أقطاب الجرافين فائقة الشفافية والمط

المواد ثنائية الأبعاد ، مثل الجرافين ، جذابة لتطبيقات أشباه الموصلات التقليدية والتطبيقات الناشئة في الإلكترونيات المرنة.ومع ذلك ، تؤدي قوة الشد العالية للجرافين إلى التصدع عند إجهاد منخفض ، مما يجعل من الصعب الاستفادة من خصائصه الإلكترونية غير العادية في الإلكترونيات القابلة للمط.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).تحت الضغط ، قامت بعض اللفائف بسد المجالات المجزأة من الجرافين للحفاظ على شبكة الترشيح التي تتيح التوصيل الممتاز في السلالات العالية.احتفظت MGGs ثلاثية الطبقات المدعومة على اللدائن بنسبة 65٪ من توصيلها الأصلي عند إجهاد 100٪ ، وهو عمودي على اتجاه تدفق التيار ، بينما احتفظت أغشية الجرافين ثلاثية الطبقات بدون لفائف نانوية بنسبة 25٪ فقط من موصلية البداية.ترانزستور كربوني قابل للمط مصنوع باستخدام MGGs حيث أظهرت الأقطاب الكهربائية نفاذية تزيد عن 90٪ واحتفظت بـ 60٪ من ناتجها الحالي الأصلي عند إجهاد 120٪ (بالتوازي مع اتجاه نقل الشحنة).يمكن لهذه الترانزستورات الكربونية الشفافة والمطاطة للغاية أن تتيح إلكترونيات بصرية متطورة وقابلة للمط.
تعد الإلكترونيات الشفافة القابلة للتمدد مجالًا متناميًا له تطبيقات مهمة في الأنظمة المتكاملة بيولوجيًا المتقدمة (1 ، 2) بالإضافة إلى إمكانية التكامل مع الإلكترونيات الضوئية القابلة للمط (3 ، 4) لإنتاج روبوتات وشاشات ناعمة متطورة.يُظهر الجرافين خصائص مرغوبة للغاية للسمك الذري ، والشفافية العالية ، والموصلية العالية ، ولكن تم إعاقة تنفيذه في التطبيقات القابلة للمط بسبب ميله إلى التصدع عند السلالات الصغيرة.التغلب على القيود الميكانيكية للجرافين يمكن أن يتيح وظائف جديدة في أجهزة شفافة قابلة للمط.
الخصائص الفريدة للجرافين تجعله مرشحًا قويًا للجيل القادم من الأقطاب الكهربائية الموصلة الشفافة (5 ، 6).مقارنة بالموصل الشفاف الأكثر استخدامًا ، أكسيد القصدير الإنديوم [ITO؛100 أوم / مربع (قدم مربع) عند شفافية 90٪] ، يحتوي الجرافين أحادي الطبقة المزروع بواسطة ترسيب البخار الكيميائي (CVD) على تركيبة مماثلة من مقاومة الألواح (125 أوم / قدم مربع) والشفافية (97.4٪) (5).بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع أفلام الجرافين بمرونة غير عادية مقارنة بأفلام الجرافين (7).على سبيل المثال ، على ركيزة بلاستيكية ، يمكن الاحتفاظ بموصليةها حتى في حالة انحناء نصف قطر انحناء صغير يصل إلى 0.8 مم (8).لتعزيز أدائها الكهربائي كموصل مرن وشفاف ، طورت الأعمال السابقة مواد هجينة من الجرافين مع أسلاك نانوية 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 ذات الأبعاد المختلطة (مثل السائبة ثنائية الأبعاد ، والأسلاك النانوية / الأنابيب النانوية 1D ، والنقاط الكمية 0D) (12) ، والترانزستورات المرنة ، والخلايا الشمسية ، والصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LED) (13) –23).
على الرغم من أن الجرافين أظهر نتائج واعدة للإلكترونيات المرنة ، إلا أن تطبيقه في الإلكترونيات المرنة كان محدودًا بسبب خصائصه الميكانيكية (17 ، 24 ، 25) ؛تبلغ صلابة الجرافين داخل الطائرة 340 نيوتن / م ومعامل يونج 0.5 تيرا باسكال (26).لا توفر شبكة الكربون والكربون القوية أي آليات لتبديد الطاقة للإجهاد المطبق وبالتالي تتشقق بسهولة عند إجهاد أقل من 5٪.على سبيل المثال ، يمكن نقل الجرافين CVD إلى ركيزة مرنة من polydimethylsiloxane (PDMS) فقط الحفاظ على الموصلية عند أقل من 6٪ إجهاد (8).تظهر الحسابات النظرية أن التجعيد 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 حتى 30٪ إجهاد ، ويظهر مقاومة تقل 13 مرة عن تلك الموجودة في الجرافين أحادي الطبقة (27).ومع ذلك ، فإن هذه القابلية للتمدد لا تزال أدنى بكثير من أحدث الموصلات c القابلة للمط (28 ، 29).
