أقطاب الجرافين فائقة الشفافية وقابلة للتمدد

تعد المواد ثنائية الأبعاد، مثل الجرافين، جذابة لكل من تطبيقات أشباه الموصلات التقليدية والتطبيقات الناشئة في مجال الإلكترونيات المرنة. ومع ذلك، فإن قوة الشد العالية للجرافين تؤدي إلى التكسر عند الضغط المنخفض، مما يجعل من الصعب الاستفادة من خصائصه الإلكترونية غير العادية في الإلكترونيات القابلة للتمدد. لتمكين الأداء الممتاز المعتمد على الإجهاد لموصلات الجرافين الشفافة، أنشأنا لفائف الجرافين النانوية بين طبقات الجرافين المكدسة، والتي يشار إليها باسم لفائف الجرافين / الجرافين متعددة الطبقات (MGGs). وتحت الضغط، قامت بعض اللفائف بسد مجالات الجرافين المجزأة للحفاظ على شبكة ترشيح مكنت من التوصيلية الممتازة عند الإجهادات العالية. احتفظت MGGs ثلاثية الطبقات المدعومة على اللدائن بنسبة 65% من موصليتها الأصلية عند إجهاد 100%، وهو ما يكون متعامدًا مع اتجاه تدفق التيار، في حين احتفظت أفلام الجرافين ثلاثية الطبقات بدون لفائف نانوية بنسبة 25% فقط من موصليتها الأولية. أظهر ترانزستور كربوني قابل للتمدد تم تصنيعه باستخدام MGGs كأقطاب كهربائية نفاذية تزيد عن 90% واحتفظ بنسبة 60% من خرج التيار الأصلي عند إجهاد 120% (بالتوازي مع اتجاه نقل الشحنة). يمكن لهذه الترانزستورات المصنوعة من الكربون بالكامل والشفافة والمطاطة للغاية أن تتيح إمكانية الحصول على إلكترونيات بصرية متطورة وقابلة للتمدد.
تعد الإلكترونيات الشفافة القابلة للتمدد مجالًا متناميًا له تطبيقات مهمة في الأنظمة المتكاملة حيويًا المتقدمة (1، 2) بالإضافة إلى إمكانية التكامل مع الإلكترونيات الضوئية القابلة للتمدد (3، 4) لإنتاج روبوتات وشاشات لينة متطورة. يُظهر الجرافين خصائص مرغوبة للغاية من حيث السُمك الذري، والشفافية العالية، والموصلية العالية، ولكن تم تثبيط تطبيقه في التطبيقات القابلة للتمدد بسبب ميله إلى التشقق عند السلالات الصغيرة. إن التغلب على القيود الميكانيكية للجرافين يمكن أن يتيح وظائف جديدة في الأجهزة الشفافة القابلة للتمدد.
الخصائص الفريدة للجرافين تجعله مرشحًا قويًا للجيل القادم من الأقطاب الكهربائية الموصلة الشفافة (5، 6). بالمقارنة مع الموصل الشفاف الأكثر استخدامًا، أكسيد القصدير الإنديوم [ITO؛ 100 أوم / مربع (مربع) بشفافية 90٪]، يحتوي الجرافين أحادي الطبقة المزروع بواسطة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) على مزيج مماثل من مقاومة الصفائح (125 أوم / مربع) والشفافية (97.4٪) (5). بالإضافة إلى ذلك، تتمتع أفلام الجرافين بمرونة غير عادية مقارنة بـ ITO (7). على سبيل المثال، على ركيزة بلاستيكية، يمكن الاحتفاظ بالتوصيل حتى بالنسبة لنصف قطر انحناء صغير يصل إلى 0.8 مم (8). لتعزيز أدائها الكهربائي كموصل مرن وشفاف، طورت الأعمال السابقة مواد هجينة من الجرافين باستخدام أسلاك فضية أحادية البعد (1D) أو أنابيب نانوية كربونية (CNTs) (9-11). علاوة على ذلك، تم استخدام الجرافين كأقطاب كهربائية لأشباه الموصلات ذات البنية غير المتجانسة الأبعاد (مثل Si 2D السائبة، والأسلاك/الأنابيب النانوية 1D، والنقاط الكمومية 0D) (12)، والترانزستورات المرنة، والخلايا الشمسية، والثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) (13). -23).
على الرغم من أن الجرافين أظهر نتائج واعدة للإلكترونيات المرنة، إلا أن تطبيقه في الإلكترونيات القابلة للتمدد كان محدودًا بسبب خواصه الميكانيكية (17، 24، 25)؛ يمتلك الجرافين صلابة في المستوى تبلغ 340 نيوتن/م ومعامل يونج يبلغ 0.5 طن باسكال (26). لا توفر شبكة الكربون-الكربون القوية أي آليات لتبديد الطاقة للإجهاد المطبق، وبالتالي تتشقق بسهولة عند إجهاد أقل من 5%. على سبيل المثال، يمكن للجرافين CVD المنقول إلى ركيزة مرنة من البولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS) الحفاظ على موصليته فقط عند إجهاد أقل من 6% (8). تظهر الحسابات النظرية أن التجعد والتفاعل بين الطبقات المختلفة يجب أن يقلل بشدة من الصلابة (26). من خلال تكديس الجرافين في طبقات متعددة، تم الإبلاغ عن أن هذا الجرافين ثنائي أو ثلاثي الطبقات قابل للتمدد إلى إجهاد بنسبة 30٪، مما يُظهر تغيرًا في المقاومة أصغر 13 مرة من مقاومة الجرافين أحادي الطبقة (27). ومع ذلك، لا تزال قابلية التمدد أقل بكثير من الموصلات الحديثة القابلة للتمدد (28، 29).
