Elektroda graphene yang sangat transparan dan dapat diregangkan

Bahan dua dimensi, seperti graphene, menarik untuk aplikasi semikonduktor konvensional dan aplikasi baru dalam elektronik fleksibel. Namun, kekuatan tarik graphene yang tinggi mengakibatkan fraktur 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 gulungan nano graphene di antara lapisan graphene yang ditumpuk, yang disebut gulungan graphene/graphene multilayer (MGG). Di bawah regangan, 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% dari konduktansi aslinya pada regangan 100%, yang tegak lurus terhadap arah aliran arus, sedangkan film trilayer graphene tanpa gulungan nano hanya mempertahankan 25% dari konduktansi awalnya. Transistor karbon penuh 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 pengangkutan muatan). Transistor karbon penuh yang sangat dapat diregangkan dan transparan ini dapat memungkinkan optoelektronik yang dapat diregangkan yang canggih.
Elektronik transparan yang dapat diregangkan merupakan bidang yang sedang berkembang yang memiliki aplikasi penting dalam sistem biointegrasi tingkat lanjut (1, 2) serta potensi untuk diintegrasikan dengan optoelektronik yang dapat diregangkan (3, 4) untuk menghasilkan robotika lunak dan tampilan yang canggih. Graphena menunjukkan sifat-sifat yang sangat diinginkan dari ketebalan atom, transparansi tinggi, dan konduktivitas tinggi, tetapi penerapannya dalam aplikasi yang dapat diregangkan telah terhambat oleh kecenderungannya untuk retak pada regangan kecil. Mengatasi keterbatasan mekanis graphena dapat memungkinkan fungsionalitas baru dalam perangkat transparan yang dapat diregangkan.
Sifat unik grafena menjadikannya kandidat kuat untuk generasi berikutnya elektroda konduktif transparan (5, 6). Dibandingkan dengan konduktor transparan yang paling umum digunakan, indium tin oxide [ITO; 100 ohm/persegi (sq) pada transparansi 90%], grafena monolapis yang tumbuh dengan deposisi uap kimia (CVD) memiliki kombinasi serupa dari resistansi lembaran (125 ohm/sq) dan transparansi (97,4%) (5). Selain itu, film grafena memiliki fleksibilitas luar biasa dibandingkan dengan ITO (7). Misalnya, pada substrat plastik, konduktansinya dapat dipertahankan bahkan untuk radius tekukan kelengkungan sekecil 0,8 mm (8). Untuk lebih meningkatkan kinerja listriknya sebagai konduktor fleksibel yang transparan, karya-karya sebelumnya telah mengembangkan bahan hibrida grafena dengan nanokabel perak satu dimensi (1D) atau karbon nanotube (CNT) (9–11). Selain itu, graphene telah digunakan sebagai elektroda untuk semikonduktor heterostruktural dimensi campuran (seperti Si massal 2D, nanokabel/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 telah dibatasi oleh sifat mekanisnya (17, 24, 25); graphene memiliki kekakuan dalam bidang sebesar 340 N/m dan modulus Young sebesar 0,5 TPa (26). Jaringan karbon-karbon yang kuat tidak menyediakan mekanisme disipasi energi apa pun untuk regangan yang diberikan 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 kerutan dan interaksi antara lapisan yang berbeda akan sangat mengurangi kekakuan (26). Dengan menumpuk graphene menjadi beberapa lapisan, dilaporkan bahwa graphene dwi- atau trilapis ini dapat diregangkan hingga 30% regangan, menunjukkan perubahan resistansi 13 kali lebih kecil daripada graphene satu lapis (27). Akan tetapi, kemampuan meregang ini masih jauh lebih rendah dibandingkan konduktor meregang yang ada saat ini (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 saluran dapat mempertahankan fungsi listrik hingga regangan 5% (32), yang secara signifikan di bawah nilai minimum yang diperlukan (~50%) untuk sensor pemantauan kesehatan yang dapat dikenakan dan kulit elektronik (33, 34). Baru-baru ini, pendekatan kirigami graphene telah dieksplorasi, dan transistor yang digerakkan oleh elektrolit cair dapat diregangkan hingga 240% (35). Namun, metode ini memerlukan graphene yang ditangguhkan, yang mempersulit proses fabrikasi.
