Material dua dimensi, seperti grafena, menarik untuk aplikasi semikonduktor konvensional dan aplikasi baru dalam elektronik fleksibel. Namun, kekuatan tarik grafena yang tinggi menyebabkan keretakan pada regangan rendah, sehingga sulit untuk memanfaatkan sifat elektroniknya yang luar biasa dalam elektronik yang dapat diregangkan. Untuk memungkinkan kinerja yang sangat baik bergantung pada regangan dari konduktor grafena transparan, kami membuat nanoscroll grafena di antara lapisan grafena yang ditumpuk, yang disebut sebagai multilayer grafena/scroll grafena (MGG). Di bawah regangan, beberapa scroll menjembatani domain grafena yang terfragmentasi untuk mempertahankan jaringan perkolasi yang memungkinkan konduktivitas yang sangat baik pada regangan tinggi. MGG tiga lapis yang didukung pada elastomer mempertahankan 65% dari konduktansi aslinya pada regangan 100%, yang tegak lurus terhadap arah aliran arus, sedangkan film tiga lapis grafena tanpa nanoscroll hanya mempertahankan 25% dari konduktansi awalnya. Transistor berbahan dasar karbon yang dapat diregangkan, yang dibuat menggunakan MGG sebagai elektroda, menunjukkan transmitansi >90% dan mempertahankan 60% dari keluaran arus aslinya pada regangan 120% (sejajar dengan arah transpor muatan). Transistor berbahan dasar karbon yang sangat dapat diregangkan dan transparan ini dapat memungkinkan pengembangan optoelektronik yang canggih dan dapat diregangkan.
Elektronika transparan yang dapat diregangkan merupakan bidang yang berkembang dan memiliki aplikasi penting dalam sistem biointegrasi canggih (1, 2) serta potensi untuk diintegrasikan dengan optoelektronik yang dapat diregangkan (3, 4) untuk menghasilkan robotika lunak dan tampilan yang canggih. Grafena menunjukkan sifat-sifat yang sangat diinginkan seperti ketebalan atom, transparansi tinggi, dan konduktivitas tinggi, tetapi implementasinya dalam aplikasi yang dapat diregangkan terhambat oleh kecenderungannya untuk retak pada regangan kecil. Mengatasi keterbatasan mekanis grafena dapat memungkinkan fungsionalitas baru dalam perangkat transparan yang dapat diregangkan.
Sifat unik graphene menjadikannya kandidat kuat untuk generasi elektroda konduktif transparan 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 resistansi lembaran (125 ohm/sq) dan transparansi (97,4%) yang serupa (5). Selain itu, film graphene memiliki fleksibilitas luar biasa dibandingkan dengan ITO (7). Misalnya, pada substrat plastik, konduktansinya dapat dipertahankan bahkan untuk radius kelengkungan tekukan sekecil 0,8 mm (8). Untuk lebih meningkatkan kinerja listriknya sebagai konduktor fleksibel transparan, penelitian sebelumnya telah mengembangkan material hibrida graphene dengan nanowire perak satu dimensi (1D) atau nanotube karbon (CNT) (9–11). Selain itu, graphene telah digunakan sebagai elektroda untuk semikonduktor heterostruktural berdimensi campuran (seperti Si bulk 2D, nanowire/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, aplikasinya dalam elektronik yang dapat diregangkan terbatas 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 menyediakan mekanisme disipasi energi untuk regangan yang diterapkan dan oleh karena itu mudah retak pada regangan kurang dari 5%. Misalnya, graphene CVD yang ditransfer ke substrat elastis polidimetilsiloksan (PDMS) hanya dapat mempertahankan konduktivitasnya pada regangan kurang dari 6% (8). Perhitungan teoritis menunjukkan bahwa pengerutan dan interaksi antar lapisan yang berbeda akan sangat mengurangi kekakuan (26). Dengan menumpuk graphene menjadi beberapa lapisan, dilaporkan bahwa graphene bi- atau trilayer ini dapat diregangkan hingga regangan 30%, menunjukkan perubahan resistansi 13 kali lebih kecil daripada graphene monolayer (27). Namun, kemampuan peregangan ini masih jauh lebih rendah dibandingkan dengan konduktor peregangan 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/drainase dan material kanal dapat mempertahankan fungsi listrik hingga regangan 5% (32), yang secara signifikan di bawah nilai minimum yang dibutuhkan (~50%) untuk sensor pemantauan kesehatan yang dapat dikenakan dan kulit elektronik (33, 34). Baru-baru ini, pendekatan kirigami graphene telah dieksplorasi, dan transistor yang dikendalikan oleh elektrolit cair dapat diregangkan hingga 240% (35). Namun, metode ini membutuhkan graphene yang tersuspensi, yang mempersulit proses fabrikasi.
