehilangan energi elektron (EEL) pada struktur gulir G/G monolayer atas. Gambar 1B menunjukkan struktur heksagonal dari graphene monolayer, dan sisipannya adalah keseluruhan morfologi film yang ditutupi pada lubang karbon tunggal pada grid TEM. Graphene monolayer mencakup sebagian besar grid, dan beberapa serpihan graphene dengan adanya beberapa tumpukan cincin heksagonal muncul (Gbr. 1B). Dengan memperbesar gulungan individual (Gbr. 1C), kami mengamati sejumlah besar pinggiran kisi graphene, dengan jarak kisi dalam kisaran 0,34 hingga 0,41 nm. Pengukuran ini menunjukkan bahwa serpihan tersebut digulung secara acak dan bukan grafit sempurna, yang memiliki jarak kisi 0,34 nm dalam susunan lapisan “ABAB”. Gambar 1D menunjukkan spektrum karbon K-edge EEL, dimana puncak pada 285 eV berasal dari orbital π* dan puncak lainnya sekitar 290 eV disebabkan oleh transisi orbital σ*. Dapat dilihat bahwa ikatan sp2 mendominasi struktur ini, membuktikan bahwa gulungan tersebut sangat grafit.
Gambar mikroskop optik dan mikroskop kekuatan atom (AFM) memberikan wawasan tentang distribusi nanoscrolls graphene di MGG (Gambar 1, E hingga G, dan gambar. S1 dan S2). Gulungan-gulungan tersebut didistribusikan secara acak ke seluruh permukaan, dan kepadatan dalam bidangnya meningkat secara proporsional dengan jumlah lapisan yang ditumpuk. Banyak gulungan yang kusut menjadi simpul dan menunjukkan ketinggian yang tidak seragam dalam kisaran 10 hingga 100 nm. Panjangnya 1 hingga 20 μm dan lebar 0,1 hingga 1 μm, bergantung pada ukuran serpihan graphene awalnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (H dan I), gulungan memiliki ukuran yang jauh lebih besar daripada kerutan, sehingga menghasilkan antarmuka yang lebih kasar di antara lapisan graphene.
Untuk mengukur sifat listrik, kami membuat pola film graphene dengan atau tanpa struktur gulir dan penumpukan lapisan menjadi strip selebar 300 μm dan panjang 2000 μm menggunakan fotolitografi. Resistensi dua probe sebagai fungsi regangan diukur dalam kondisi sekitar. Kehadiran gulungan mengurangi resistivitas untuk graphene monolayer sebesar 80% dengan hanya penurunan transmitansi sebesar 2,2% (gbr. S4). Hal ini menegaskan bahwa gulungan nano, yang memiliki kerapatan arus tinggi hingga 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), memberikan kontribusi listrik yang sangat positif terhadap MGG. Di antara semua graphene polos dan MGG mono-, bi-, dan trilayer, MGG trilayer memiliki konduktansi terbaik dengan transparansi hampir 90%. Untuk membandingkan dengan sumber graphene lain yang dilaporkan dalam literatur, kami juga mengukur resistansi empat lembar probe (gambar S5) dan mencantumkannya sebagai fungsi transmitansi pada 550 nm (gambar S6) pada Gambar 2A. MGG menunjukkan konduktivitas dan transparansi yang sebanding atau lebih tinggi dibandingkan grafena polos multilapis yang ditumpuk secara artifisial dan grafena oksida tereduksi (RGO) (6, 8, 18). Perhatikan bahwa ketahanan lembaran graphene polos multilayer yang ditumpuk secara artifisial dari literatur sedikit lebih tinggi daripada MGG kami, mungkin karena kondisi pertumbuhan dan metode transfernya yang tidak optimal.