Di sini, kami memperoleh perangkat graphene yang sangat elastis 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 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) multilayer (MGG), elektroda graphene yang dapat diregangkan (sumber/drainase dan gerbang) dan CNT semikonduktor, kami dapat menunjukkan transistor semua-karbon yang sangat transparan dan sangat elastis, yang dapat diregangkan hingga 120% regangan (sejajar dengan arah pengangkutan muatan) dan mempertahankan 60% dari keluaran arus aslinya. Ini adalah transistor berbasis karbon transparan yang paling dapat diregangkan sejauh ini, dan menyediakan arus yang cukup untuk menggerakkan LED anorganik.
Bahasa Indonesia: Untuk mengaktifkan elektroda graphene yang dapat diregangkan dan transparan dengan area yang luas, kami memilih graphene yang tumbuh melalui CVD pada lapisan Cu. Lapisan Cu digantung di tengah tabung kuarsa CVD untuk memungkinkan pertumbuhan graphene pada kedua sisi, membentuk struktur G/Cu/G. Untuk mentransfer graphene, pertama-tama kami melapisi lapisan tipis poli(metil metakrilat) (PMMA) dengan spin-coating untuk melindungi satu sisi graphene, yang kami beri nama topside graphene (sebaliknya untuk sisi lain graphene), dan selanjutnya, seluruh film (PMMA/graphene atas/Cu/graphene bawah) direndam dalam larutan (NH4)2S2O8 untuk mengetsa lapisan Cu. Graphene sisi bawah tanpa lapisan PMMA mau tidak mau akan memiliki retakan dan cacat yang memungkinkan zat etsa menembus (36, 37). Seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 1A, di bawah pengaruh tegangan permukaan, domain graphene yang dilepaskan tergulung menjadi gulungan dan selanjutnya menempel pada film top-G/PMMA yang tersisa. Gulungan top-G/G dapat dipindahkan ke substrat apa pun, seperti SiO2/Si, kaca, atau polimer lunak. Mengulangi proses pemindahan ini beberapa kali ke substrat yang sama menghasilkan struktur MGG.
(A) Ilustrasi skema prosedur fabrikasi untuk MGG sebagai elektroda yang dapat diregangkan. Selama transfer graphene, sisi belakang graphene pada foil Cu patah pada batas dan cacat, digulung menjadi bentuk yang berubah-ubah, dan melekat erat pada film bagian atas, membentuk gulungan nano. Kartun keempat menggambarkan struktur MGG yang ditumpuk. (B dan C) Karakterisasi TEM resolusi tinggi dari MGG satu lapis, dengan fokus pada graphene satu lapis (B) dan wilayah gulungan (C), masing-masing. Sisipan (B) adalah gambar perbesaran rendah yang menunjukkan morfologi keseluruhan MGG satu lapis pada kisi TEM. Sisipan (C) adalah profil intensitas yang diambil sepanjang kotak persegi panjang yang ditunjukkan dalam gambar, di mana jarak antara bidang atom adalah 0,34 dan 0,41 nm. (D) Spektrum EEL tepi-K karbon dengan puncak grafit karakteristik π* dan σ* berlabel. (E) Gambar penampang AFM gulungan monolayer G/G dengan profil tinggi sepanjang garis putus-putus kuning. (F hingga I) Mikroskopi optik dan gambar AFM dari trilayer G tanpa (F dan H) dan dengan gulungan (G dan I) pada substrat SiO2/Si setebal 300 nm. Gulungan dan kerutan representatif diberi label untuk menyorot perbedaannya.