تعتبر الترانزستورات مهمة في التطبيقات القابلة للمط لأنها تتيح قراءة حساسة متطورة وتحليل إشارة (30 ، 31).الترانزستورات على PDMS مع الجرافين متعدد الطبقات كأقطاب كهربائية للمصدر / التصريف ومواد القناة يمكن أن تحافظ على الوظيفة الكهربائية حتى 5٪ إجهاد (32) ، وهو أقل بكثير من الحد الأدنى للقيمة المطلوبة (~ 50٪) لأجهزة استشعار المراقبة الصحية القابلة للارتداء والجلد الإلكتروني ( 33 ، 34).في الآونة الأخيرة ، تم استكشاف نهج الجرافين kirigami ، ويمكن شد الترانزستور المحاط بإلكتروليت سائل بنسبة تصل إلى 240٪ (35).ومع ذلك ، تتطلب هذه الطريقة الجرافين المعلق ، مما يعقد عملية التصنيع.
هنا ، نحقق أجهزة جرافين قابلة للمط للغاية عن طريق تقطيع مخطوطات الجرافين (من 1 إلى 20 ميكرومتر ، وعرض 0.1 إلى 1 ميكرومتر ، وارتفاع من 10 إلى 100 نانومتر) بين طبقات الجرافين.نفترض أن لفائف الجرافين هذه يمكن أن توفر مسارات موصلة لسد الشقوق في أوراق الجرافين ، وبالتالي الحفاظ على الموصلية العالية تحت الضغط.لا تتطلب لفائف الجرافين توليف أو عملية إضافية ؛تتشكل بشكل طبيعي أثناء إجراء النقل الرطب.باستخدام لفائف G / G (الجرافين / الجرافين) متعددة الطبقات (MGGs) أقطاب الجرافين المطاطة (المصدر / الصرف والبوابة) وأشباه الموصلات CNTs ، تمكنا من إظهار ترانزستورات كربون عالية الشفافية وقابلة للمط للغاية ، والتي يمكن أن تمتد إلى 120 ٪ إجهاد (موازية لاتجاه نقل الشحنة) وتحتفظ بـ 60٪ من ناتجها الحالي الأصلي.هذا هو الترانزستور الكربوني الأكثر شفافية للمط حتى الآن ، ويوفر تيارًا كافيًا لقيادة مصباح LED غير عضوي.
لتمكين أقطاب الجرافين الشفافة والمطاطة ذات المساحة الكبيرة ، اخترنا الجرافين المزروع بأمراض القلب والأوعية الدموية على رقائق النحاس.تم تعليق رقائق النحاس في وسط أنبوب كوارتز CVD للسماح بنمو الجرافين على كلا الجانبين ، وتشكيل هياكل G / Cu / G.لنقل الجرافين ، قمنا أولاً بتغليف طبقة رقيقة من البولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA) لحماية جانب واحد من الجرافين ، والذي أطلقنا عليه اسم الجرافين العلوي (العكس بالعكس بالنسبة للجانب الآخر من الجرافين) ، وبعد ذلك ، تم نقع الفيلم بالكامل (PMMA / أعلى الجرافين / النحاس / الجرافين السفلي) في محلول (NH4) 2S2O8 لحفر رقائق النحاس بعيدًا.سوف يحتوي الجرافين الموجود في الجانب السفلي بدون طلاء PMMA على تشققات وعيوب تسمح للغرامة بالاختراق من خلالها (36 ، 37).كما هو موضح في الشكل 1 أ ، تحت تأثير التوتر السطحي ، تم لف مجالات الجرافين المحررة إلى لفائف ثم إرفاقها فيما بعد بفيلم G / PMMA العلوي المتبقي.يمكن نقل مخطوطات G / G العلوية إلى أي ركيزة ، مثل SiO2 / Si أو الزجاج أو البوليمر الناعم.إن تكرار عملية النقل هذه عدة مرات على نفس الركيزة يعطي هياكل MGG.
(أ) رسم تخطيطي لإجراء تلفيق MGGs كقطب كهربائي لمط.أثناء نقل الجرافين ، تم كسر الجرافين الخلفي على رقائق النحاس عند الحدود والعيوب ، وتم لفه إلى أشكال عشوائية ، وربطه بإحكام بالأغشية العلوية ، مكونًا لفائف نانوية.الكارتون الرابع يصور هيكل MGG المكدس.(B و C) توصيفات TEM عالية الدقة لطبقة MGG أحادية الطبقة ، مع التركيز على الجرافين أحادي الطبقة (B) ومنطقة التمرير (C) ، على التوالي.الشكل الداخلي (B) عبارة عن صورة ذات تكبير منخفض تُظهر الشكل العام لمورفولوجيا MGGs أحادية الطبقة على شبكة TEM.الأشكال الداخلية لـ (C) هي ملامح الكثافة المأخوذة على طول المربعات المستطيلة الموضحة في الصورة ، حيث تكون المسافات بين المستويات الذرية 0.34 و 0.41 نانومتر.(D) طيف الكربون K-edge EEL مع خاصية الجرافيت π * و σ * قمم المسمى.(هـ) صورة مقطعية AFM لمخطوطات G / G أحادية الطبقة مع ملف تعريف ارتفاع على طول الخط الأصفر المنقط.(F إلى I) الفحص المجهري البصري وصورة AFM للطبقة الثلاثية G بدون (F و H) ومع التمرير (G و I) على ركائز SiO2 / Si بسمك 300 نانومتر ، على التوالي.تم تصنيف اللفائف والتجاعيد التمثيلية لتسليط الضوء على الاختلافات.