تعتبر الترانزستورات مهمة في التطبيقات القابلة للتمدد لأنها تمكن من قراءة أجهزة الاستشعار المتطورة وتحليل الإشارات (30، 31). يمكن للترانزستورات الموجودة على PDMS مع الجرافين متعدد الطبقات كأقطاب المصدر/التصريف ومواد القناة الحفاظ على الوظيفة الكهربائية حتى 5% من الإجهاد (32)، وهو أقل بكثير من الحد الأدنى للقيمة المطلوبة (~ 50%) لأجهزة استشعار مراقبة الصحة القابلة للارتداء والجلد الإلكتروني ( 33، 34). في الآونة الأخيرة، تم استكشاف نهج الجرافين كيريجامي، ويمكن تمديد الترانزستور المسور بواسطة المنحل بالكهرباء السائل إلى ما يصل إلى 240٪ (35). ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة الجرافين المعلق، مما يعقد عملية التصنيع.
هنا ، نحقق أجهزة جرافين قابلة للتمدد بدرجة عالية عن طريق إقحام لفائف الجرافين (بطول يتراوح من 1 إلى 20 ميكرومترًا وعرضها من 0.1 إلى 1 ميكرومتر وارتفاعها من 10 إلى 100 نانومتر) بين طبقات الجرافين. نحن نفترض أن لفائف الجرافين هذه يمكن أن توفر مسارات موصلة لسد الشقوق في صفائح الجرافين، وبالتالي الحفاظ على الموصلية العالية تحت الضغط. لا تتطلب مخطوطات الجرافين توليفًا أو عملية إضافية؛ يتم تشكيلها بشكل طبيعي أثناء إجراء النقل الرطب. باستخدام أقطاب الجرافين القابلة للتمدد متعددة الطبقات G/G (الجرافين/ الجرافين) (MGGs) (المصدر/المصرف والبوابة) والأنابيب النانوية الكربونية شبه الموصلة، تمكنا من إظهار ترانزستورات الكربون بالكامل عالية الشفافية وقابلة للتمدد للغاية، والتي يمكن تمديدها إلى 120 درجة. إجهاد % (موازي لاتجاه نقل الشحنة) ويحتفظ بـ 60% من خرج التيار الأصلي. هذا هو الترانزستور الكربوني الشفاف الأكثر قابلية للتمدد حتى الآن، ويوفر تيارًا كافيًا لتشغيل مصباح LED غير عضوي.
لتمكين أقطاب الجرافين الشفافة والقابلة للتمدد على مساحة كبيرة، اخترنا الجرافين المزروع CVD على رقائق النحاس. تم تعليق رقائق النحاس في وسط أنبوب الكوارتز CVD للسماح بنمو الجرافين على كلا الجانبين، وتشكيل هياكل G / Cu / G . لنقل الجرافين، قمنا أولاً بتغطية طبقة رقيقة من بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) لحماية جانب واحد من الجرافين، والذي أطلقنا عليه اسم الجرافين العلوي (والعكس صحيح بالنسبة للجانب الآخر من الجرافين)، وبعد ذلك، تم نقع الفيلم بأكمله (PMMA / الجرافين العلوي / النحاس / الجرافين السفلي) في محلول (NH4) 2S2O8 لحفر رقائق النحاس. من المؤكد أن الجرافين الموجود في الجانب السفلي بدون طلاء PMMA سيكون به شقوق وعيوب تسمح للنقش بالاختراق (36، 37). كما هو موضح في الشكل 1A، تحت تأثير التوتر السطحي، تم لف مجالات الجرافين المحررة في لفائف ثم تم ربطها لاحقًا بالفيلم المتبقي من الجزء العلوي G/PMMA. يمكن نقل لفائف G/G العلوية إلى أي ركيزة، مثل SiO2/Si، أو الزجاج، أو البوليمر الناعم. تكرار عملية النقل هذه عدة مرات على نفس الركيزة يعطي هياكل MGG.
(أ) رسم تخطيطي لإجراءات تصنيع MGGs كقطب كهربائي لمط. أثناء نقل الجرافين، تم كسر الجرافين الخلفي على رقائق النحاس عند الحدود والعيوب، وتم لفه إلى أشكال عشوائية، وتم تثبيته بإحكام على الأفلام العلوية، مكونًا لفائف نانوية. الرسم الكارتوني الرابع يصور هيكل MGG المكدس. (B وC) توصيفات TEM عالية الدقة لـ MGG أحادي الطبقة، مع التركيز على الجرافين أحادي الطبقة (B) ومنطقة التمرير (C)، على التوالي. الشكل الداخلي (B) عبارة عن صورة منخفضة التكبير توضح الشكل العام لـ MGGs أحادي الطبقة على شبكة TEM. إدراجات (C) هي ملفات تعريف الكثافة المأخوذة على طول الصناديق المستطيلة المشار إليها في الصورة، حيث تكون المسافات بين المستويات الذرية 0.34 و 0.41 نانومتر. ( D ) طيف EEL من الكربون K-edge مع قمم الجرافيت المميزة π * و σ * المسمى. (E) صورة AFM مقطعية لمخطوطات G/G أحادية الطبقة مع ملف تعريف الارتفاع على طول الخط المنقط الأصفر. (F إلى I) المجهر الضوئي وصور AFM لثلاث طبقات G بدون (F وH) ومع مخطوطات (G وI) على ركائز SiO2/Si بسمك 300 نانومتر، على التوالي. تم تصنيف اللفائف والتجاعيد التمثيلية لتسليط الضوء على الاختلافات بينهما.