Di sini, kami mencapai perangkat graphene yang sangat elastis dengan menyisipkan gulungan graphene (~1 hingga 20 μm panjang, ~0,1 hingga 1 μm lebar, dan ~10 hingga 100 nm tinggi) 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 regangan. Gulungan graphene tidak memerlukan sintesis atau proses tambahan; gulungan tersebut terbentuk secara alami selama prosedur transfer basah. Dengan menggunakan gulungan G/G (graphene/graphene) multilapis (MGG), elektroda graphene elastis (sumber/drainase dan gerbang), dan CNT semikonduktor, kami mampu mendemonstrasikan transistor berbasis karbon yang sangat transparan dan sangat elastis, yang dapat diregangkan hingga regangan 120% (sejajar dengan arah transpor muatan) dan mempertahankan 60% dari keluaran arus aslinya. Ini adalah transistor berbasis karbon transparan yang paling elastis hingga saat ini, dan memberikan arus yang cukup untuk menggerakkan LED anorganik.
Untuk memungkinkan elektroda graphene transparan yang dapat diregangkan dengan area luas, kami memilih graphene yang ditumbuhkan dengan CVD pada foil Cu. Foil Cu digantung di tengah tabung kuarsa CVD untuk memungkinkan pertumbuhan graphene di kedua sisinya, membentuk struktur G/Cu/G. Untuk mentransfer graphene, pertama-tama kami melapisi tipis poli(metil metakrilat) (PMMA) dengan metode spin coating untuk melindungi satu sisi graphene, yang kami sebut graphene sisi atas (dan sebaliknya untuk sisi graphene lainnya), dan selanjutnya, seluruh film (PMMA/graphene atas/Cu/graphene bawah) direndam dalam larutan (NH4)2S2O8 untuk mengikis foil Cu. Graphene sisi bawah tanpa lapisan PMMA pasti akan memiliki retakan dan cacat yang memungkinkan zat pengikis menembus (36, 37). Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1A, di bawah pengaruh tegangan permukaan, domain graphene yang dilepaskan menggulung menjadi gulungan dan kemudian menempel pada film top-G/PMMA yang tersisa. Gulungan top-G/G dapat ditransfer ke substrat apa pun, seperti SiO2/Si, kaca, atau polimer lunak. Mengulangi proses transfer ini beberapa kali ke substrat yang sama akan menghasilkan struktur MGG.
(A) Ilustrasi skematis prosedur fabrikasi MGG sebagai elektroda yang dapat diregangkan. Selama transfer graphene, graphene bagian belakang pada foil Cu dipatahkan pada batas dan cacat, digulung menjadi bentuk sembarang, dan menempel erat pada film atas, membentuk nanoscroll. Kartun keempat menggambarkan struktur MGG yang bertumpuk. (B dan C) Karakterisasi TEM resolusi tinggi dari MGG monolayer, berfokus pada graphene monolayer (B) dan wilayah scroll (C), masing-masing. Sisipan (B) adalah gambar perbesaran rendah yang menunjukkan morfologi keseluruhan MGG monolayer pada grid TEM. Sisipan (C) adalah profil intensitas yang diambil di sepanjang kotak persegi panjang yang ditunjukkan pada gambar, di mana jarak antara bidang atom adalah 0,34 dan 0,41 nm. (D) Spektrum EEL tepi K karbon dengan puncak π* dan σ* grafitik karakteristik yang diberi label. (E) Gambar AFM penampang gulungan monolayer G/G dengan profil ketinggian sepanjang garis putus-putus kuning. (F hingga I) Mikroskop optik dan gambar AFM dari trilayer G tanpa (F dan H) dan dengan gulungan (G dan I) pada substrat SiO2/Si setebal 300 nm, masing-masing. Gulungan dan kerutan yang representatif diberi label untuk menyoroti perbedaannya.