للتحقق من أن اللفائف عبارة عن جرافين ملفوف بطبيعته ، أجرينا دراسات التحليل الطيفي عالي الدقة للإرسال الإلكتروني (TEM) وفقدان طاقة الإلكترون (EEL) على هياكل التمرير أحادية الطبقة العلوية G / G.يوضح الشكل 1 ب الهيكل السداسي لجرافين أحادي الطبقة ، والشكل الداخلي عبارة عن شكل عام للفيلم المغطى بفتحة كربون واحدة لشبكة TEM.يمتد الجرافين أحادي الطبقة لمعظم الشبكة ، وتظهر بعض رقائق الجرافين في وجود أكوام متعددة من الحلقات السداسية (الشكل 1 ب).من خلال تكبير التمرير الفردي (الشكل 1C) ، لاحظنا كمية كبيرة من هامش شبكة الجرافين ، مع تباعد الشبكة في النطاق من 0.34 إلى 0.41 نانومتر.تشير هذه القياسات إلى أن الرقائق يتم لفها عشوائيًا وليست من الجرافيت المثالي ، والتي لها تباعد شبكي يبلغ 0.34 نانومتر في تكديس طبقة "ABAB".يوضح الشكل 1 د طيف الكربون K-edge EEL ، حيث تنشأ الذروة عند 285 فولت من المدار π * والآخر حول 290 فولت يرجع إلى انتقال σ * المداري.يمكن ملاحظة أن ربط sp2 يهيمن على هذا الهيكل ، مما يتحقق من أن اللفائف عالية الجرافيت.
توفر صور المجهر الضوئي والفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) نظرة ثاقبة لتوزيع التمرير النانوي للجرافين في MGGs (الشكل 1 ، E إلى G ، والتين. S1 و S2).يتم توزيع اللفائف بشكل عشوائي على السطح ، وتزداد كثافتها في الطائرة بالتناسب 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 ميكرومتر وعرضها من 0.1 إلى 1 ميكرومتر ، اعتمادًا على أحجام رقائق الجرافين الأولية.كما هو مبين في الشكل 1 (H و I) ، فإن اللفائف لها أحجام أكبر بكثير من التجاعيد ، مما يؤدي إلى واجهة أكثر خشونة بين طبقات الجرافين.
لقياس الخواص الكهربائية ، قمنا بنقش أغشية الجرافين مع أو بدون هياكل التمرير وطبقة التراص في شرائط بعرض 300 ميكرون وطول 2000 ميكرون باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية.تم قياس المقاومة ثنائية المسبار كدالة للسلالة في ظل الظروف المحيطة.قلل وجود اللفائف من مقاومة الجرافين أحادي الطبقة بنسبة 80٪ مع انخفاض بنسبة 2.2٪ فقط في النفاذية (الشكل S4).هذا يؤكد أن لفائف النانو ، التي لها كثافة تيار عالية تصل إلى 5 × 107 أمبير / سم 2 (38 ، 39) ، تقدم مساهمة كهربائية إيجابية للغاية في MGGs.من بين كل الجرافين العادي أحادي وثنائي وثلاثي الطبقات و MGGs ، يتمتع MGG ثلاثي الطبقات بأفضل توصيل بشفافية تبلغ 90٪ تقريبًا.للمقارنة مع مصادر أخرى من الجرافين تم الإبلاغ عنها في الأدبيات ، قمنا أيضًا بقياس مقاومة الألواح المكونة من أربعة مجسات (الشكل S5) وأدرجناها كدالة للنفاذية عند 550 نانومتر (الشكل S6) في الشكل 2 أ.يُظهر MGG موصلية وشفافية قابلة للمقارنة أو أعلى من الجرافين العادي المكدس بشكل مصطنع وأكسيد الجرافين المنخفض (RGO) (6 ، 8 ، 18).لاحظ أن مقاومة ورقة الجرافين العادي متعدد الطبقات المكدس بشكل مصطنع من الأدب أعلى قليلاً من مقاومة MGG ، ربما بسبب ظروف النمو غير المحسنة وطريقة النقل.
(أ) مقاومة الألواح الرباعية المجسات مقابل النفاذية عند 550 نانومتر لعدة أنواع من الجرافين ، حيث تشير المربعات السوداء إلى MGGs أحادية وثنائية وثلاثية الطبقات ؛الدوائر الحمراء والمثلثات الزرقاء تتوافق مع الجرافين العادي متعدد الطبقات المزروع على النحاس والنيكل من دراسات Li et al.(6) وكيم وآخرون.(8) ، على التوالي ، ثم نقلها لاحقًا إلى SiO2 / Si أو الكوارتز ؛والمثلثات الخضراء هي قيم RGO بدرجات اختزال مختلفة من دراسة Bonaccorso et al.(18).(B و C) تغيير المقاومة المعياري لأحادية وثنائية وثلاثية الطبقات MGGs و G كدالة للضغط العمودي (B) والتوازي (C) في اتجاه التدفق الحالي.(D) تغيير المقاومة الطبيعي للطبقة الثنائية G (أحمر) و MGG (أسود) تحت إجهاد دوري تحميل يصل إلى 50٪ إجهاد عمودي.(هـ) تغيير المقاومة الطبيعي للطبقة الثلاثية G (الأحمر) و MGG (الأسود) تحت الضغط الدوري تحميل يصل إلى 90٪ إجهاد متوازي.(F) تغيير السعة الطبيعي للأحادية والثنائية والطبقة الثلاثية G وثنائية وثلاثية الطبقات MGGs كوظيفة ن إجهاد.الشكل الداخلي هو هيكل المكثف ، حيث تكون ركيزة البوليمر هي SEBS وطبقة البوليمر العازلة للكهرباء هي SEBS بسماكة 2 ميكرومتر.