(A) Resistansi lembaran empat probe versus transmitansi pada 550 nm untuk beberapa jenis graphene, di mana kotak hitam menunjukkan MGG mono-, bi-, dan trilayer; lingkaran merah dan segitiga biru berhubungan dengan graphene polos multilayer yang tumbuh pada Cu dan Ni dari penelitian Li et al. (6) dan Kim dkk. (8), masing-masing, dan selanjutnya ditransfer ke SiO2/Si atau kuarsa; dan segitiga hijau merupakan nilai RGO pada derajat reduksi yang berbeda dari penelitian Bonaccorso et al. (18). (B dan C) Perubahan resistansi yang dinormalisasi dari MGG mono-, bi- dan trilayer dan G sebagai fungsi regangan tegak lurus (B) dan paralel (C) terhadap arah aliran arus. (D) Perubahan resistensi yang dinormalisasi dari bilayer G (merah) dan MGG (hitam) di bawah regangan siklik yang memuat hingga 50% regangan tegak lurus. (E) Perubahan resistansi yang dinormalisasi dari trilayer G (merah) dan MGG (hitam) di bawah regangan siklik yang memuat hingga 90% regangan paralel. (F) Perubahan kapasitansi yang dinormalisasi dari MGG mono-, bi- dan trilayer G serta bi- dan trilayer sebagai fungsi regangan. Sisipannya adalah struktur kapasitor, dengan substrat polimer adalah SEBS dan lapisan dielektrik polimer adalah SEBS setebal 2 μm.
Untuk mengevaluasi kinerja MGG yang bergantung pada regangan, kami mentransfer graphene ke substrat termoplastik elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (lebar ~2 cm dan panjang ~5 cm), dan konduktivitas diukur saat substrat diregangkan. (lihat Bahan dan Metode) baik tegak lurus maupun sejajar dengan arah aliran arus (Gbr. 2, B dan C). Perilaku listrik yang bergantung pada regangan meningkat dengan penggabungan nanoscrolls dan peningkatan jumlah lapisan graphene. Misalnya, ketika regangan tegak lurus terhadap aliran arus, untuk graphene monolayer, penambahan gulungan meningkatkan regangan pada pemutusan listrik dari 5 menjadi 70%. Toleransi regangan dari graphene trilayer juga meningkat secara signifikan dibandingkan dengan graphene monolayer. Dengan gulungan nano, pada regangan tegak lurus 100%, ketahanan struktur MGG trilayer hanya meningkat sebesar 50%, dibandingkan dengan 300% untuk graphene trilayer tanpa gulungan. Perubahan resistensi di bawah pembebanan regangan siklik diselidiki. Sebagai perbandingan (Gbr. 2D), resistansi film graphene bilayer polos meningkat sekitar 7,5 kali lipat setelah ~700 siklus pada regangan tegak lurus 50% dan terus meningkat seiring regangan di setiap siklus. Di sisi lain, resistensi MGG bilayer hanya meningkat sekitar 2,5 kali lipat setelah ~700 siklus. Menerapkan hingga 90% regangan sepanjang arah paralel, resistansi graphene trilayer meningkat ~100 kali lipat setelah 1000 siklus, sedangkan resistensi hanya ~8 kali dalam MGG trilayer (Gbr. 2E). Hasil bersepeda ditunjukkan pada gambar. S7. Peningkatan resistensi yang relatif lebih cepat sepanjang arah regangan paralel disebabkan karena orientasi retakan tegak lurus terhadap arah aliran arus. Penyimpangan resistensi selama bongkar muat regangan disebabkan oleh pemulihan viskoelastik substrat elastomer SEBS. Resistensi yang lebih stabil dari strip MGG selama siklus disebabkan oleh adanya gulungan besar yang dapat menjembatani bagian-bagian graphene yang retak (seperti yang diamati oleh AFM), membantu mempertahankan jalur perkolasi. Fenomena mempertahankan konduktivitas melalui jalur perkolasi telah dilaporkan sebelumnya untuk retakan logam atau film semikonduktor pada substrat elastomer (40, 41).
Untuk mengevaluasi film berbasis graphene ini sebagai elektroda gerbang pada perangkat yang dapat diregangkan, kami menutupi lapisan graphene dengan lapisan dielektrik SEBS (tebal 2 μm) dan memantau perubahan kapasitansi dielektrik sebagai fungsi regangan (lihat Gambar 2F dan Bahan Tambahan untuk detailnya). Kami mengamati bahwa kapasitansi dengan elektroda graphene monolayer dan bilayer dengan cepat menurun karena hilangnya konduktivitas graphene dalam bidang. Sebaliknya, kapasitansi yang dipagari oleh MGG serta graphene trilayer polos menunjukkan peningkatan kapasitansi terhadap regangan, yang diperkirakan disebabkan oleh pengurangan ketebalan dielektrik dengan regangan. Peningkatan kapasitansi yang diharapkan sangat sesuai dengan struktur MGG (gbr. S8). Hal ini menunjukkan bahwa MGG cocok sebagai elektroda gerbang untuk transistor yang dapat diregangkan.