للتحقق من أن اللفائف عبارة عن جرافين ملفوف بطبيعته، أجرينا دراسات مجهرية إلكترونية عالية الدقة (TEM) ومطيافية لفقد طاقة الإلكترون (EEL) على هياكل التمرير أحادية الطبقة العلوية G/G. يوضح الشكل 1B البنية السداسية للجرافين أحادي الطبقة، والشكل الداخلي عبارة عن مورفولوجيا شاملة للفيلم المغطى بثقب كربون واحد لشبكة TEM. يمتد الجرافين أحادي الطبقة على معظم الشبكة، وتظهر بعض رقائق الجرافين في وجود أكوام متعددة من الحلقات السداسية (الشكل 1ب). من خلال تكبير التمرير الفردي (الشكل 1C)، لاحظنا كمية كبيرة من هامش شعرية الجرافين، مع تباعد شعرية في حدود 0.34 إلى 0.41 نانومتر. تشير هذه القياسات إلى أن الرقائق تم لفها بشكل عشوائي وليست من الجرافيت المثالي، الذي يحتوي على تباعد شبكي قدره 0.34 نانومتر في تكديس طبقة "ABAB". يوضح الشكل 1D طيف EEL الكربوني K-edge، حيث تنشأ الذروة عند 285 فولتًا من المدار π* والأخرى حوالي 290 فولت بسبب انتقال المدار σ*. يمكن ملاحظة أن ترابط sp2 يهيمن على هذا الهيكل، مما يؤكد أن اللفائف ذات رسومية عالية.
توفر صور الفحص المجهري البصري ومجهر القوة الذرية (AFM) نظرة ثاقبة لتوزيع لفائف الجرافين النانوية في MGGs (الشكل 1، من E إلى G، والتين S1 وS2). يتم توزيع اللفائف بشكل عشوائي على السطح، وتزداد كثافتها في المستوى بشكل متناسب مع عدد الطبقات المكدسة. تتشابك العديد من اللفائف في عقد وتظهر ارتفاعات غير منتظمة في حدود 10 إلى 100 نانومتر. يبلغ طولها من 1 إلى 20 ميكرومترًا وعرضها من 0.1 إلى 1 ميكرومتر، اعتمادًا على أحجام رقائق الجرافين الأولية. كما هو مبين في الشكل 1 (H وI)، فإن اللفائف لها أحجام أكبر بكثير من التجاعيد، مما يؤدي إلى واجهة أكثر خشونة بين طبقات الجرافين.
لقياس الخواص الكهربائية، قمنا بتصميم أفلام الجرافين مع أو بدون هياكل التمرير وتكديس الطبقات في شرائح بعرض 300 ميكرومتر وطول 2000 ميكرومتر باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية. تم قياس مقاومتين مسبارتين كدالة للضغط في ظل الظروف المحيطة. أدى وجود اللفائف إلى تقليل مقاومة الجرافين أحادي الطبقة بنسبة 80% مع انخفاض بنسبة 2.2% فقط في النفاذية (الشكل S4). وهذا يؤكد أن اللفائف النانوية، التي تتمتع بكثافة تيار عالية تصل إلى 5 × 107 أمبير/سم2 (38، 39)، تقدم مساهمة كهربائية إيجابية للغاية في MGGs. من بين جميع الجرافين العادي أحادي وثنائي وثلاثي الطبقات وMGGs، تتمتع طبقة MGG ثلاثية الطبقات بأفضل توصيل مع شفافية تبلغ 90٪ تقريبًا. للمقارنة مع مصادر الجرافين الأخرى المذكورة في الأدبيات، قمنا أيضًا بقياس مقاومات الصفائح ذات الأربعة مسبار (الشكل S5) وأدرجناها كدالة للنفاذية عند 550 نانومتر (الشكل S6) في الشكل 2A. يُظهر MGG موصلية وشفافية مماثلة أو أعلى من الجرافين العادي متعدد الطبقات المكدس صناعيًا وأكسيد الجرافين المخفض (RGO) (6، 8، 18). لاحظ أن مقاومة الصفائح للجرافين العادي متعدد الطبقات المكدس بشكل مصطنع من الأدبيات أعلى قليلاً من مقاومة MGG لدينا، ربما بسبب ظروف نموها غير المحسنة وطريقة النقل .
(أ) مقاومة صفائح ذات أربعة مسبار مقابل النفاذية عند 550 نانومتر لعدة أنواع من الجرافين، حيث تشير المربعات السوداء إلى MGGs أحادية وثنائية وثلاثية الطبقات؛ تتوافق الدوائر الحمراء والمثلثات الزرقاء مع الجرافين العادي متعدد الطبقات المزروع على Cu و Ni من دراسات Li et al. (6) وكيم وآخرون. (8)، على التوالي، ثم نقلها بعد ذلك إلى SiO2/Si أو الكوارتز؛ والمثلثات الخضراء هي قيم لـ RGO بدرجات اختزال مختلفة من دراسة Bonaccorso et al. (18). (B و C) تغيير المقاومة الطبيعي لـ MGGs أحادية وثنائية وثلاثية الطبقات وG كدالة للسلالة العمودية (B) والمتوازية (C) لاتجاه تدفق التيار. (د) تغيير المقاومة الطبيعية لطبقة ثنائية G (أحمر) وMGG (أسود) تحت تحميل سلالة دوري يصل إلى 50% سلالة عمودية. (E) تغيير المقاومة الطبيعية للطبقة الثلاثية G (الأحمر) وMGG (الأسود) تحت تحميل سلالة دورية تصل إلى 90٪ من السلالة المتوازية. ( F ) تغيير السعة الطبيعية لـ MGGs أحادية وثنائية وثلاثية الطبقات و MGGs ثنائية وثلاثية الطبقات كوظيفة للسلالة. الشكل الداخلي هو هيكل المكثف، حيث تكون الركيزة البوليمرية هي SEBS والطبقة العازلة البوليمرية هي SEBS التي يبلغ سمكها 2 ميكرومتر.