لتقييم الأداء المعتمد على الإجهاد لـ MGG ، قمنا بنقل الجرافين إلى ركائز من اللدائن المرنة ستايرين - إيثيلين - بوتادين - ستايرين (SEBS) (بعرض 2 سم وطول 5 سم تقريبًا) ، وتم قياس الموصلية أثناء تمدد الركيزة (انظر المواد والطرق) عموديًا وموازيًا لاتجاه تدفق التيار (الشكل 2 ، ب ، ج).تحسن السلوك الكهربائي المعتمد على الإجهاد مع دمج لفائف نانوية وأعداد متزايدة من طبقات الجرافين.على سبيل المثال ، عندما يكون الإجهاد عموديًا على تدفق التيار ، بالنسبة للجرافين أحادي الطبقة ، فإن إضافة اللفائف تزيد من الضغط عند الكسر الكهربائي من 5 إلى 70٪.تم أيضًا تحسين تحمل الإجهاد في الجرافين ثلاثي الطبقات بشكل ملحوظ مقارنةً بالجرافين أحادي الطبقة.باستخدام لفائف النانو ، عند إجهاد عمودي بنسبة 100٪ ، زادت مقاومة هيكل MGG ثلاثي الطبقات بنسبة 50٪ فقط ، مقارنة بـ 300٪ للجرافين ثلاثي الطبقات بدون مخطوطات.تم فحص تغير المقاومة تحت الحمل الدوري.للمقارنة (الشكل 2 د) ، زادت المقاومة لفيلم الجرافين ثنائي الطبقة العادي حوالي 7.5 مرة بعد 700 دورة تقريبًا عند إجهاد عمودي بنسبة 50٪ واستمرت في الزيادة مع الضغط في كل دورة.من ناحية أخرى ، زادت مقاومة الطبقة الثنائية MGG حوالي 2.5 مرة بعد ~ 700 دورة.بتطبيق ما يصل إلى 90٪ من الإجهاد على طول الاتجاه الموازي ، زادت مقاومة الجرافين ثلاثي الطبقات بحوالي 100 مرة بعد 1000 دورة ، بينما كانت 8 مرات فقط في MGG ثلاثي الطبقات (الشكل 2E).تظهر نتائج ركوب الدراجات في الشكل.S7.الزيادة الأسرع نسبيًا في المقاومة على طول اتجاه الانفعال الموازي ترجع إلى أن اتجاه الشقوق يكون عموديًا على اتجاه التدفق الحالي.يرجع انحراف المقاومة أثناء سلالة التحميل والتفريغ إلى استعادة اللزوجة المرنة لركيزة الاستومر SEBS.ترجع المقاومة الأكثر ثباتًا لشرائط MGG أثناء ركوب الدراجات إلى وجود مخطوطات كبيرة يمكنها سد الأجزاء المتشققة من الجرافين (كما هو الحال مع AFM) ، مما يساعد على الحفاظ على مسار الترشيح.تم الإبلاغ عن ظاهرة الحفاظ على الموصلية من خلال مسار الترشيح من قبل للمعدن المتصدع أو أفلام أشباه الموصلات على ركائز من المطاط الصناعي (40 ، 41).
لتقييم هذه الأفلام القائمة على الجرافين كإلكترودات بوابة في أجهزة قابلة للمط ، قمنا بتغطية طبقة الجرافين بطبقة عازلة SEBS (بسماكة 2 ميكرون) وراقبنا تغيير السعة العازلة كدالة للضغط (انظر الشكل 2F والمواد التكميلية لـ تفاصيل).لاحظنا أن السعات مع أقطاب الجرافين أحادية الطبقة العادية وثنائية الطبقة انخفضت بسرعة بسبب فقدان الموصلية داخل الطائرة من الجرافين.في المقابل ، أظهرت السعات المحاطة ببوابات MGG وكذلك الجرافين ثلاثي الطبقات زيادة في السعة مع الإجهاد ، وهو أمر متوقع بسبب انخفاض سمك العزل الكهربائي مع الإجهاد.تتوافق الزيادة المتوقعة في السعة بشكل جيد مع هيكل MGG (الشكل S8).يشير هذا إلى أن MGG مناسبة كقطب بوابة للترانزستورات القابلة للمط.