Untuk menyelidiki lebih lanjut peran gulungan graphene 1D pada toleransi regangan konduktivitas listrik dan mengontrol pemisahan antara lapisan graphene dengan lebih baik, kami menggunakan CNT berlapis semprot untuk menggantikan gulungan graphene (lihat Bahan Tambahan). Untuk meniru struktur MGG, kami mendepositkan tiga kepadatan CNT (yaitu, CNT1
(A hingga C) Gambar AFM dari tiga kepadatan CNT yang berbeda (CNT1
Untuk lebih memahami kemampuan mereka sebagai elektroda untuk elektronik yang dapat diregangkan, kami secara sistematis menyelidiki morfologi MGG dan G-CNT-G di bawah tekanan. Mikroskop optik dan pemindaian mikroskop elektron (SEM) bukanlah metode karakterisasi yang efektif karena keduanya tidak memiliki kontras warna dan SEM rentan terhadap artefak gambar selama pemindaian elektron ketika graphene berada pada substrat polimer (gambar S9 dan S10). Untuk mengamati permukaan graphene di bawah tekanan secara in situ, kami mengumpulkan pengukuran AFM pada MGG trilayer dan graphene polos setelah ditransfer ke substrat SEBS yang sangat tipis (tebal ~0,1 mm) dan elastis. Karena cacat intrinsik pada graphene CVD dan kerusakan ekstrinsik selama proses transfer, retakan pasti akan timbul pada graphene yang tegang, dan dengan meningkatnya regangan, retakan tersebut menjadi lebih padat (Gbr. 4, A hingga D). Tergantung pada struktur tumpukan elektroda berbasis karbon, retakan tersebut menunjukkan morfologi yang berbeda (gbr. S11) (27). Kepadatan area retak (didefinisikan sebagai area retak/area yang dianalisis) dari graphene multilayer lebih kecil dibandingkan dengan graphene monolayer setelah regangan, yang konsisten dengan peningkatan konduktivitas listrik untuk MGG. Di sisi lain, gulungan sering kali terlihat menjembatani retakan, memberikan jalur konduktif tambahan pada film yang tegang. Misalnya, seperti yang diberi label pada gambar Gambar 4B, gulungan lebar melintasi celah di trilayer MGG, tetapi tidak ada gulungan yang diamati pada graphene biasa (Gambar 4, E hingga H). Demikian pula, CNT juga menjembatani celah pada graphene (gbr. S11). Kepadatan area retak, kepadatan area gulir, dan kekasaran film dirangkum dalam Gambar 4K.
(A hingga H) Gambar AFM in situ dari gulungan trilayer G/G (A hingga D) dan struktur trilayer G (E hingga H) pada elastomer SEBS yang sangat tipis (tebal ~0,1 mm) pada 0, 20, 60, dan 100 % tekanan. Retakan dan gulungan yang representatif ditunjukkan dengan panah. Semua gambar AFM berada di area berukuran 15 μm × 15 μm, menggunakan bilah skala warna yang sama seperti yang diberi label. (I) Simulasi geometri elektroda graphene monolayer berpola pada substrat SEBS. (J) Peta kontur simulasi regangan logaritmik utama maksimal dalam graphene monolayer dan substrat SEBS pada regangan eksternal 20%. (K) Perbandingan kerapatan area retak (kolom merah), kerapatan area gulir (kolom kuning), dan kekasaran permukaan (kolom biru) untuk struktur graphene yang berbeda.