لتقييم أداء MGG المعتمد على الإجهاد، قمنا بنقل الجرافين إلى ركائز من اللدائن الحرارية المصنوعة من الستيرين والإيثيلين والبوتادين والستايرين (SEBS) (عرضها حوالي 2 سم وطولها حوالي 5 سم)، وتم قياس الموصلية عندما تم تمديد الركيزة (انظر المواد والأساليب) متعامدة ومتوازية مع اتجاه التدفق الحالي (الشكل 2، B وC). تحسن السلوك الكهربائي المعتمد على الإجهاد من خلال دمج التمريرات النانوية وزيادة أعداد طبقات الجرافين. على سبيل المثال، عندما يكون الانفعال عموديًا على تدفق التيار، بالنسبة للجرافين أحادي الطبقة، أدت إضافة اللفائف إلى زيادة الانفعال عند الكسر الكهربائي من 5 إلى 70%. تم أيضًا تحسين تحمل الضغط للجرافين ثلاثي الطبقات بشكل ملحوظ مقارنةً بالجرافين أحادي الطبقة. مع اللفائف النانوية، عند إجهاد عمودي بنسبة 100%، زادت مقاومة هيكل MGG ثلاثي الطبقات بنسبة 50% فقط، مقارنة بـ 300% للجرافين ثلاثي الطبقات بدون لفائف. تمت دراسة تغير المقاومة تحت تحميل الضغط الدوري. للمقارنة (الشكل 2D)، زادت مقاومة طبقة الجرافين العادية بحوالي 7.5 مرة بعد حوالي 700 دورة عند إجهاد عمودي بنسبة 50% واستمرت في الزيادة مع الإجهاد في كل دورة. من ناحية أخرى، زادت مقاومة MGG ثنائية الطبقة حوالي 2.5 مرة فقط بعد 700 دورة تقريبًا. بتطبيق ما يصل إلى 90٪ من الضغط على طول الاتجاه الموازي، زادت مقاومة الجرافين ثلاثي الطبقات ~ 100 مرة بعد 1000 دورة، في حين أنها تصل إلى 8 مرات فقط في طبقة ثلاثية MGG (الشكل 2E). تظهر نتائج ركوب الدراجات في الشكل. س7. الزيادة الأسرع نسبيًا في المقاومة على طول اتجاه الإجهاد الموازي ترجع إلى أن اتجاه الشقوق يكون عموديًا على اتجاه تدفق التيار. يرجع انحراف المقاومة أثناء التحميل والتفريغ إلى الاسترداد اللزج للركيزة المطاطية SEBS. ترجع المقاومة الأكثر استقرارًا لشرائط MGG أثناء ركوب الدراجات إلى وجود لفائف كبيرة يمكنها سد الأجزاء المتشققة من الجرافين (كما لاحظ AFM)، مما يساعد في الحفاظ على مسار الترشيح. تم الإبلاغ عن هذه الظاهرة المتمثلة في الحفاظ على الموصلية عن طريق مسار الترشيح من قبل بالنسبة للأفلام المعدنية أو أشباه الموصلات المتشققة على ركائز المطاط الصناعي (40، 41).
لتقييم هذه الأفلام القائمة على الجرافين كأقطاب كهربائية للبوابة في الأجهزة القابلة للمط، قمنا بتغطية طبقة الجرافين بطبقة عازلة SEBS (بسمك 2 ميكرومتر) وراقبنا تغير السعة العازلة كدالة للإجهاد (انظر الشكل 2F والمواد التكميلية لـ تفاصيل). لاحظنا أن السعات مع أقطاب الجرافين أحادية الطبقة وثنائية الطبقة انخفضت بسرعة بسبب فقدان موصلية الجرافين داخل الطائرة. في المقابل، أظهرت السعات المبوبة بواسطة MGGs وكذلك الجرافين ثلاثي الطبقات العادي زيادة في السعة مع السلالة، وهو أمر متوقع بسبب انخفاض سمك العزل الكهربائي مع السلالة. تتوافق الزيادة المتوقعة في السعة بشكل جيد للغاية مع هيكل MGG (الشكل S8). يشير هذا إلى أن MGG مناسب كقطب بوابة للترانزستورات القابلة للتمدد.
لمزيد من التحقيق في دور تمرير الجرافين 1D في تحمل سلالة التوصيل الكهربائي والتحكم بشكل أفضل في الفصل بين طبقات الجرافين، استخدمنا الأنابيب النانوية الكربونية المطلية بالرش لتحل محل لفائف الجرافين (انظر المواد التكميلية). لتقليد هياكل MGG، قمنا بإيداع ثلاث كثافات من الأنابيب النانوية الكربونية (أي CNT1
(من A إلى C) صور AFM لثلاث كثافات مختلفة من الأنابيب النانوية الكربونية (CNT1
لمزيد من فهم قدرتها كأقطاب كهربائية للإلكترونيات القابلة للمط، قمنا بالتحقق بشكل منهجي من مورفولوجيات MGG وG-CNT-G تحت الضغط. لا يعد المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني المسح (SEM) من الطرق الفعالة للتوصيف لأن كلاهما يفتقر إلى تباين الألوان ويخضع SEM لتشوهات الصور أثناء المسح الإلكتروني عندما يكون الجرافين على ركائز بوليمر (الشكلان S9 وS10). لمراقبة سطح الجرافين تحت الضغط في الموقع، قمنا بجمع قياسات AFM على MGGs ثلاثي الطبقات والجرافين العادي بعد نقلها إلى ركائز SEBS رفيعة جدًا (~ 0.1 مم). بسبب العيوب الجوهرية في الجرافين CVD والأضرار الخارجية أثناء عملية النقل، تتولد الشقوق حتمًا على الجرافين المجهد، ومع زيادة الضغط، أصبحت الشقوق أكثر كثافة (الشكل 4، من أ إلى د). اعتمادًا على هيكل التراص للأقطاب الكهربائية المعتمدة على الكربون، تظهر الشقوق أشكالًا مختلفة (الشكل S11) (27). كثافة منطقة الكراك (تُعرف بأنها منطقة الكراك / المنطقة التي تم تحليلها) للجرافين متعدد الطبقات أقل من كثافة الجرافين أحادي الطبقة بعد السلالة، وهو ما يتوافق مع الزيادة في التوصيل الكهربائي لـ MGGs. من ناحية أخرى، غالبًا ما تتم ملاحظة اللفائف وهي تعمل على سد الشقوق، مما يوفر مسارات موصلة إضافية في الفيلم المتوتر. على سبيل المثال، كما هو موضح في صورة الشكل 4B، تم عبور تمرير عريض فوق صدع في الطبقة الثلاثية MGG، ولكن لم يتم ملاحظة أي تمرير في الجرافين العادي (الشكل 4، من E إلى H). وبالمثل، تعمل الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا على سد الشقوق في الجرافين (الشكل S11). تم تلخيص كثافة منطقة الكراك وكثافة منطقة التمرير وخشونة الأفلام في الشكل 4K.