لمزيد من التحقيق في دور التمرير 1D الجرافين في تحمل الإجهاد للتوصيل الكهربائي والتحكم بشكل أفضل في الفصل بين طبقات الجرافين ، استخدمنا الأنابيب النانوية الكربونية المطلية بالرش لاستبدال مخطوطات الجرافين (انظر المواد التكميلية).لتقليد هياكل MGG ، قمنا بإيداع ثلاث كثافات من CNT (أي ، CNT1
(أ إلى ج) صور AFM لثلاث كثافات مختلفة من الأنابيب النانوية الكربونية (CNT1.2)
لفهم قدرتها على أنها أقطاب كهربائية للإلكترونيات القابلة للمط ، قمنا بشكل منهجي بالتحقيق في أشكال MGG و G-CNT-G تحت الضغط.الفحص المجهري البصري والمسح المجهري الإلكتروني (SEM) ليسا طريقتين فعالتين للتوصيف لأن كلاهما يفتقران إلى تباين الألوان ويخضع SEM للقطع الأثرية أثناء مسح الإلكترون عندما يكون الجرافين على ركائز بوليمر (الشكلان S9 و S10).لمراقبة سطح الجرافين تحت الضغط في الموقع ، قمنا بجمع قياسات AFM على MGGs ثلاثية الطبقات والجرافين العادي بعد النقل إلى ركائز SEBS رفيعة جدًا (بسمك 0.1 مم تقريبًا) ومرنة.بسبب العيوب الجوهرية في الجرافين القلبي الوعائي والأضرار الخارجية أثناء عملية النقل ، تتولد تشققات حتمًا على الجرافين المتوتر ، ومع زيادة الضغط ، أصبحت الشقوق أكثر كثافة (الشكل 4 ، أ إلى د).اعتمادًا على هيكل التراص للأقطاب الكهربائية القائمة على الكربون ، تظهر الشقوق أشكالًا مختلفة (الشكل S11) (27).كثافة منطقة الكراك (التي تُعرف بأنها منطقة الكراك / المنطقة التي تم تحليلها) للجرافين متعدد الطبقات أقل من كثافة الجرافين أحادي الطبقة بعد الإجهاد ، وهو ما يتوافق مع زيادة التوصيل الكهربائي لـ MGGs.من ناحية أخرى ، غالبًا ما يتم ملاحظة اللفائف لسد الشقوق ، مما يوفر مسارات موصلة إضافية في الفيلم المجهد.على سبيل المثال ، كما هو موضح في صورة الشكل 4 ب ، تم تمرير تمرير عريض فوق صدع في الطبقة الثلاثية MGG ، ولكن لم يلاحظ أي تمرير في الجرافين العادي (الشكل 4 ، E إلى H).وبالمثل ، قامت الأنابيب النانوية الكربونية أيضًا بسد الشقوق الموجودة في الجرافين (الشكل S11).تم تلخيص كثافة منطقة التصدع ، وكثافة منطقة التمرير ، وخشونة الأفلام في الشكل. 4K.
(من أ إلى ح) صور AFM في الموقع لمخطوطات G / G ثلاثية الطبقات (من A إلى D) وهياكل G ثلاثية الطبقات (من E إلى H) على مادة مطاطية SEBS رفيعة جدًا (بسمك 0.1 مم تقريبًا) عند 0 و 20 و 60 و 100 ٪ أَضْنَى.الشقوق التمثيلية والمخطوطات مدببة بالسهام.جميع صور AFM في مساحة 15 ميكرومتر × 15 ميكرومتر ، باستخدام نفس شريط مقياس اللون كما هو موضح.(I) هندسة محاكاة أقطاب الجرافين أحادية الطبقة المزخرفة على ركيزة SEBS.(J) خريطة محيط المحاكاة للسلالة اللوغاريتمية الرئيسية القصوى في الجرافين أحادي الطبقة وركيزة SEBS عند إجهاد خارجي بنسبة 20٪.(ك) مقارنة كثافة منطقة الكراك (العمود الأحمر) ، وكثافة منطقة التمرير (العمود الأصفر) ، وخشونة السطح (العمود الأزرق) لهياكل الجرافين المختلفة.