Ketika film MGG diregangkan, terdapat mekanisme tambahan penting yang memungkinkan gulungan tersebut menjembatani daerah graphene yang retak, dan mempertahankan jaringan perkolasi. Gulungan graphene cukup menjanjikan karena panjangnya bisa mencapai puluhan mikrometer sehingga mampu menjembatani retakan yang biasanya berukuran hingga skala mikrometer. Selain itu, karena gulungan tersebut terdiri dari lapisan graphene yang berlapis-lapis, maka diharapkan mempunyai resistansi yang rendah. Sebagai perbandingan, jaringan CNT yang relatif padat (transmisi rendah) diperlukan untuk memberikan kemampuan penghubung konduktif yang sebanding, karena CNT lebih kecil (biasanya panjangnya beberapa mikrometer) dan kurang konduktif dibandingkan gulungan. Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada gambar. S12, sedangkan graphene retak selama peregangan untuk mengakomodasi regangan, gulungan tidak retak, menunjukkan bahwa gulungan tersebut mungkin meluncur pada graphene di bawahnya. Alasan mengapa mereka tidak retak kemungkinan besar karena struktur tergulung, terdiri dari banyak lapisan graphene (panjang ~1 hingga 2 0 μm, lebar ~0,1 hingga 1 μm, dan tinggi ~10 hingga 100 nm), yang memiliki modulus efektif yang lebih tinggi daripada graphene lapisan tunggal. Seperti yang dilaporkan oleh Green dan Hersam (42), jaringan CNT logam (diameter tabung 1,0 nm) dapat mencapai resistansi lembaran yang rendah <100 ohm/sq meskipun resistansi sambungan antar CNT besar. Mengingat gulungan graphene kami memiliki lebar 0,1 hingga 1 μm dan gulungan G/G memiliki area kontak yang jauh lebih besar daripada CNT, resistansi kontak dan area kontak antara gulungan graphene dan graphene tidak boleh menjadi faktor pembatas untuk mempertahankan konduktivitas tinggi.
Graphene memiliki modulus yang jauh lebih tinggi daripada substrat SEBS. Meskipun ketebalan efektif elektroda graphene jauh lebih rendah dibandingkan substrat, kekakuan graphene kali ketebalannya sebanding dengan substrat (43, 44), sehingga menghasilkan efek pulau kaku yang moderat. Kami mensimulasikan deformasi graphene setebal 1 nm pada substrat SEBS (lihat Bahan Tambahan untuk detailnya). Menurut hasil simulasi, ketika regangan 20% diterapkan pada substrat SEBS secara eksternal, regangan rata-rata dalam graphene adalah ~6,6% (Gambar 4J dan gambar. S13D), yang konsisten dengan pengamatan eksperimental (lihat gambar. S13) . Kami membandingkan regangan pada daerah graphene dan substrat berpola menggunakan mikroskop optik dan menemukan regangan pada daerah substrat setidaknya dua kali lipat regangan pada daerah graphene. Hal ini menunjukkan bahwa regangan yang diterapkan pada pola elektroda graphene dapat dibatasi secara signifikan, membentuk pulau-pulau kaku graphene di atas SEBS (26, 43, 44).
Oleh karena itu, kemampuan elektroda MGG untuk mempertahankan konduktivitas tinggi di bawah tekanan tinggi kemungkinan dimungkinkan oleh dua mekanisme utama: (i) Gulungan dapat menjembatani daerah yang tidak terhubung untuk mempertahankan jalur perkolasi konduktif, dan (ii) lembaran grafena/elastomer multilapis dapat meluncur. satu sama lain, sehingga mengurangi ketegangan pada elektroda graphene. Untuk beberapa lapisan graphene yang ditransfer pada elastomer, lapisan-lapisan tersebut tidak terikat kuat satu sama lain, sehingga dapat bergeser sebagai respons terhadap regangan (27). Gulungan tersebut juga meningkatkan kekasaran lapisan graphene, yang dapat membantu meningkatkan pemisahan antar lapisan graphene dan oleh karena itu memungkinkan terjadinya pergeseran lapisan graphene.