Bahasa Indonesia: Untuk memverifikasi bahwa gulungan tersebut adalah graphene yang digulung di alam, kami melakukan studi mikroskopi elektron transmisi (TEM) resolusi tinggi dan spektroskopi kehilangan energi elektron (EEL) pada struktur gulungan top-G/G monolayer. Gambar 1B menunjukkan struktur heksagonal dari graphene monolayer, dan sisipan adalah morfologi keseluruhan dari film yang ditutupi pada lubang karbon tunggal dari kisi TEM. Graphene monolayer mencakup sebagian besar kisi, dan beberapa serpihan graphene di hadapan beberapa tumpukan cincin heksagonal muncul (Gbr. 1B). Dengan memperbesar gulungan individu (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 penumpukan lapisan "ABAB". Gambar 1D menunjukkan spektrum EEL tepi-K karbon, di mana puncak pada 285 eV berasal dari orbital π* dan yang lainnya sekitar 290 eV disebabkan oleh transisi orbital σ*. Dapat dilihat bahwa ikatan sp2 mendominasi dalam struktur ini, yang memverifikasi bahwa gulungan tersebut sangat grafit.
Gambar mikroskop optik dan mikroskop gaya atom (AFM) memberikan wawasan tentang distribusi gulungan nano graphene dalam MGG (Gbr. 1, E hingga G, dan gbr. S1 dan S2). Gulungan tersebut didistribusikan secara acak di atas permukaan, dan kerapatan bidangnya meningkat secara proporsional dengan jumlah lapisan yang ditumpuk. Banyak gulungan yang kusut menjadi simpul dan menunjukkan tinggi 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 Gbr. 1 (H dan I), gulungan tersebut memiliki ukuran yang jauh lebih besar daripada kerutan, yang mengarah ke antarmuka yang jauh lebih kasar di antara lapisan graphene.
Untuk mengukur sifat listrik, 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 sekitar. Kehadiran gulungan mengurangi resistivitas untuk graphene monolayer hingga 80% dengan hanya penurunan 2,2% dalam transmitansi (gbr. S4). Ini mengonfirmasi bahwa nanoscroll, 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 mono-, bi-, dan trilayer dan MGG, MGG trilayer memiliki konduktansi terbaik dengan transparansi hampir 90%. Untuk membandingkan dengan sumber grafen lain yang dilaporkan dalam literatur, kami juga mengukur resistansi lembar empat-probe (gbr. S5) dan mencantumkannya sebagai fungsi transmitansi pada 550 nm (gbr. S6) dalam Gambar 2A. MGG menunjukkan konduktivitas dan transparansi yang sebanding atau lebih tinggi daripada grafen polos multilapis yang ditumpuk secara artifisial dan oksida grafen tereduksi (RGO) (6, 8, 18). Perhatikan bahwa resistansi lembar grafen polos multilapis yang ditumpuk secara artifisial dari literatur sedikit lebih tinggi daripada MGG kami, mungkin karena kondisi pertumbuhan dan metode transfernya yang tidak dioptimalkan.
(A) Resistensi lembar 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 et al. (8), masing-masing, dan selanjutnya 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 resistensi yang dinormalkan 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 dinormalkan dari dwilapis G (merah) dan MGG (hitam) di bawah pembebanan regangan siklik hingga 50% regangan tegak lurus. (E) Perubahan resistansi ternormalisasi dari trilayer G (merah) dan MGG (hitam) di bawah pembebanan regangan siklik hingga 90% regangan paralel. (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 grafena ke substrat stirena-etilena-butadiena-stirena (SEBS) elastomer termoplastik (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 membaik dengan penggabungan nanoscroll dan peningkatan jumlah lapisan grafena. Misalnya, ketika regangan tegak lurus terhadap aliran arus, untuk grafena satu lapis, penambahan gulungan meningkatkan regangan pada putus listrik dari 5 menjadi 70%. Toleransi regangan grafena tiga lapis juga meningkat secara signifikan dibandingkan dengan grafena satu lapis. Dengan nanoscroll, pada regangan tegak lurus 100%, resistansi struktur MGG tiga lapis hanya meningkat sebesar 50%, dibandingkan dengan 300% untuk grafena tiga lapis tanpa gulungan. Perubahan resistansi di bawah pembebanan regangan siklik diselidiki. Sebagai perbandingan (Gbr. 2D), resistansi film graphene dwi lapis biasa meningkat sekitar 7,5 kali setelah ~700 siklus pada regangan tegak lurus 50% dan terus meningkat dengan regangan di setiap siklus. Di sisi lain, resistansi MGG dwi lapis hanya meningkat sekitar 2,5 kali setelah ~700 siklus. Menerapkan hingga 90% regangan sepanjang arah paralel, resistansi graphene trilapis meningkat ~100 kali setelah 1000 siklus, sedangkan hanya ~8 kali dalam MGG trilapis (Gbr. 2E). Hasil siklus ditunjukkan pada gbr. S7. Peningkatan resistansi yang relatif lebih cepat sepanjang arah regangan paralel adalah karena orientasi retakan tegak lurus terhadap arah aliran arus. Penyimpangan resistansi selama regangan pemuatan dan pembongkaran adalah karena pemulihan viskoelastis substrat elastomer SEBS. Resistansi 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 ini telah dilaporkan sebelumnya untuk logam retak atau film semikonduktor pada substrat elastomer (40, 41).