(من A إلى H) صور AFM في الموقع لمخطوطات G/G ثلاثية الطبقات (من A إلى D) وهياكل G ثلاثية الطبقات (من E إلى H) على المطاط الصناعي SEBS الرقيق جدًا (بسمك 0.1 مم تقريبًا) عند 0 و20 و60 و100 ٪ أَضْنَى. تتم الإشارة إلى الشقوق واللفائف التمثيلية بالسهام. جميع صور AFM موجودة في مساحة 15 ميكرومتر × 15 ميكرومتر، باستخدام نفس شريط مقياس الألوان كما هو موضح. (I) هندسة المحاكاة لأقطاب الجرافين أحادية الطبقة المنقوشة على الركيزة SEBS. (J) خريطة كفاف المحاكاة للسلالة اللوغاريتمية الرئيسية القصوى في الجرافين أحادي الطبقة والركيزة SEBS عند سلالة خارجية بنسبة 20٪. (K) مقارنة كثافة منطقة الكراك (العمود الأحمر)، وكثافة منطقة التمرير (العمود الأصفر)، وخشونة السطح (العمود الأزرق) لهياكل الجرافين المختلفة.
عندما يتم تمديد أفلام MGG، هناك آلية إضافية مهمة حيث يمكن لللفائف سد مناطق الجرافين المتشققة، والحفاظ على الشبكة المتسربة. تعتبر لفائف الجرافين واعدة لأنها يمكن أن يصل طولها إلى عشرات الميكرومترات، وبالتالي فهي قادرة على سد الشقوق التي يصل حجمها عادة إلى مقياس ميكرومتر. علاوة على ذلك، نظرًا لأن اللفائف تتكون من طبقات متعددة من الجرافين، فمن المتوقع أن تتمتع بمقاومة منخفضة. بالمقارنة، فإن شبكات CNT كثيفة نسبيًا (نفاذية أقل) مطلوبة لتوفير قدرة توصيل موصلة قابلة للمقارنة، حيث أن الأنابيب النانوية الكربونية أصغر (عادةً بضعة ميكرومترات في الطول) وأقل موصلية من اللفائف. ومن ناحية أخرى، كما هو مبين في الشكل. S12، في حين أن الجرافين يتشقق أثناء التمدد لاستيعاب الإجهاد، فإن اللفائف لا تتشقق، مما يشير إلى أن الأخير قد ينزلق على الجرافين الأساسي. من المحتمل أن يرجع سبب عدم تشققها إلى البنية الملفوفة، المكونة من عدة طبقات من الجرافين (يبلغ طولها من 1 إلى 20 ميكرومتر، وعرضها من 0.1 إلى 1 ميكرومتر، وارتفاعها من 10 إلى 100 نانومتر)، والتي لها معامل فعال أعلى من الجرافين أحادي الطبقة. كما ذكر Green and Hersam (42)، يمكن لشبكات CNT المعدنية (قطر الأنبوب 1.0 نانومتر) تحقيق مقاومة منخفضة للصفائح أقل من 100 أوم/مربع على الرغم من مقاومة الوصلات الكبيرة بين الأنابيب النانوية الكربونية. بالنظر إلى أن عرض لفائف الجرافين لدينا يتراوح من 0.1 إلى 1 ميكرومتر وأن لفائف G / G بها مناطق اتصال أكبر بكثير من الأنابيب النانوية الكربونية، فإن مقاومة التلامس ومنطقة التلامس بين لفائف الجرافين والجرافين لا ينبغي أن تكون عوامل مقيدة للحفاظ على الموصلية العالية.
يحتوي الجرافين على معامل أعلى بكثير من الركيزة SEBS. على الرغم من أن السُمك الفعال لقطب الجرافين أقل بكثير من سُمك الركيزة، إلا أن صلابة الجرافين أضعاف سُمكه تكون مماثلة لتلك الخاصة بالركيزة (43، 44)، مما يؤدي إلى تأثير جزيرة صلبة معتدل. قمنا بمحاكاة تشوه الجرافين بسمك 1 نانومتر على ركيزة SEBS (انظر المواد التكميلية للحصول على التفاصيل). وفقًا لنتائج المحاكاة، عند تطبيق سلالة 20% على ركيزة SEBS خارجيًا، يكون متوسط ​​الإجهاد في الجرافين ~6.6% (الشكل 4J والشكل S13D)، وهو ما يتوافق مع الملاحظات التجريبية (انظر الشكل S13) . قمنا بمقارنة السلالة في مناطق الجرافين والركيزة المنقوشة باستخدام المجهر الضوئي ووجدنا أن السلالة في منطقة الركيزة تبلغ ضعف السلالة في منطقة الجرافين على الأقل. يشير هذا إلى أن الضغط المطبق على أنماط قطب الجرافين يمكن أن يكون محصورًا بشكل كبير، مما يشكل جزر جرافين صلبة أعلى SEBS (26، 43، 44).