Perangkat berbahan karbon banyak dicari karena biayanya yang rendah dan hasil yang tinggi. Dalam kasus kami, transistor semua karbon dibuat menggunakan gerbang graphene bawah, kontak sumber/saluran graphene atas, semikonduktor CNT yang diurutkan, dan SEBS sebagai dielektrik (Gbr. 5A). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5B, perangkat yang seluruhnya karbon dengan CNT sebagai sumber/saluran dan gerbang (perangkat bawah) lebih buram dibandingkan perangkat dengan elektroda graphene (perangkat atas). Hal ini karena jaringan CNT memerlukan ketebalan yang lebih besar dan, akibatnya, transmisi optik yang lebih rendah untuk mencapai resistansi lembaran yang serupa dengan graphene (gbr. S4). Gambar 5 (C dan D) menunjukkan kurva transfer dan keluaran yang representatif sebelum regangan untuk transistor yang dibuat dengan elektroda MGG bilayer. Lebar saluran dan panjang transistor tidak terikat masing-masing adalah 800 dan 100 μm. Rasio hidup/mati yang diukur lebih besar dari 103 dengan arus hidup dan mati masing-masing pada tingkat 10−5 dan 10−8 A. Kurva keluaran menunjukkan rezim linier dan saturasi ideal dengan ketergantungan tegangan gerbang yang jelas, menunjukkan kontak ideal antara CNT dan elektroda graphene (45). Resistansi kontak dengan elektroda graphene diamati lebih rendah dibandingkan dengan film Au yang diuapkan (lihat gambar. S14). Mobilitas saturasi transistor yang dapat diregangkan adalah sekitar 5,6 cm2/Vs, mirip dengan transistor CNT jenis polimer yang sama pada substrat Si kaku dengan SiO2 300 nm sebagai lapisan dielektrik. Peningkatan lebih lanjut dalam mobilitas dimungkinkan dengan kepadatan tabung yang dioptimalkan dan jenis tabung lainnya ( 46).
(A) Skema transistor elastis berbasis graphene. SWNT, tabung nano karbon berdinding tunggal. (B) Foto transistor yang dapat diregangkan yang terbuat dari elektroda graphene (atas) dan elektroda CNT (bawah). Perbedaan transparansi terlihat jelas. (C dan D) Kurva transfer dan keluaran transistor berbasis graphene pada SEBS sebelum regangan. (E dan F) Kurva transfer, arus hidup dan mati, rasio hidup/mati, dan mobilitas transistor berbasis graphene pada regangan berbeda.
Ketika perangkat transparan yang seluruhnya karbon diregangkan ke arah sejajar dengan arah pengangkutan muatan, degradasi minimal diamati hingga regangan 120%. Selama peregangan, mobilitas terus menurun dari 5,6 cm2/Vs pada regangan 0% menjadi 2,5 cm2/Vs pada regangan 120% (Gbr. 5F). Kami juga membandingkan kinerja transistor untuk panjang saluran yang berbeda (lihat tabel S1). Khususnya, pada regangan sebesar 105%, semua transistor ini masih menunjukkan rasio hidup/mati yang tinggi ( >103) dan mobilitas (>3 cm2/Vs). Selain itu, kami merangkum semua penelitian terbaru tentang transistor semua karbon (lihat tabel S2) (47–52). Dengan mengoptimalkan fabrikasi perangkat pada elastomer dan menggunakan MGG sebagai kontak, transistor seluruh karbon kami menunjukkan kinerja yang baik dalam hal mobilitas dan histeresis serta sangat mudah diregangkan.
Sebagai penerapan transistor yang sepenuhnya transparan dan dapat diregangkan, kami menggunakannya untuk mengontrol peralihan LED (Gbr. 6A). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6B, LED hijau dapat dilihat dengan jelas melalui perangkat karbon yang dapat diregangkan yang ditempatkan tepat di atasnya. Meskipun diregangkan hingga ~100% (Gbr. 6, C dan D), intensitas cahaya LED tidak berubah, yang konsisten dengan kinerja transistor yang dijelaskan di atas (lihat film S1). Ini adalah laporan pertama mengenai unit kontrol yang dapat diregangkan yang dibuat menggunakan elektroda graphene, yang menunjukkan kemungkinan baru untuk elektronik yang dapat diregangkan dengan graphene.
(A) Rangkaian transistor untuk menggerakkan LED. GND, tanah. (B) Foto transistor seluruh karbon yang dapat diregangkan dan transparan pada regangan 0% dipasang di atas LED hijau. (C) Transistor seluruh karbon transparan dan dapat diregangkan yang digunakan untuk mengganti LED dipasang di atas LED pada regangan 0% (kiri) dan ~100% (kanan). Panah putih menunjuk sebagai penanda kuning pada perangkat untuk menunjukkan perubahan jarak yang direntangkan. (D) Tampak samping transistor yang diregangkan, dengan LED didorong ke dalam elastomer.