Untuk mengevaluasi film berbasis graphene ini sebagai elektroda gerbang dalam perangkat yang dapat diregangkan, kami melapisi lapisan graphene 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 graphene satu lapis dan dua lapis biasa menurun dengan cepat karena hilangnya konduktivitas dalam bidang graphene. Sebaliknya, kapasitansi yang digerakkan oleh MGG serta graphene tiga lapis biasa menunjukkan peningkatan kapasitansi dengan regangan, yang diharapkan karena pengurangan ketebalan dielektrik dengan regangan. Peningkatan kapasitansi yang diharapkan sangat cocok dengan struktur MGG (gbr. S8). 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 mengendalikan pemisahan di antara lapisan graphene dengan lebih baik, kami menggunakan CNT berlapis semprot untuk menggantikan gulungan graphene (lihat Materi Tambahan). Untuk meniru struktur MGG, kami menyimpan tiga kepadatan CNT (yaitu, CNT1
(A hingga C) Gambar AFM dari tiga kepadatan CNT yang berbeda (CNT1
Bahasa Indonesia: 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. Mikroskopi optik dan mikroskop elektron pemindaian (SEM) bukan metode karakterisasi yang efektif karena keduanya tidak memiliki kontras warna dan SEM tunduk pada artefak gambar selama pemindaian elektron saat graphene berada pada substrat polimer (gbr. S9 dan S10). Untuk mengamati in situ permukaan graphene di bawah regangan, kami mengumpulkan pengukuran AFM pada MGG trilayer dan graphene biasa setelah mentransfer 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 diregangkan, dan dengan meningkatnya regangan, retakan menjadi lebih padat (Gbr. 4, A hingga D). Bergantung pada struktur tumpukan elektroda berbasis karbon, retakan menunjukkan morfologi yang berbeda (gbr. S11) (27). Kepadatan area retakan (didefinisikan sebagai area retakan/area yang dianalisis) dari grafen multilapis lebih rendah daripada grafen satu lapis setelah regangan, yang konsisten dengan peningkatan konduktivitas listrik untuk MGG. Di sisi lain, gulungan sering diamati menjembatani retakan, menyediakan jalur konduktif tambahan dalam film yang diregangkan. Misalnya, seperti yang diberi label pada gambar Gambar 4B, gulungan lebar melintasi retakan di MGG tiga lapis, tetapi tidak ada gulungan yang diamati di grafen biasa (Gambar 4, E hingga H). Demikian pula, CNT juga menjembatani retakan di grafen (gbr. S11). Kepadatan area retakan, kepadatan area gulungan, 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 (~0,1 mm tebal) pada regangan 0, 20, 60, dan 100%. Retakan dan gulungan representatif ditunjukkan dengan anak panah. Semua gambar AFM berada dalam area 15 μm × 15 μm, menggunakan bilah 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, ada mekanisme tambahan penting yang memungkinkan gulungan tersebut menjembatani daerah retak grafen, mempertahankan jaringan yang meresap. Gulungan grafen menjanjikan karena panjangnya bisa mencapai puluhan mikrometer dan karenanya mampu menjembatani retakan yang biasanya berskala mikrometer. Lebih jauh lagi, karena gulungan tersebut terdiri dari beberapa lapisan grafen, gulungan tersebut diharapkan memiliki resistansi rendah. Sebagai perbandingan, jaringan CNT yang relatif padat (transmitansi lebih rendah) diperlukan untuk menyediakan kemampuan penjembatan konduktif yang sebanding, karena CNT lebih kecil (biasanya panjangnya beberapa mikrometer) dan kurang konduktif daripada gulungan. Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada gambar S12, sedangkan grafen retak selama peregangan untuk mengakomodasi regangan, gulungan tersebut tidak retak, yang menunjukkan bahwa yang terakhir mungkin meluncur pada grafen yang mendasarinya. Alasan mengapa mereka tidak retak kemungkinan besar karena strukturnya yang tergulung, yang terdiri dari banyak lapisan grafen (panjang ~1 hingga 20 μm, lebar ~0,1 hingga 1 μm, dan tinggi ~10 hingga 100 nm), yang memiliki modulus efektif yang lebih tinggi daripada grafen lapisan tunggal. Seperti yang dilaporkan oleh Green dan Hersam (42), jaringan CNT metalik (diameter tabung 1,0 nm) dapat mencapai resistansi lembaran rendah <100 ohm/sq meskipun resistansi sambungan besar antara CNT. Mempertimbangkan bahwa gulungan grafen 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 grafen dan gulungan grafen seharusnya tidak menjadi faktor pembatas untuk mempertahankan konduktivitas tinggi.