لذلك، من المحتمل أن يتم تمكين قدرة أقطاب MGG على الحفاظ على الموصلية العالية تحت ضغط عالٍ من خلال آليتين رئيسيتين: (1) يمكن لللفائف سد المناطق المنفصلة للحفاظ على مسار ترشيح موصل، و (2) قد تنزلق صفائح الجرافين / المطاط الصناعي متعددة الطبقات فوق بعضها البعض، مما يؤدي إلى تقليل الضغط على أقطاب الجرافين. بالنسبة للطبقات المتعددة من الجرافين المنقول على المطاط الصناعي، لا ترتبط الطبقات بقوة مع بعضها البعض، مما قد ينزلق استجابة للإجهاد (27). زادت اللفائف أيضًا من خشونة طبقات الجرافين، مما قد يساعد في زيادة الفصل بين طبقات الجرافين وبالتالي تمكين انزلاق طبقات الجرافين.
يتم متابعة الأجهزة المصنوعة من الكربون بالكامل بحماس بسبب التكلفة المنخفضة والإنتاجية العالية. في حالتنا، تم تصنيع الترانزستورات الكربونية بالكامل باستخدام بوابة جرافين سفلية، ونقطة اتصال علوية لمصدر/تصريف الجرافين، وأشباه موصلات CNT مصنفة، وSEBS كعازل كهربائي (الشكل 5A). كما هو مبين في الشكل 5 ب، فإن الجهاز المصنوع بالكامل من الكربون والذي يحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية كمصدر/صرف وبوابة (الجهاز السفلي) يكون أكثر عتامة من الجهاز الذي يحتوي على أقطاب الجرافين (الجهاز العلوي). وذلك لأن شبكات CNT تتطلب سماكات أكبر، وبالتالي، نفاذيات بصرية أقل لتحقيق مقاومة للصفائح مماثلة لتلك الموجودة في الجرافين (الشكل S4). يوضح الشكل 5 (C وD) منحنيات النقل والإخراج التمثيلية قبل الضغط على الترانزستور المصنوع من أقطاب MGG ثنائية الطبقة. كان عرض القناة وطول الترانزستور غير المقيد 800 و 100 ميكرومتر على التوالي. نسبة التشغيل/الإيقاف المقاسة أكبر من 103 مع تيارات التشغيل والإيقاف عند مستويات 10−5 و10−8 A، على التوالي. يُظهر منحنى الخرج أنظمة خطية وتشبع مثالية مع اعتماد واضح على جهد البوابة، مما يشير إلى الاتصال المثالي بين الأنابيب النانوية الكربونية وأقطاب الجرافين (45). وقد لوحظ أن مقاومة التلامس مع أقطاب الجرافين أقل من تلك الموجودة في فيلم Au المتبخر (انظر الشكل S14). تبلغ حركة التشبع للترانزستور القابل للتمدد حوالي 5.6 سم2/فولت، مماثلة لتلك الموجودة في نفس ترانزستورات CNT المصنفة بالبوليمر على ركائز Si صلبة مع 300 نانومتر SiO2 كطبقة عازلة. من الممكن تحقيق المزيد من التحسن في الحركة من خلال كثافة الأنبوب المحسنة وأنواع أخرى من الأنابيب (46).
(أ) مخطط الترانزستور لمط القائم على الجرافين. SWNTs، أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار. (ب) صورة للترانزستورات القابلة للتمدد المصنوعة من أقطاب الجرافين (أعلى) وأقطاب CNT (أسفل). الفرق في الشفافية ملحوظ بشكل واضح. (C وD) منحنيات النقل والإخراج للترانزستور القائم على الجرافين على SEBS قبل الضغط. (E وF) نقل المنحنيات، وإيقاف التيار، ونسبة التشغيل/الإيقاف، وتنقل الترانزستور القائم على الجرافين في سلالات مختلفة.
عندما تم تمديد الجهاز الشفاف المصنوع من الكربون بالكامل في الاتجاه الموازي لاتجاه نقل الشحنة، لوحظ الحد الأدنى من التدهور الذي يصل إلى 120٪ من الإجهاد. أثناء التمدد، انخفضت الحركة بشكل مستمر من 5.6 سم2/Vs عند إجهاد 0% إلى 2.5 سم2/Vs عند إجهاد 120% (الشكل 5F). قمنا أيضًا بمقارنة أداء الترانزستور لأطوال القنوات المختلفة (انظر الجدول S1). بشكل ملحوظ، عند ضغط كبير يصل إلى 105%، لا تزال جميع هذه الترانزستورات تظهر نسبة تشغيل/إيقاف عالية (>103) وقابلية تنقل (>3 سم2/فولت). بالإضافة إلى ذلك، قمنا بتلخيص جميع الأعمال الحديثة المتعلقة بالترانزستورات الكربونية بالكامل (انظر الجدول S2) (47-52). من خلال تحسين تصنيع الأجهزة على اللدائن واستخدام MGGs كجهات اتصال، تظهر الترانزستورات المصنوعة من الكربون بالكامل أداءً جيدًا من حيث الحركة والتباطؤ بالإضافة إلى كونها قابلة للتمدد بدرجة كبيرة.
كتطبيق للترانزستور الشفاف والمطاط بالكامل، استخدمناه للتحكم في تبديل LED (الشكل 6A). كما هو مبين في الشكل 6B، يمكن رؤية مؤشر LED الأخضر بوضوح من خلال الجهاز الكربوني القابل للتمدد الموجود أعلاه مباشرة. بينما تمتد إلى ~ 100% (الشكل 6، C وD)، لا تتغير شدة ضوء LED، وهو ما يتوافق مع أداء الترانزستور الموصوف أعلاه (انظر الفيلم S1). هذا هو التقرير الأول لوحدات التحكم القابلة للتمدد المصنوعة باستخدام أقطاب الجرافين، مما يدل على إمكانية جديدة للإلكترونيات القابلة للتمدد من الجرافين.