Untuk memverifikasi bahwa gulungan tersebut merupakan graphene yang digulung secara alami, kami melakukan studi mikroskopi elektron transmisi (TEM) resolusi tinggi dan spektroskopi kehilangan energi elektron (EEL) pada struktur gulungan monolayer top-G/G. Gambar 1B menunjukkan struktur heksagonal dari graphene monolayer, dan sisipan adalah morfologi keseluruhan film yang menutupi satu lubang karbon pada grid TEM. Graphene monolayer membentang hampir seluruh grid, dan beberapa serpihan graphene dengan adanya beberapa tumpukan cincin heksagonal muncul (Gambar 1B). Dengan memperbesar gulungan individual (Gambar 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 EEL tepi K karbon, di mana 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 dalam struktur ini, memverifikasi bahwa gulungan tersebut sangat grafitik.
Citra mikroskop optik dan mikroskop gaya atom (AFM) memberikan wawasan tentang distribusi nanoscroll graphene dalam MGG (Gambar 1, E hingga G, dan gambar S1 dan S2). Scroll tersebut tersebar secara acak di permukaan, dan kepadatan bidangnya meningkat sebanding dengan jumlah lapisan yang ditumpuk. Banyak scroll yang kusut membentuk simpul dan menunjukkan ketinggian yang tidak seragam dalam kisaran 10 hingga 100 nm. Panjangnya 1 hingga 20 μm dan lebarnya 0,1 hingga 1 μm, tergantung pada ukuran serpihan graphene awalnya. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 (H dan I), scroll memiliki ukuran yang jauh lebih besar daripada kerutan, yang menyebabkan antarmuka yang jauh lebih kasar di antara lapisan graphene.
Untuk mengukur sifat kelistrikan, kami membuat pola film graphene dengan atau tanpa struktur gulungan dan penumpukan lapisan menjadi strip selebar 300 μm dan panjang 2000 μm menggunakan fotolitografi. Resistansi dua probe sebagai fungsi regangan diukur dalam kondisi ambien. Kehadiran gulungan mengurangi resistivitas untuk graphene monolayer sebesar 80% dengan hanya penurunan transmitansi sebesar 2,2% (gambar S4). Ini menegaskan bahwa nanogulungan, yang memiliki kepadatan arus tinggi hingga 5 × 107 A/cm2 (38, 39), memberikan kontribusi listrik yang sangat positif pada MGG. Di antara semua graphene polos mono-, bi-, dan trilayer serta MGG, MGG trilayer memiliki konduktansi terbaik dengan transparansi hampir 90%. Untuk membandingkan dengan sumber graphene lain yang dilaporkan dalam literatur, kami juga mengukur resistansi lembaran empat 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 daripada graphene polos multilayer yang ditumpuk secara artifisial dan graphene oksida tereduksi (RGO) (6, 8, 18). Perlu dicatat bahwa resistansi lembaran graphene polos multilayer yang ditumpuk secara artifisial dari literatur sedikit lebih tinggi daripada MGG kami, mungkin karena kondisi pertumbuhan dan metode transfernya yang belum dioptimalkan.