Grafena memiliki modulus yang jauh lebih tinggi daripada substrat SEBS. Meskipun ketebalan efektif elektroda grafen jauh lebih rendah daripada substrat, kekakuan grafen dikalikan ketebalannya sebanding dengan substrat (43, 44), yang menghasilkan efek pulau kaku sedang. Kami mensimulasikan deformasi grafen setebal 1 nm pada substrat SEBS (lihat Materi Tambahan untuk detailnya). Menurut hasil simulasi, ketika regangan 20% diterapkan ke substrat SEBS secara eksternal, regangan rata-rata dalam grafen adalah ~6,6% (Gbr. 4J dan Gbr. S13D), yang konsisten dengan pengamatan eksperimental (lihat Gbr. S13). Kami membandingkan regangan di daerah grafen berpola dan substrat menggunakan mikroskop optik dan menemukan regangan di daerah substrat setidaknya dua kali lipat regangan di daerah grafen. Hal ini menunjukkan bahwa tekanan yang diberikan pada pola elektroda graphene dapat dibatasi secara signifikan, sehingga membentuk pulau-pulau kaku graphene 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/elastomer graphene multilapis dapat meluncur satu sama lain, sehingga menghasilkan regangan yang berkurang pada elektroda graphene. Untuk beberapa lapisan graphene yang ditransfer pada elastomer, lapisan-lapisan tersebut tidak melekat kuat satu sama lain, yang dapat meluncur sebagai respons terhadap regangan (27). Gulungan juga meningkatkan kekasaran lapisan graphene, yang dapat membantu meningkatkan pemisahan antara lapisan graphene dan karenanya memungkinkan lapisan graphene meluncur.
Perangkat semua karbon dikejar dengan antusias karena biaya rendah dan throughput tinggi. Dalam kasus kami, transistor semua karbon dibuat menggunakan gerbang graphene bawah, kontak sumber/drain graphene atas, semikonduktor CNT yang diurutkan, dan SEBS sebagai dielektrik (Gbr. 5A). Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5B, perangkat semua karbon dengan CNT sebagai sumber/drain dan gerbang (perangkat bawah) lebih buram daripada perangkat dengan elektroda graphene (perangkat atas). Ini karena jaringan CNT memerlukan ketebalan yang lebih besar dan, akibatnya, transmitansi optik yang lebih rendah untuk mencapai resistansi lembaran yang mirip dengan graphene (gbr. S4). Gambar 5 (C dan D) menunjukkan kurva transfer dan output representatif sebelum regangan untuk transistor yang dibuat dengan elektroda MGG dwi lapis. Lebar dan panjang saluran transistor yang tidak tegang masing-masing adalah 800 dan 100 μm. Rasio on/off yang diukur lebih besar dari 103 dengan arus on dan off pada level 10−5 dan 10−8 A, berturut-turut. Kurva keluaran menunjukkan rezim linear dan saturasi ideal dengan ketergantungan tegangan gerbang yang jelas, yang menunjukkan kontak ideal antara CNT dan elektroda graphene (45). Resistansi kontak dengan elektroda graphene diamati lebih rendah daripada yang dengan film Au yang diuapkan (lihat gbr. 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 elastis berbasis graphene. SWNT, tabung nano karbon berdinding tunggal. (B) Foto transistor elastis yang terbuat dari elektroda graphene (atas) dan elektroda CNT (bawah). Perbedaan transparansi terlihat jelas. (C dan D) Kurva transfer dan output 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 yang berbeda.