(أ) دائرة الترانزستور لتشغيل LED. جي إن دي، الأرض. (ب) صورة للترانزستور الكربوني القابل للتمدد والشفاف عند 0% سلالة مثبتة فوق مصباح LED أخضر. (C) يتم تركيب الترانزستور الشفاف والمطاط المصنوع من الكربون بالكامل والمستخدم لتبديل LED فوق LED عند 0% (يسار) وإجهاد 100% تقريبًا (يمين). تشير الأسهم البيضاء إلى العلامات الصفراء الموجودة على الجهاز لإظهار تغير المسافة الذي يتم تمديده. (د) منظر جانبي للترانزستور الممتد، مع دفع LED إلى المطاط الصناعي.
في الختام، قمنا بتطوير بنية جرافين موصلة شفافة تحافظ على الموصلية العالية تحت سلالات كبيرة كأقطاب كهربائية قابلة للتمدد، وممكنة بواسطة لفائف الجرافين النانوية بين طبقات الجرافين المكدسة. يمكن لهياكل القطب الكهربائي MGG ثنائية وثلاثية الطبقات الموجودة على المطاط الصناعي أن تحافظ على 21 و65%، على التوالي، من موصلية الإجهاد بنسبة 0% عند إجهاد يصل إلى 100%، مقارنة بالفقدان الكامل للموصلية عند إجهاد 5% لأقطاب الجرافين أحادية الطبقة النموذجية. . تساهم المسارات الموصلة الإضافية لتمرير الجرافين بالإضافة إلى التفاعل الضعيف بين الطبقات المنقولة في استقرار التوصيل الفائق تحت الضغط. قمنا أيضًا بتطبيق هيكل الجرافين هذا لتصنيع ترانزستورات قابلة للتمدد مصنوعة من الكربون بالكامل. حتى الآن، هذا هو الترانزستور الأكثر مرونة القائم على الجرافين مع أفضل الشفافية دون استخدام التواء. على الرغم من أن الدراسة الحالية أجريت لتمكين الجرافين من صناعة الإلكترونيات القابلة للتمدد، إلا أننا نعتقد أنه يمكن توسيع هذا النهج ليشمل مواد أخرى ثنائية الأبعاد لتمكين الإلكترونيات ثنائية الأبعاد القابلة للتمدد.
تمت زراعة جرافين CVD بمساحة كبيرة على رقائق النحاس المعلقة (99.999٪ ؛ Alfa Aesar) تحت ضغط ثابت قدره 0.5 متر مكعب مع 50-SCCM (سنتيمتر مكعب قياسي في الدقيقة) CH4 و20-SCCM H2 كسلائف عند 1000 درجة مئوية. تمت تغطية كلا الجانبين من رقائق النحاس بواسطة الجرافين أحادي الطبقة. تم تدوير طبقة رقيقة من PMMA (2000 دورة في الدقيقة؛ A4، Microchem) على جانب واحد من رقائق النحاس، لتشكل هيكل رقائق PMMA/G/Cu/G. بعد ذلك، تم نقع الفيلم بأكمله في محلول 0.1 م من كبريتات الأمونيوم [(NH4)2S2O8] لمدة ساعتين تقريبًا لحفر رقاقة النحاس. خلال هذه العملية، تمزق الجزء الخلفي غير المحمي من الجرافين أولاً على طول حدود الحبوب ثم تم لفه على شكل لفائف بسبب التوتر السطحي. تم إرفاق اللفائف بفيلم الجرافين العلوي المدعوم من PMMA، لتشكل لفائف PMMA/G/G. تم بعد ذلك غسل الأغشية في ماء منزوع الأيونات عدة مرات ووضعها على ركيزة مستهدفة، مثل ركيزة صلبة SiO2/Si أو ركيزة بلاستيكية. بمجرد تجفيف الفيلم المرفق على الركيزة، يتم نقع العينة بشكل تسلسلي في الأسيتون، والأسيتون/IPA 1:1 (كحول الأيزوبروبيل)، وIPA لمدة 30 ثانية لكل منهما لإزالة PMMA. تم تسخين الأفلام عند 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة أو حفظها في فراغ طوال الليل لإزالة الماء المحتجز تمامًا قبل نقل طبقة أخرى من تمرير G/G عليها. كانت هذه الخطوة هي تجنب انفصال فيلم الجرافين عن الركيزة وضمان التغطية الكاملة لـ MGGs أثناء إطلاق الطبقة الحاملة PMMA.
وقد لوحظ شكل هيكل MGG باستخدام المجهر الضوئي (لايكا) والمجهر الإلكتروني الماسح (1 كيلو فولت؛ FEI). تم تشغيل مجهر القوة الذرية (Nanscope III، Digital Instrument) في وضع النقر لمراقبة تفاصيل لفائف G. تم اختبار شفافية الفيلم بواسطة مطياف الأشعة فوق البنفسجية المرئية (Agilent Cary 6000i). بالنسبة للاختبارات عندما كانت السلالة على طول الاتجاه العمودي لتدفق التيار، تم استخدام الطباعة الحجرية الضوئية وبلازما O2 لنمط هياكل الجرافين إلى شرائح (عرضها حوالي 300 ميكرومتر وطولها حوالي 2000 ميكرومتر)، وتم ترسيب أقطاب Au (50 نانومتر) حراريًا باستخدام أقنعة الظل على طرفي الجانب الطويل. تم بعد ذلك وضع شرائح الجرافين على اتصال مع المطاط الصناعي SEBS (عرض ~ 2 سم وطول ~ 5 سم) ، مع المحور الطويل للشرائط الموازية للجانب القصير من SEBS متبوعًا بـ BOE (حفر أكسيد مخزن) (HF: H2O) 1:6) النقش والإنديوم الغاليوم سهل الانصهار (EGaIn) كاتصالات كهربائية. بالنسبة لاختبارات الإجهاد المتوازية، تم نقل هياكل الجرافين غير المنقوشة (حوالي 5 × 10 مم) إلى ركائز SEBS، مع محاور طويلة موازية للجانب الطويل من الركيزة SEBS. في كلتا الحالتين، تم تمديد G (بدون مخطوطات G)/SEBS بالكامل على طول الجانب الطويل من المطاط الصناعي في جهاز يدوي، وفي الموقع، قمنا بقياس تغيرات مقاومتها تحت الضغط على محطة مسبار باستخدام محلل أشباه الموصلات (Keithley 4200 -SCS).