(A) Resistansi lembaran empat probe versus transmitansi pada 550 nm untuk beberapa jenis grafena, di mana kotak hitam menunjukkan MGG mono-, bi-, dan trilapis; lingkaran merah dan segitiga biru sesuai dengan grafena polos multilapis yang ditumbuhkan pada Cu dan Ni dari penelitian Li et al. (6) dan Kim et al. (8), masing-masing, dan kemudian ditransfer ke SiO2/Si atau kuarsa; dan segitiga hijau adalah nilai untuk RGO pada derajat reduksi yang berbeda dari penelitian Bonaccorso et al. (18). (B dan C) Perubahan resistansi yang dinormalisasi dari MGG mono-, bi- dan trilapis dan G sebagai fungsi regangan tegak lurus (B) dan sejajar (C) terhadap arah aliran arus. (D) Perubahan resistansi yang dinormalisasi dari lapisan ganda G (merah) dan MGG (hitam) di bawah pembebanan regangan siklik hingga regangan tegak lurus 50%. (E) Perubahan resistansi yang dinormalisasi dari lapisan tiga G (merah) dan MGG (hitam) di bawah pembebanan regangan siklik hingga regangan sejajar 90%. ( F) Perubahan kapasitansi ternormalisasi dari mono-, bi- dan trilayer G dan bi- dan trilayer MGG sebagai fungsi regangan. Sisipan adalah struktur kapasitor, di mana 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 elastomer termoplastik stirena-etilena-butadiena-stirena (SEBS) (~2 cm lebar dan ~5 cm panjang), dan konduktivitas diukur saat substrat diregangkan (lihat Bahan dan Metode) baik tegak lurus maupun sejajar dengan arah aliran arus (Gambar 2, B dan C). Perilaku listrik yang bergantung pada regangan meningkat dengan penambahan nanoscroll dan peningkatan jumlah lapisan graphene. Misalnya, ketika regangan tegak lurus terhadap aliran arus, untuk graphene monolayer, penambahan scroll meningkatkan regangan pada kerusakan listrik dari 5 menjadi 70%. Toleransi regangan graphene trilayer juga meningkat secara signifikan dibandingkan dengan graphene monolayer. Dengan nanoscroll, pada regangan tegak lurus 100%, resistansi struktur MGG trilayer hanya meningkat sebesar 50%, dibandingkan dengan 300% untuk graphene trilayer tanpa scroll. Perubahan resistansi di bawah beban regangan siklik diselidiki. Sebagai perbandingan (Gambar 2D), resistansi film graphene bilayer polos meningkat sekitar 7,5 kali setelah ~700 siklus pada regangan tegak lurus 50% dan terus meningkat seiring dengan regangan di setiap siklus. Di sisi lain, resistansi MGG bilayer hanya meningkat sekitar 2,5 kali setelah ~700 siklus. Dengan menerapkan regangan hingga 90% sepanjang arah paralel, resistansi graphene trilayer meningkat ~100 kali setelah 1000 siklus, sedangkan pada MGG trilayer hanya ~8 kali (Gambar 2E). Hasil siklus ditunjukkan pada Gambar S7. Peningkatan resistansi yang relatif lebih cepat sepanjang arah regangan paralel disebabkan oleh orientasi retakan yang tegak lurus terhadap arah aliran arus. Penyimpangan resistansi selama pembebanan dan pelepasan regangan disebabkan oleh pemulihan viskoelastik substrat elastomer SEBS. Resistansi strip MGG yang lebih stabil 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 ini telah dilaporkan sebelumnya untuk film logam atau semikonduktor yang retak pada substrat elastomer (40, 41).
Untuk mengevaluasi film berbasis grafena ini sebagai elektroda gerbang pada perangkat yang dapat diregangkan, kami melapisi lapisan grafena dengan lapisan dielektrik SEBS (ketebalan 2 μm) dan memantau perubahan kapasitansi dielektrik sebagai fungsi regangan (lihat Gambar 2F dan Materi Tambahan untuk detailnya). Kami mengamati bahwa kapasitansi dengan elektroda grafena monolayer dan bilayer biasa menurun dengan cepat karena hilangnya konduktivitas bidang grafena. Sebaliknya, kapasitansi yang diatur oleh MGG serta grafena trilayer biasa menunjukkan peningkatan kapasitansi dengan regangan, yang diharapkan karena pengurangan ketebalan dielektrik dengan regangan. Peningkatan kapasitansi yang diharapkan sangat sesuai dengan struktur MGG (gambar S8). Ini menunjukkan bahwa MGG cocok sebagai elektroda gerbang untuk transistor yang dapat diregangkan.