عندما يتم شد أغشية MGG ، توجد آلية إضافية مهمة وهي أن اللفائف يمكن أن تربط المناطق المتشققة من الجرافين ، مع الحفاظ على شبكة الترشيح.تعد لفائف الجرافين واعدة لأنها يمكن أن تكون عشرات الميكرومترات في الطول وبالتالي فهي قادرة على سد الشقوق التي يصل حجمها عادةً إلى مقياس ميكرومتر.علاوة على ذلك ، نظرًا لأن اللفائف تتكون من طبقات متعددة من الجرافين ، فمن المتوقع أن تتمتع بمقاومة منخفضة.وبالمقارنة ، فإن شبكات الأنابيب النانوية الكربونية الكثيفة نسبيًا (ذات النفاذية المنخفضة) مطلوبة لتوفير قدرة توصيل موصلة قابلة للمقارنة ، حيث تكون الأنابيب النانوية الكربونية أصغر (عادةً بطول بضعة ميكرومتر) وأقل موصلة من المخطوطات.من ناحية أخرى ، كما هو موضح في الشكل.S12 ، في حين أن الجرافين يتشقق أثناء التمدد لاستيعاب الضغط ، فإن اللفائف لا تتصدع ، مما يشير إلى أن الأخير قد ينزلق على الجرافين الأساسي.من المحتمل أن يرجع سبب عدم تكسيرها إلى الهيكل الملفوف ، المكون من طبقات عديدة من الجرافين (من 1 إلى 2 0 ميكرومتر في الطول ، ومن 0.1 إلى 1 ميكرومتر في العرض ، ومن 10 إلى 100 نانومتر في الارتفاع) ، والذي يحتوي على معامل فعال أعلى من الجرافين أحادي الطبقة.كما ذكرت Green and Hersam (42) ، يمكن لشبكات CNT المعدنية (قطر الأنبوب 1.0 نانومتر) تحقيق مقاومة منخفضة للصفائح <100 أوم / متر مربع على الرغم من مقاومة الوصلات الكبيرة بين الأنابيب النانوية الكربونية.بالنظر إلى أن مخطوطات الجرافين الخاصة بنا لها عروض من 0.1 إلى 1 ميكرومتر وأن لفائف G / G بها مناطق تلامس أكبر بكثير من CNT ، يجب ألا تكون مقاومة التلامس ومنطقة الاتصال بين لفائف الجرافين والجرافين عوامل مقيدة للحفاظ على الموصلية العالية.
يحتوي الجرافين على معامل أعلى بكثير من ركيزة SEBS.على الرغم من أن السماكة الفعالة لقطب الجرافين أقل بكثير من تلك الموجودة في الركيزة ، إلا أن صلابة الجرافين مضروبة في سمكها يمكن مقارنتها بسمك الركيزة (43 ، 44) ، مما يؤدي إلى تأثير معتدل للجزيرة الصلبة.قمنا بمحاكاة تشوه الجرافين بسمك 1 نانومتر على ركيزة SEBS (انظر المواد التكميلية للحصول على التفاصيل).وفقًا لنتائج المحاكاة ، عند تطبيق إجهاد بنسبة 20٪ على ركيزة SEBS خارجيًا ، يكون متوسط ​​الإجهاد في الجرافين حوالي 6.6٪ (الشكل 4J والشكل S13D) ، وهو ما يتوافق مع الملاحظات التجريبية (انظر الشكل S13) .قارنا الإجهاد في مناطق الجرافين والركيزة المنقوشة باستخدام الفحص المجهري البصري ووجدنا أن الضغط في منطقة الركيزة يكون ضعف الضغط في منطقة الجرافين على الأقل.يشير هذا إلى أن الضغط المطبق على أنماط قطب الجرافين يمكن أن يكون محصورًا بشكل كبير ، مما يشكل جزرًا صلبة من الجرافين على قمة SEBS (26 ، 43 ، 44).
لذلك ، من المحتمل أن يتم تمكين قدرة أقطاب MGG على الحفاظ على الموصلية العالية تحت إجهاد عالٍ من خلال آليتين رئيسيتين: (1) يمكن للمخطوطات أن تربط المناطق المنفصلة للحفاظ على مسار ترشيح موصل ، و (2) قد تنزلق ألواح الجرافين / المطاط الصناعي متعدد الطبقات فوق بعضها البعض ، مما يؤدي إلى تقليل الضغط على أقطاب الجرافين.بالنسبة للطبقات المتعددة من الجرافين المنقول على المطاط الصناعي ، فإن الطبقات غير مرتبطة بقوة مع بعضها البعض ، والتي قد تنزلق استجابة للإجهاد (27).زادت اللفائف أيضًا من خشونة طبقات الجرافين ، مما قد يساعد في زيادة الفصل بين طبقات الجرافين وبالتالي تمكين انزلاق طبقات الجرافين.
تتم متابعة الأجهزة الكربونية بحماس بسبب التكلفة المنخفضة والإنتاجية العالية.في حالتنا ، تم تصنيع ترانزستورات الكربون بالكامل باستخدام بوابة الجرافين السفلية ، ومصدر الجرافين العلوي / جهة التصريف ، وأشباه الموصلات CNT المصنفة ، و SEBS كعزل كهربائي (الشكل 5 أ).كما هو مبين في الشكل 5 ب ، فإن جهاز الكربون بالكامل مع الأنابيب النانوية الكربونية كمصدر / استنزاف وبوابة (الجهاز السفلي) يكون أكثر تعتيمًا من الجهاز الذي يحتوي على أقطاب الجرافين (الجهاز العلوي).وذلك لأن شبكات الأنابيب النانوية الكربونية تتطلب سماكة أكبر ، وبالتالي ، نواقل بصرية أقل لتحقيق مقاومة للصفائح مماثلة لتلك الموجودة في الجرافين (الشكل S4).يوضح الشكل 5 (C و D) منحنيات التحويل والإخراج التمثيلية قبل إجهاد الترانزستور المصنوع من أقطاب MGG ثنائية الطبقة.كان عرض القناة وطولها للترانزستور غير المقيد 800 و 100 ميكرومتر على التوالي.تكون نسبة التشغيل / الإيقاف المقاسة أكبر من 103 مع تيارات تشغيل وإيقاف عند مستويات 10−5 و 10−8 A ، على التوالي.يُظهر منحنى الخرج أنظمة خطية و turation مثالية مع اعتماد واضح على جهد البوابة ، مما يشير إلى الاتصال المثالي بين CNTs وأقطاب الجرافين (45).لوحظ أن مقاومة التلامس مع أقطاب الجرافين أقل من تلك الموجودة في فيلم Au المبخر (انظر الشكل S14).تبلغ قابلية تشبع الترانزستور القابل للمط حوالي 5.6 سم 2 / V ، على غرار تلك الموجودة في نفس ترانزستورات CNT المصنفة بالبوليمر على ركائز Si الصلبة مع 300 نانومتر SiO كطبقة عازلة.مزيد من التحسين في الحركة ممكن مع كثافة الأنبوب الأمثل وأنواع أخرى من الأنابيب (46).