تم تصنيع الترانزستورات الكربونية القابلة للتمدد والشفافة للغاية والموجودة على ركيزة مرنة من خلال الإجراءات التالية لتجنب تلف المذيبات العضوية للبوليمر العازل والركيزة. تم نقل هياكل MGG إلى SEBS كأقطاب كهربائية للبوابة. للحصول على طبقة عازلة موحدة من البوليمر ذات الأغشية الرقيقة (سمكها 2 ميكرون) ، تم تدوير محلول التولوين SEBS (80 مجم / مل) على ركيزة أوكتاديسيل ثلاثي كلورو سيلان (OTS) - ركيزة SiO2 / Si معدلة عند 1000 دورة في الدقيقة لمدة دقيقة واحدة. يمكن نقل الفيلم العازل الرقيق بسهولة من سطح OTS الكاره للماء إلى الركيزة SEBS المغطاة بالجرافين المُجهز. يمكن صنع مكثف عن طريق ترسيب قطب كهربائي علوي من المعدن السائل (EGaIn؛ Sigma-Aldrich) لتحديد السعة كدالة للإجهاد باستخدام مقياس LCR (الحث، السعة، المقاومة) (Agilent). يتكون الجزء الآخر من الترانزستور من أنابيب CNT شبه موصلة مصنفة بالبوليمر، وذلك باتباع الإجراءات المذكورة سابقًا (53). تم تصنيع أقطاب المصدر / التصريف المنقوشة على ركائز SiO2 / Si الصلبة. بعد ذلك، تم تصفيح الجزأين، العازل/G/SEBS وCNTs/المنقوش G/SiO2/Si، لبعضهما البعض، ونقعهما في BOE لإزالة الركيزة الصلبة SiO2/Si. وهكذا، تم تصنيع الترانزستورات الشفافة والمطاطة بالكامل. تم إجراء الاختبار الكهربائي تحت الضغط على إعداد التمدد اليدوي بالطريقة المذكورة أعلاه.
المواد التكميلية لهذه المقالة متاحة على http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
تين. S1. صور مجهرية بصرية لـ MGG أحادي الطبقة على ركائز SiO2 / Si بتكبيرات مختلفة.
تين. S4. مقارنة بين مقاومات ونفاذيات الصفائح ثنائية المسبار عند 550 نانومتر من الجرافين العادي أحادي وثنائي وثلاثي الطبقات (المربعات السوداء) وMGG (الدوائر الحمراء) والأنابيب النانوية الكربونية (المثلث الأزرق).
تين. س7. تغيير المقاومة الطبيعي لـ MGGs أحادية وثنائية الطبقة (أسود) وG (أحمر) تحت ~ 1000 سلالة دورية تحمل ما يصل إلى 40 و 90٪ من السلالة المتوازية، على التوالي.
تين. S10. صورة SEM لـ MGG ثلاثية الطبقات على المطاط الصناعي SEBS بعد الإجهاد، تُظهر تقاطعًا طويلًا للتمرير فوق عدة شقوق.
تين. S12. صورة AFM لـ MGG ثلاثية الطبقات على المطاط الصناعي SEBS الرقيق جدًا عند إجهاد 20%، توضح أن التمرير عبر صدعًا.
الجدول S1. تنقلات ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الطبقة MGG بأطوال قنوات مختلفة قبل وبعد الإجهاد.
هذه مقالة ذات وصول مفتوح يتم توزيعها بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution-NonCommercial، الذي يسمح بالاستخدام والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيط، طالما أن الاستخدام الناتج ليس من أجل ميزة تجارية وبشرط أن يكون العمل الأصلي سليمًا. استشهد.
ملاحظة: نحن نطلب عنوان بريدك الإلكتروني فقط حتى يعرف الشخص الذي توصي الصفحة له أنك تريد أن يراها، وأنها ليست بريدًا غير هام. نحن لا نلتقط أي عنوان بريد إلكتروني.
هذا السؤال مخصص لاختبار ما إذا كنت زائرًا بشريًا أم لا ولمنع عمليات الإرسال التلقائية للبريد العشوائي.
بقلم نان ليو، أليكس تشورتوس، تينغ لي، ليهوا جين، تايهو روي كيم، وون-جيو باي، تشينكسين تشو، سيهونغ وانغ، رافائيل بفاتنر، شييوان تشين، روبرت سنكلير، زينان باو
بقلم نان ليو، أليكس تشورتوس، تينغ لي، ليهوا جين، تايهو روي كيم، وون-جيو باي، تشينكسين تشو، سيهونغ وانغ، رافائيل بفاتنر، شييوان تشين، روبرت سنكلير، زينان باو
© 2021 الجمعية الأمريكية لتقدم العلوم. جميع الحقوق محفوظة. AAAS هي شريك لـ HINARI، وAGORA، وOARE، وCHORUS، وCLOCKSS، وCrossRef، وCOUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.