Untuk menyelidiki lebih lanjut peran gulungan grafena 1D pada toleransi regangan konduktivitas listrik dan mengontrol pemisahan antar lapisan grafena dengan lebih baik, kami menggunakan CNT yang dilapisi semprot untuk menggantikan gulungan grafena (lihat Materi Tambahan). Untuk meniru struktur MGG, kami menyimpan tiga kepadatan CNT (yaitu, CNT1
(A sampai 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 regangan. Mikroskop optik dan mikroskop elektron pemindaian (SEM) bukanlah metode karakterisasi yang efektif karena keduanya kurang 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 regangan secara in situ, kami mengumpulkan pengukuran AFM pada MGG trilapis dan graphene polos setelah dipindahkan ke substrat SEBS yang sangat tipis (~0,1 mm tebal) dan elastis. Karena cacat intrinsik pada graphene CVD dan kerusakan ekstrinsik selama proses transfer, retakan pasti terbentuk pada graphene yang teregang, dan dengan meningkatnya regangan, retakan menjadi lebih padat (Gambar 4, A hingga D). Tergantung pada struktur penumpukan elektroda berbasis karbon, retakan menunjukkan morfologi yang berbeda (gambar S11) (27). Kepadatan area retakan (didefinisikan sebagai area retakan/area yang dianalisis) pada graphene multilapis lebih kecil daripada graphene monolapis setelah mengalami regangan, yang konsisten dengan peningkatan konduktivitas listrik untuk MGG. Di sisi lain, gulungan sering diamati menjembatani retakan, menyediakan jalur konduktif tambahan pada film yang mengalami regangan. Misalnya, seperti yang diberi label pada gambar Fig. 4B, gulungan lebar melintasi retakan pada MGG trilapis, tetapi tidak ada gulungan yang diamati pada graphene polos (Fig. 4, E hingga H). Demikian pula, CNT juga menjembatani retakan pada graphene (figure. S11). Kepadatan area retakan, kepadatan area gulungan, dan kekasaran film dirangkum dalam Fig. 4K.
(A sampai H) Gambar AFM in situ dari gulungan trilapis G/G (A sampai D) dan struktur trilapis G (E sampai H) pada elastomer SEBS yang sangat tipis (~0,1 mm tebal) pada regangan 0, 20, 60, dan 100%. Retakan dan gulungan representatif ditunjukkan dengan panah. Semua gambar AFM berada dalam area 15 μm × 15 μm, menggunakan skala warna yang sama seperti yang diberi label. (I) Geometri simulasi elektroda graphene monolayer berpola pada substrat SEBS. (J) Peta kontur simulasi regangan logaritmik utama maksimal pada graphene monolayer dan substrat SEBS pada regangan eksternal 20%. (K) Perbandingan kerapatan area retakan (kolom merah), kerapatan area gulungan (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 retak pada graphene, sehingga mempertahankan jaringan perkolasi. Gulungan graphene menjanjikan karena panjangnya bisa mencapai puluhan mikrometer dan karenanya mampu menjembatani retakan yang biasanya berukuran hingga mikrometer. Lebih lanjut, karena gulungan tersebut terdiri dari beberapa lapisan graphene, diharapkan memiliki resistansi rendah. Sebagai perbandingan, jaringan CNT yang relatif padat (transmisi lebih rendah) diperlukan untuk memberikan kemampuan jembatan konduktif yang sebanding, karena CNT lebih kecil (biasanya beberapa mikrometer) dan kurang konduktif daripada gulungan. Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada gambar S12, sementara graphene retak selama peregangan untuk mengakomodasi regangan, gulungan tidak retak, menunjukkan bahwa gulungan tersebut mungkin bergeser di atas graphene yang mendasarinya. Alasan mengapa gulungan tersebut tidak retak kemungkinan disebabkan oleh struktur gulungan yang terdiri dari banyak lapisan graphene (~1 hingga 20 μm panjang, ~0,1 hingga 1 μm lebar, dan ~10 hingga 100 nm tinggi), yang memiliki modulus efektif 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 rendah <100 ohm/sq meskipun resistansi sambungan antar CNT besar. Mengingat bahwa gulungan graphene kami memiliki lebar 0,1 hingga 1 μm dan bahwa gulungan G/G memiliki area kontak yang jauh lebih besar daripada CNT, resistansi kontak dan area kontak antara graphene dan gulungan graphene seharusnya bukan faktor pembatas untuk mempertahankan konduktivitas tinggi.
Grafena memiliki modulus yang jauh lebih tinggi daripada substrat SEBS. Meskipun ketebalan efektif elektroda grafena jauh lebih rendah daripada substrat, kekakuan grafena dikalikan dengan ketebalannya sebanding dengan kekakuan substrat (43, 44), sehingga menghasilkan efek pulau kaku yang moderat. Kami mensimulasikan deformasi grafena setebal 1 nm pada substrat SEBS (lihat Materi Tambahan untuk detailnya). Menurut hasil simulasi, ketika regangan 20% diterapkan pada substrat SEBS secara eksternal, regangan rata-rata pada grafena adalah ~6,6% (Gambar 4J dan Gambar S13D), yang konsisten dengan pengamatan eksperimental (lihat Gambar S13). Kami membandingkan regangan pada daerah grafena berpola dan substrat menggunakan mikroskop optik dan menemukan bahwa regangan di daerah substrat setidaknya dua kali lipat regangan di daerah grafena. Ini menunjukkan bahwa regangan yang diterapkan pada pola elektroda grafena dapat dibatasi secara signifikan, membentuk pulau kaku grafena di atas SEBS (26, 43, 44).