Ketika perangkat karbon penuh yang transparan diregangkan ke arah yang 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 pekerjaan terbaru pada transistor karbon penuh (lihat tabel S2) (47–52). Dengan mengoptimalkan fabrikasi perangkat pada elastomer dan menggunakan MGG sebagai kontak, transistor karbon penuh kami menunjukkan kinerja yang baik dalam hal mobilitas dan histeresis serta sangat dapat diregangkan.
Sebagai aplikasi transistor yang sepenuhnya transparan dan dapat diregangkan, kami menggunakannya untuk mengendalikan pengalihan LED (Gbr. 6A). Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 6B, LED hijau dapat dilihat dengan jelas melalui perangkat karbon yang dapat diregangkan yang ditempatkan tepat di atasnya. Saat 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 unit kontrol yang dapat diregangkan yang dibuat menggunakan elektroda graphene, yang menunjukkan kemungkinan baru untuk elektronik yang dapat diregangkan dari graphene.
(A) Rangkaian transistor untuk menggerakkan LED. GND, ground. (B) Foto transistor karbon penuh yang dapat diregangkan dan transparan pada regangan 0% yang dipasang di atas LED hijau. (C) Transistor karbon penuh yang transparan dan dapat diregangkan yang digunakan untuk menyalakan 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 diregangkan. (D) Tampilan 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, yang dimungkinkan oleh gulungan nano graphene di antara lapisan graphene yang ditumpuk. Struktur elektroda MGG dua dan tiga lapis pada elastomer ini dapat mempertahankan 21 dan 65%, masing-masing, dari konduktivitas regangan 0% pada regangan setinggi 100%, dibandingkan dengan hilangnya konduktivitas sepenuhnya pada regangan 5% untuk elektroda graphene satu lapis yang umum. Jalur konduktif tambahan dari gulungan graphene serta interaksi yang 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 semua-karbon. Sejauh ini, ini adalah transistor berbasis graphene yang paling dapat diregangkan dengan transparansi terbaik tanpa menggunakan tekukan. Meskipun penelitian saat ini dilakukan untuk memungkinkan graphene untuk elektronik yang dapat diregangkan, kami percaya bahwa pendekatan ini dapat diperluas ke bahan 2D lainnya untuk memungkinkan elektronik 2D yang dapat diregangkan.
Grafen CVD area luas ditumbuhkan pada foil Cu tersuspensi (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 1000 °C. Kedua sisi foil Cu ditutupi oleh grafen monolapis. Lapisan tipis PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) dilapisi putar pada satu sisi foil Cu, membentuk struktur PMMA/G/foil Cu/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, grafen sisi belakang yang tidak terlindungi pertama-tama robek di sepanjang batas butir dan kemudian tergulung menjadi gulungan karena tegangan permukaan. Gulungan-gulungan tersebut ditempelkan pada lapisan film grafena atas yang didukung PMMA, membentuk gulungan-gulungan PMMA/G/G. Film-film tersebut kemudian dicuci dalam air deionisasi beberapa kali dan diletakkan pada substrat target, seperti substrat SiO2/Si kaku atau plastik. Segera setelah film yang ditempelkan mengering pada substrat, sampel direndam secara berurutan dalam aseton, 1:1 aseton/IPA (alkohol isopropil), dan IPA masing-masing selama 30 detik untuk menghilangkan PMMA. Film-film tersebut dipanaskan pada suhu 100°C selama 15 menit atau disimpan dalam ruang hampa semalaman untuk menghilangkan air yang terperangkap sepenuhnya sebelum lapisan gulungan G/G lainnya dipindahkan ke atasnya. Langkah ini dilakukan untuk menghindari terlepasnya film grafena dari substrat dan memastikan cakupan penuh MGG selama pelepasan lapisan pembawa PMMA.