Sebagai kesimpulan, kami telah mengembangkan struktur graphene konduktif transparan yang mempertahankan konduktivitas tinggi di bawah regangan besar sebagai elektroda yang dapat diregangkan, diaktifkan oleh nanoscrolls graphene di antara tumpukan lapisan graphene. Struktur elektroda MGG dua lapis dan tiga lapis pada elastomer ini masing-masing dapat mempertahankan 21 dan 65% dari konduktivitas regangan 0% pada regangan setinggi 100%, dibandingkan dengan hilangnya konduktivitas total pada regangan 5% untuk elektroda graphene monolayer biasa. . Jalur konduktif tambahan dari gulungan graphene serta interaksi yang lemah antara lapisan yang ditransfer berkontribusi pada stabilitas konduktivitas yang unggul di bawah tekanan. Kami selanjutnya menerapkan struktur graphene ini untuk membuat transistor yang seluruhnya karbon dapat diregangkan. Sejauh ini, ini adalah transistor berbasis graphene yang paling mudah diregangkan dengan transparansi terbaik tanpa menggunakan tekuk. Meskipun penelitian ini dilakukan untuk mengaktifkan graphene pada elektronik yang dapat diregangkan, kami yakin bahwa pendekatan ini dapat diperluas ke material 2D lainnya untuk memungkinkan elektronik 2D yang dapat diregangkan.
Grafena CVD area luas ditanam pada foil Cu tersuspensi (99,999%; Alfa Aesar) di bawah tekanan konstan 0,5 mtorr dengan 50–SCCM (standar sentimeter kubik per menit) CH4 dan 20–SCCM H2 sebagai prekursor pada 1000°C. Kedua sisi foil Cu ditutupi oleh graphene monolayer. Lapisan tipis PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) dilapisi spin pada satu sisi foil Cu, membentuk struktur PMMA/G/Cu foil/G. selanjutnya, seluruh film direndam dalam larutan amonium persulfat [(NH4)2S2O8] 0,1 M selama sekitar 2 jam untuk mengetsa foil Cu. Selama proses ini, graphene bagian belakang yang tidak terlindungi pertama-tama robek di sepanjang batas butir dan kemudian digulung menjadi gulungan karena tegangan permukaan. Gulungan tersebut dilekatkan pada film graphene atas yang didukung PMMA, membentuk gulungan PMMA/G/G. Film-film tersebut kemudian dicuci dalam air deionisasi beberapa kali dan diletakkan pada substrat target, seperti substrat SiO2/Si atau plastik yang kaku. Segera setelah film yang menempel mengering pada substrat, sampel direndam secara berurutan dalam aseton, aseton 1:1/IPA (isopropil alkohol), dan IPA masing-masing selama 30 detik untuk menghilangkan PMMA. Film dipanaskan pada suhu 100°C selama 15 menit atau disimpan dalam ruang hampa semalaman untuk menghilangkan seluruh air yang terperangkap sebelum lapisan gulungan G/G lainnya dipindahkan ke dalamnya. Langkah ini untuk menghindari terlepasnya film graphene dari substrat dan memastikan cakupan penuh MGG selama pelepasan lapisan pembawa PMMA.
Morfologi struktur MGG diamati menggunakan mikroskop optik (Leica) dan mikroskop elektron scanning (1 kV; FEI). Mikroskop gaya atom (Nanoscope III, Instrumen Digital) dioperasikan dalam mode ketukan untuk mengamati detail gulungan G. Transparansi film diuji dengan spektrometer ultraviolet-visibel (Agilent Cary 6000i). Untuk pengujian ketika regangan berada di sepanjang arah tegak lurus aliran arus, fotolitografi dan plasma O2 digunakan untuk membentuk pola struktur graphene menjadi strip (lebar ~300 μm dan panjang ~2000 μm), dan elektroda Au (50 nm) diendapkan secara termal menggunakan topeng bayangan di kedua ujung sisi panjangnya. Strip graphene kemudian dikontakkan dengan elastomer SEBS (lebar ~2 cm dan panjang ~5 cm), dengan sumbu panjang strip sejajar dengan sisi pendek SEBS diikuti oleh BOE (buffered oxide etsa) (HF:H2O 1:6) etsa dan eutektik gallium indium (EGaIn) sebagai kontak listrik. Untuk uji regangan paralel, struktur graphene tak berpola (~5 × 10 mm) dipindahkan ke substrat SEBS, dengan sumbu panjang sejajar dengan sisi panjang substrat SEBS. Untuk kedua kasus, seluruh G (tanpa gulungan G)/SEBS diregangkan sepanjang sisi panjang elastomer dalam peralatan manual, dan di situ, kami mengukur perubahan resistansinya di bawah tekanan pada stasiun probe dengan penganalisis semikonduktor (Keithley 4200 -SCS).