Oleh karena itu, kemampuan elektroda MGG untuk mempertahankan konduktivitas tinggi di bawah regangan tinggi kemungkinan dimungkinkan oleh dua mekanisme utama: (i) Gulungan dapat menjembatani daerah yang terputus untuk mempertahankan jalur perkolasi konduktif, dan (ii) lembaran graphene/elastomer multilapis dapat bergeser satu sama lain, sehingga mengurangi regangan pada elektroda graphene. Untuk beberapa lapisan graphene yang ditransfer pada elastomer, lapisan-lapisan tersebut tidak terikat kuat satu sama lain, yang dapat bergeser sebagai respons terhadap regangan (27). Gulungan juga meningkatkan kekasaran lapisan graphene, yang dapat membantu meningkatkan pemisahan antara lapisan graphene dan karenanya memungkinkan pergeseran lapisan graphene.
Perangkat berbahan karbon sepenuhnya banyak dikembangkan karena biaya rendah dan throughput tinggi. Dalam kasus kami, transistor berbahan karbon sepenuhnya dibuat menggunakan gerbang graphene bawah, kontak sumber/drainase graphene atas, semikonduktor CNT yang telah disortir, dan SEBS sebagai dielektrik (Gambar 5A). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5B, perangkat berbahan karbon sepenuhnya dengan CNT sebagai sumber/drainase dan gerbang (perangkat bawah) lebih buram daripada perangkat dengan elektroda graphene (perangkat atas). Hal ini karena jaringan CNT membutuhkan ketebalan yang lebih besar dan, akibatnya, transmitansi optik yang lebih rendah untuk mencapai resistansi lembaran yang mirip dengan graphene (Gambar S4). Gambar 5 (C dan D) menunjukkan kurva transfer dan output representatif sebelum regangan untuk transistor yang dibuat dengan elektroda MGG lapisan ganda. Lebar dan panjang saluran transistor tanpa regangan masing-masing adalah 800 dan 100 μm. Rasio on/off terukur lebih besar dari 103 dengan arus on dan off pada tingkat 10−5 dan 10−8 A, masing-masing. Kurva output 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 daripada dengan film Au yang diuapkan (lihat gambar S14). Mobilitas saturasi transistor yang dapat diregangkan adalah sekitar 5,6 cm2/Vs, mirip dengan transistor CNT yang disortir 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 yang dapat diregangkan berbasis grafena. SWNT, tabung nano karbon berdinding tunggal. (B) Foto transistor yang dapat diregangkan yang terbuat dari elektroda grafena (atas) dan elektroda CNT (bawah). Perbedaan transparansi terlihat jelas. (C dan D) Kurva transfer dan output transistor berbasis grafena pada SEBS sebelum peregangan. (E dan F) Kurva transfer, arus hidup dan mati, rasio hidup/mati, dan mobilitas transistor berbasis grafena pada berbagai regangan.
Ketika perangkat transparan berbahan karbon sepenuhnya diregangkan searah dengan arah transpor 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% (Gambar 5F). Kami juga membandingkan kinerja transistor untuk panjang kanal yang berbeda (lihat tabel S1). Perlu dicatat, pada regangan sebesar 105%, semua transistor ini masih menunjukkan rasio on/off yang tinggi (>103) dan mobilitas (>3 cm2/Vs). Selain itu, kami merangkum semua penelitian terbaru tentang transistor berbahan karbon sepenuhnya (lihat tabel S2) (47–52). Dengan mengoptimalkan fabrikasi perangkat pada elastomer dan menggunakan MGG sebagai kontak, transistor berbahan karbon sepenuhnya kami menunjukkan kinerja yang baik dalam hal mobilitas dan histeresis serta sangat mudah diregangkan.