(أ) مخطط الترانزستور لمط القائم على الجرافين.أنابيب الكربون النانوية الكربونية أحادية الجدار.(ب) صورة للترانزستورات القابلة للمط المصنوعة من أقطاب الجرافين (أعلى) وأقطاب CNT (أسفل).من الواضح أن الاختلاف في الشفافية ملحوظ.(C و D) منحنيات النقل والإخراج للترانزستور القائم على الجرافين على SEBS قبل الإجهاد.(E و F) منحنيات النقل ، التيار داخل وخارج ، نسبة التشغيل / الإيقاف ، وتنقل الترانزستور القائم على الجرافين عند سلالات مختلفة.
عندما تم شد الجهاز الشفاف والكربون بالكامل في الاتجاه الموازي لاتجاه نقل الشحنة ، لوحظ الحد الأدنى من التدهور حتى 120٪ إجهاد.أثناء التمدد ، انخفض التنقل باستمرار من 5.6 سم 2 / V عند إجهاد 0٪ إلى 2.5 سم 2 / V عند إجهاد 120٪ (الشكل 5F).قمنا أيضًا بمقارنة أداء الترانزستور لأطوال القنوات المختلفة (انظر الجدول S1).والجدير بالذكر أنه عند إجهاد كبير يصل إلى 105٪ ، ما زالت جميع هذه الترانزستورات تظهر نسبة تشغيل / إيقاف عالية (> 103) والتنقل (> 3 سم 2 / V).بالإضافة إلى ذلك ، قمنا بتلخيص جميع الأعمال الحديثة على الترانزستورات الكربونية بالكامل (انظر الجدول S2) (47-52).من خلال تحسين تصنيع الجهاز على اللدائن واستخدام MGGs كجهات اتصال ، تُظهر الترانزستورات الكربونية بالكامل أداءً جيدًا من حيث التنقل والتباطؤ بالإضافة إلى كونها قابلة للتمدد بدرجة عالية.
كتطبيق للترانزستور الشفاف بالكامل والمط ، استخدمناه للتحكم في تبديل LED (الشكل 6 أ).كما هو مبين في الشكل 6 ب ، يمكن رؤية مؤشر LED الأخضر بوضوح من خلال الجهاز الكربوني القابل للمط الموضوع أعلاه مباشرة.أثناء التمدد إلى ~ 100٪ (الشكل 6 و C و D) ، لا تتغير شدة ضوء LED ، وهو ما يتوافق مع أداء الترانزستور الموصوف أعلاه (انظر الفيلم S1).هذا هو التقرير الأول لوحدات التحكم القابلة للمط المصنوعة باستخدام أقطاب الجرافين ، مما يدل على إمكانية جديدة لإلكترونيات الجرافين القابلة للمط.
(أ) دائرة الترانزستور لقيادة الصمام.GND ، الأرض.(ب) صورة الترانزستور الكربوني القابل للمط والشفاف عند إجهاد 0٪ فوق مصباح LED أخضر.(C) يتم تركيب الترانزستور الشفاف والمطاطي المصنوع من الكربون بالكامل والمستخدم لتبديل مؤشر LED فوق مؤشر LED عند 0٪ (يسار) و ~ 100٪ إجهاد (يمين).تشير الأسهم البيضاء على أنها علامات صفراء على الجهاز لإظهار تمدد تغيير المسافة.(د) منظر جانبي للترانزستور الممدد ، مع دفع الصمام إلى المطاط الصناعي.
في الختام ، قمنا بتطوير بنية الجرافين الموصلة الشفافة التي تحافظ على الموصلية العالية تحت سلالات كبيرة مثل الأقطاب الكهربائية القابلة للمط ، والتي يتم تمكينها بواسطة التمرير النانوي للجرافين بين طبقات الجرافين المكدسة.يمكن أن تحافظ هياكل القطب الكهربي MGG ثنائية وثلاثية الطبقات على المطاط الصناعي على 21 و 65٪ ، على التوالي ، من نواقل الإجهاد بنسبة 0٪ عند إجهاد يصل إلى 100٪ ، مقارنة بالفقد الكامل للتوصيل عند إجهاد 5٪ لأقطاب الجرافين أحادية الطبقة النموذجية .تساهم المسارات الموصلة الإضافية لملفات الجرافين بالإضافة إلى التفاعل الضعيف بين الطبقات المنقولة في ثبات الموصلية الفائقة تحت الضغط.قمنا أيضًا بتطبيق هيكل الجرافين هذا لتصنيع ترانزستورات قابلة للمط من الكربون بالكامل.حتى الآن ، هذا هو الترانزستور الأكثر قابلية للتمدد والذي يعتمد على الجرافين مع أفضل شفافية دون استخدام التواء.على الرغم من أن الدراسة الحالية تم إجراؤها لتمكين الجرافين للإلكترونيات القابلة للمط ، إلا أننا نعتقد أنه يمكن توسيع هذا النهج ليشمل مواد ثنائية الأبعاد أخرى لتمكين إلكترونيات ثنائية الأبعاد قابلة للمط.