Transistor semua karbon yang sangat mudah diregangkan dan transparan pada substrat elastis dibuat dengan prosedur berikut untuk menghindari kerusakan pelarut organik pada dielektrik dan substrat polimer. Struktur MGG dipindahkan ke SEBS sebagai elektroda gerbang. Untuk mendapatkan lapisan dielektrik polimer film tipis yang seragam (tebal 2 μm), larutan SEBS toluene (80 mg/ml) dispin-coated pada substrat SiO2/Si yang dimodifikasi octadecyltrichlorosilane (OTS) pada 1000 rpm selama 1 menit. Film dielektrik tipis dapat dengan mudah ditransfer dari permukaan OTS hidrofobik ke substrat SEBS yang dilapisi dengan graphene yang telah disiapkan. Kapasitor dapat dibuat dengan mendepositkan elektroda atas logam cair (EGaIn; Sigma-Aldrich) untuk menentukan kapasitansi sebagai fungsi regangan menggunakan pengukur LCR (induktansi, kapasitansi, resistansi) (Agilent). Bagian lain dari transistor terdiri dari CNT semikonduktor yang diurutkan polimer, mengikuti prosedur yang dilaporkan sebelumnya (53). Elektroda sumber/saluran berpola dibuat pada substrat SiO2/Si yang kaku. Selanjutnya, kedua bagian, dielektrik/G/SEBS dan CNT/berpola G/SiO2/Si, dilaminasi satu sama lain, dan direndam dalam BOE untuk menghilangkan substrat SiO2/Si yang kaku. Dengan demikian, transistor yang sepenuhnya transparan dan dapat diregangkan dibuat. Pengujian kelistrikan di bawah tekanan dilakukan pada pengaturan peregangan manual seperti metode yang disebutkan di atas.
Materi tambahan untuk artikel ini tersedia di http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
ara. S1. Gambar mikroskop optik MGG monolayer pada substrat SiO2/Si pada perbesaran berbeda.
ara. S4. Perbandingan resistansi dan transmitansi lembaran dua probe @ 550 nm dari graphene polos mono, bi, dan trilayer (kotak hitam), MGG (lingkaran merah), dan CNT (segitiga biru).
ara. S7. Perubahan resistensi yang dinormalisasi dari MGG mono dan bilayer (hitam) dan G (merah) di bawah ~1000 regangan siklik masing-masing memuat hingga 40 dan 90% regangan paralel.
ara. S10. Gambar SEM dari trilayer MGG pada elastomer SEBS setelah regangan, menunjukkan gulungan panjang melintasi beberapa retakan.
ara. S12. Gambar AFM dari trilayer MGG pada elastomer SEBS yang sangat tipis pada regangan 20%, menunjukkan bahwa sebuah gulungan melintasi celah.
tabel S1. Mobilitas transistor nanotube karbon berdinding tunggal MGG-bilayer pada panjang saluran yang berbeda sebelum dan sesudah regangan.
Ini adalah artikel akses terbuka yang didistribusikan di bawah ketentuan lisensi Atribusi-NonKomersial Creative Commons, yang mengizinkan penggunaan, distribusi, dan reproduksi dalam media apa pun, selama penggunaan yang dihasilkan bukan untuk keuntungan komersial dan asalkan karya aslinya benar. dikutip.
CATATAN: Kami hanya meminta alamat email Anda agar orang yang Anda rekomendasikan halaman tersebut mengetahui bahwa Anda ingin mereka melihatnya, dan bahwa halaman tersebut bukan email sampah. Kami tidak menangkap alamat email apa pun.
Pertanyaan ini untuk menguji apakah Anda pengunjung manusia atau bukan dan untuk mencegah pengiriman spam otomatis.
Oleh 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
Oleh 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 Asosiasi Amerika untuk Kemajuan Ilmu Pengetahuan. Semua hak dilindungi undang-undang. AAAS adalah mitra dari HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef dan COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Waktu posting: 28 Januari 2021