Sebagai aplikasi dari transistor yang sepenuhnya transparan dan dapat diregangkan, kami menggunakannya untuk mengontrol peralihan LED (Gambar 6A). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6B, LED hijau dapat terlihat jelas melalui perangkat berbahan karbon yang dapat diregangkan yang ditempatkan tepat di atasnya. Saat diregangkan hingga ~100% (Gambar 6, C dan D), intensitas cahaya LED tidak berubah, yang konsisten dengan kinerja transistor yang dijelaskan di atas (lihat video S1). Ini adalah laporan pertama tentang unit kontrol yang dapat diregangkan yang dibuat menggunakan elektroda graphene, yang menunjukkan kemungkinan baru untuk elektronik yang dapat diregangkan berbahan graphene.
(A) Rangkaian transistor untuk menggerakkan LED. GND, ground. (B) Foto transistor karbon transparan dan lentur pada regangan 0% yang dipasang di atas LED hijau. (C) Transistor karbon transparan dan lentur yang digunakan untuk mengaktifkan LED dipasang di atas LED pada regangan 0% (kiri) dan ~100% (kanan). Panah putih menunjuk ke penanda kuning pada perangkat untuk menunjukkan perubahan jarak yang diregangkan. (D) Tampilan samping transistor yang diregangkan, dengan LED didorong ke dalam elastomer.
Kesimpulannya, kami telah mengembangkan struktur graphene konduktif transparan yang mempertahankan konduktivitas tinggi di bawah regangan besar sebagai elektroda yang dapat diregangkan, yang dimungkinkan oleh nanoscroll graphene di antara lapisan graphene yang tersusun. Struktur elektroda MGG bi- dan trilapis pada elastomer ini dapat mempertahankan masing-masing 21% dan 65% dari konduktivitas regangan 0% pada regangan setinggi 100%, dibandingkan dengan hilangnya konduktivitas sepenuhnya pada regangan 5% untuk elektroda graphene monolayer tipikal. Jalur konduktif tambahan dari scroll graphene serta interaksi lemah antara lapisan yang ditransfer berkontribusi pada stabilitas konduktivitas yang unggul di bawah regangan. Kami selanjutnya menerapkan struktur graphene ini untuk membuat transistor yang dapat diregangkan berbahan dasar karbon. Sejauh ini, ini adalah transistor berbasis graphene yang paling dapat diregangkan dengan transparansi terbaik tanpa menggunakan tekukan. Meskipun penelitian ini dilakukan untuk memungkinkan penggunaan graphene untuk elektronik yang dapat diregangkan, kami percaya bahwa pendekatan ini dapat diperluas ke material 2D lainnya untuk memungkinkan elektronik 2D yang dapat diregangkan.
Graphene CVD area luas ditumbuhkan pada lembaran tembaga (Cu) yang digantung (99,999%; Alfa Aesar) di bawah tekanan konstan 0,5 mtorr dengan 50–SCCM (sentimeter kubik standar per menit) CH4 dan 20–SCCM H2 sebagai prekursor pada suhu 1000°C. Kedua sisi lembaran Cu ditutupi oleh graphene monolayer. Lapisan tipis PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) dilapisi dengan metode spin-coating pada satu sisi lembaran Cu, membentuk struktur PMMA/G/lembaran Cu/G. Selanjutnya, seluruh film direndam dalam larutan amonium persulfat [(NH4)2S2O8] 0,1 M selama sekitar 2 jam untuk mengikis lembaran Cu. Selama proses ini, graphene sisi belakang yang tidak terlindungi pertama-tama robek di sepanjang batas butir dan kemudian menggulung menjadi gulungan karena tegangan permukaan. Gulungan tersebut menempel pada film graphene atas yang ditopang PMMA, membentuk gulungan PMMA/G/G. Film-film tersebut kemudian dicuci beberapa kali dengan air deionisasi dan diletakkan pada substrat target, seperti substrat SiO2/Si kaku atau substrat plastik. Segera setelah film yang menempel mengering pada substrat, sampel direndam secara berurutan dalam aseton, campuran aseton/IPA (isopropil alkohol) 1:1, dan IPA selama 30 detik masing-masing untuk menghilangkan PMMA. Film dipanaskan pada suhu 100°C selama 15 menit atau disimpan dalam vakum semalaman untuk menghilangkan air yang terperangkap sepenuhnya sebelum lapisan gulungan G/G lainnya dipindahkan ke atasnya. Langkah ini