Morfologi struktur MGG diamati menggunakan mikroskop optik (Leica) dan mikroskop elektron pemindaian (1 kV; FEI). Mikroskop gaya atom (Nanoscope III, Digital Instrument) dioperasikan dalam mode penyadapan untuk mengamati detail gulungan G. Transparansi film diuji dengan spektrometer ultraviolet-tampak (Agilent Cary 6000i). Untuk pengujian saat regangan berada di sepanjang arah tegak lurus aliran arus, fotolitografi dan plasma O2 digunakan untuk membuat pola struktur grafena menjadi strip (lebar ~300 μm dan panjang ~2000 μm), dan elektroda Au (50 nm) diendapkan secara termal menggunakan masker bayangan di kedua ujung sisi panjang. Strip graphene kemudian dihubungkan dengan elastomer SEBS (lebar ~2 cm dan panjang ~5 cm), dengan sumbu panjang strip sejajar dengan sisi pendek SEBS diikuti oleh etsa BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) dan galium indium eutektik (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 in situ, kami mengukur perubahan resistansinya di bawah regangan pada stasiun probe dengan penganalisa semikonduktor (Keithley 4200-SCS).
Transistor karbon penuh yang sangat elastis dan transparan pada substrat elastis dibuat dengan prosedur berikut untuk menghindari kerusakan pelarut organik pada polimer dielektrik dan substrat. Struktur MGG dipindahkan ke SEBS sebagai elektroda gerbang. Untuk memperoleh lapisan dielektrik polimer film tipis yang seragam (ketebalan 2 μm), larutan toluena SEBS (80 mg/ml) dilapisi putar pada substrat SiO2/Si yang dimodifikasi oktadesiltriklorosilana (OTS) pada 1000 rpm selama 1 menit. Film dielektrik tipis dapat dengan mudah dipindahkan dari permukaan OTS hidrofobik ke substrat SEBS yang dilapisi dengan grafen 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/SiO2/Si berpola, 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 listrik di bawah tekanan dilakukan pada pengaturan peregangan manual seperti metode yang disebutkan sebelumnya.
Materi tambahan untuk artikel ini tersedia di http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
gbr. S1. Gambar mikroskop optik MGG monolayer pada substrat SiO2/Si pada perbesaran yang berbeda.
gbr. S4. Perbandingan resistansi dan transmitansi dua lembar probe pada 550 nm dari graphene polos mono-, bi- dan trilayer (kotak hitam), MGG (lingkaran merah), dan CNT (segitiga biru).
gbr. S7. Perubahan resistansi yang dinormalkan dari MGG mono- dan dwilapis (hitam) dan G (merah) di bawah pembebanan regangan siklik ~1000 hingga regangan paralel 40 dan 90%.
gbr. S10. Gambar SEM trilayer MGG pada elastomer SEBS setelah regangan, menunjukkan persilangan gulungan panjang pada beberapa retakan.
gbr. S12. Gambar AFM dari trilayer MGG pada elastomer SEBS yang sangat tipis pada regangan 20%, menunjukkan adanya gulungan yang melintasi retakan.
Tabel S1. Mobilitas transistor karbon nanotube berdinding tunggal MGG dua lapis pada panjang saluran yang berbeda sebelum dan sesudah regangan.
Ini adalah artikel akses terbuka yang didistribusikan berdasarkan 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 asalkan karya asli dikutip dengan benar.
CATATAN: Kami hanya meminta alamat email Anda agar orang yang Anda rekomendasikan halaman tersebut tahu bahwa Anda ingin mereka melihatnya, dan bahwa itu bukan email sampah. Kami tidak menangkap alamat email apa pun.
Pertanyaan ini untuk menguji apakah Anda pengunjung manusia 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.