dilakukan 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 pemindai (1 kV; FEI). Mikroskop gaya atom (Nanoscope III, Digital Instrument) dioperasikan dalam mode tapping untuk mengamati detail gulungan G. Transparansi film diuji dengan spektrometer ultraviolet-visible (Agilent Cary 6000i). Untuk pengujian ketika regangan berada sepanjang arah tegak lurus aliran arus, fotolitografi dan plasma O2 digunakan untuk membuat pola struktur graphene menjadi strip (~300 μm lebar dan ~2000 μm panjang), dan elektroda Au (50 nm) diendapkan secara termal menggunakan masker bayangan di kedua ujung sisi panjangnya. Kemudian, strip grafena tersebut dikontakkan dengan elastomer SEBS (~2 cm lebar dan ~5 cm panjang), dengan sumbu panjang strip sejajar dengan sisi pendek SEBS, diikuti dengan etsa BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) dan galium indium eutektik (EGaIn) sebagai kontak listrik. Untuk uji regangan paralel, struktur grafena tanpa pola (~5 × 10 mm) ditransfer ke substrat SEBS, dengan sumbu panjang sejajar dengan sisi panjang substrat SEBS. Untuk kedua kasus tersebut, seluruh G (tanpa gulungan G)/SEBS diregangkan sepanjang sisi panjang elastomer dalam alat manual, dan secara in situ, kami mengukur perubahan resistansinya di bawah regangan pada stasiun probe dengan penganalisis semikonduktor (Keithley 4200-SCS).
Transistor karbon murni yang sangat elastis dan transparan pada substrat elastis dibuat dengan prosedur berikut untuk menghindari kerusakan pelarut organik pada dielektrik polimer dan substrat. Struktur MGG ditransfer ke SEBS sebagai elektroda gerbang. Untuk mendapatkan lapisan dielektrik polimer tipis yang seragam (ketebalan 2 μm), larutan SEBS toluena (80 mg/ml) dilapisi dengan metode spin-coating pada substrat SiO2/Si yang dimodifikasi dengan oktadesiltrichlorosilane (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 meter LCR (induktansi, kapasitansi, resistansi) (Agilent). Bagian lain dari transistor terdiri dari CNT semikonduktor yang disortir polimer, mengikuti prosedur yang dilaporkan sebelumnya (53). Elektroda sumber/drain berpola dibuat pada substrat SiO2/Si yang kaku. Selanjutnya, kedua bagian, dielektrik/G/SEBS dan CNT/G berpola/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 berhasil dibuat. Pengujian listrik di bawah regangan dilakukan pada perangkat peregangan manual seperti metode yang telah disebutkan sebelumnya.
Materi tambahan untuk artikel ini tersedia di http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Gambar S1. Gambar mikroskop optik lapisan tunggal MGG pada substrat SiO2/Si pada perbesaran yang berbeda.
Gambar 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).
Gambar S7. Perubahan resistansi yang dinormalisasi dari MGG mono- dan bilayer (hitam) dan G (merah) di bawah beban regangan siklik ~1000 hingga regangan paralel 40% dan 90%, masing-masing.
Gambar S10. Citra SEM dari trilapis MGG pada elastomer SEBS setelah mengalami regangan, menunjukkan gulungan panjang yang melintasi beberapa retakan.
Gambar S12. Citra AFM dari MGG trilapis pada elastomer SEBS yang sangat tipis pada regangan 20%, menunjukkan bahwa gulungan melintasi retakan.
Tabel S1. Mobilitas transistor MGG–tabung nano karbon berdinding tunggal lapisan ganda pada panjang saluran yang berbeda sebelum dan setelah regangan.
Artikel ini merupakan artikel akses terbuka yang didistribusikan di bawah ketentuan lisensi Creative Commons Attribution-NonCommercial, yang mengizinkan penggunaan, distribusi, dan reproduksi dalam media apa pun, selama penggunaan yang dihasilkan bukan untuk keuntungan komersial dan karya asli dikutip dengan benar.
CATATAN: Kami hanya meminta alamat email Anda agar orang yang Anda rekomendasikan halaman ini tahu bahwa Anda ingin mereka melihatnya, dan bahwa itu bukan email sampah. Kami tidak merekam alamat email apa pun.
Pertanyaan ini bertujuan 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