تمت زراعة الجرافين CVD بمساحة كبيرة على رقائق نحاسية معلقة (99.999٪ ؛ Alfa Aesar) تحت ضغط ثابت قدره 0.5 mtorr مع 50 – SCCM (سنتيمتر مكعب قياسي في الدقيقة) CH4 و 20 – SCCM H2 كسلائف عند 1000 درجة مئوية.تمت تغطية كلا الجانبين من رقائق النحاس بواسطة الجرافين أحادي الطبقة.تم طلاء طبقة رقيقة من PMMA (2000 دورة في الدقيقة ؛ A4 ، Microchem) بالدوران على جانب واحد من رقائق النحاس ، لتشكيل هيكل رقائق PMMA / G / Cu / G.بعد ذلك ، تم نقع الفيلم بالكامل في محلول 0.1 مولار من بيرسلفات الأمونيوم [(NH4) 2S2O8] لمدة ساعتين تقريبًا لحفر رقائق النحاس.خلال هذه العملية ، تمزق الجرافين الخلفي غير المحمي أولاً على طول حدود الحبيبات ثم تدحرج إلى لفائف بسبب التوتر السطحي.تم إرفاق اللفائف على فيلم الجرافين العلوي المدعوم من PMMA ، لتشكيل لفائف PMMA / G / G.تم بعد ذلك غسل الأفلام في ماء منزوع الأيونات عدة مرات ووضعت على ركيزة مستهدفة ، مثل SiO2 / Si أو الركيزة البلاستيكية.بمجرد أن يجف الفيلم المرفق على الركيزة ، يتم غمر العينة بالتسلسل في الأسيتون ، 1: 1 أسيتون / IPA (كحول الأيزوبروبيل) ، و IPA لمدة 30 ثانية لإزالة PMMA.تم تسخين الأفلام عند 100 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة أو الاحتفاظ بها في فراغ طوال الليل لإزالة الماء المحاصر تمامًا قبل نقل طبقة أخرى من لفائف G / G إليها.كانت هذه الخطوة هي تجنب انفصال فيلم الجرافين عن الركيزة وضمان التغطية الكاملة لـ MGGs أثناء إطلاق طبقة حامل PMMA.
لوحظ الشكل المورفولوجي لهيكل MGG باستخدام مجهر ضوئي (لايكا) ومجهر إلكتروني مسح (1 كيلو فولت ؛ FEI).تم تشغيل مجهر القوة الذرية (Nanoscope III ، Digital Instrument) في وضع التنصت لمراقبة تفاصيل مخطوطات G.تم اختبار شفافية الفيلم بواسطة مطياف مرئي فوق البنفسجي (Agilent Cary 6000i).بالنسبة للاختبارات عندما كانت السلالة على طول الاتجاه العمودي لتدفق التيار ، تم استخدام الليثوغرافيا الضوئية وبلازما O2 لتصميم هياكل الجرافين إلى شرائح (بعرض 300 ميكرومتر وطول 2000 ميكرومتر تقريبًا) ، وتم ترسيب أقطاب Au (50 نانومتر) حراريًا باستخدام أقنعة الظل على طرفي الجانب الطويل.تم بعد ذلك وضع شرائط الجرافين في اتصال مع المطاط الصناعي SEBS (بعرض حوالي 2 سم وطول 5 سم تقريبًا) ، مع المحور الطويل للشرائط الموازية للجانب القصير من SEBS متبوعًا بـ BOE (حفر أكسيد مخزون) (HF: H2O 1: 6) التنميش وسهل الانصهار الغاليوم الإنديوم (EGaIn) كملامسات كهربائية.بالنسبة لاختبارات الإجهاد المتوازي ، تم نقل هياكل الجرافين غير المقننة (حوالي 5 × 10 مم) إلى ركائز SEBS ، مع محاور طويلة موازية للجانب الطويل من ركيزة SEBS.في كلتا الحالتين ، تم تمديد G (بدون مخطوطات G) / SEBS على طول الجانب الطويل من المطاط الصناعي في جهاز يدوي ، وفي الموقع ، قمنا بقياس تغيرات مقاومتهم تحت الضغط على محطة التحقيق باستخدام محلل أشباه الموصلات (Keithley 4200 -SCS).
تم تصنيع ترانزستورات الكربون بالكامل الشفافة والمطاطة على ركيزة مرنة من خلال الإجراءات التالية لتجنب تلف المذيب العضوي لعزل البوليمر والركيزة.تم نقل هياكل MGG إلى SEBS كأقطاب كهربائية للبوابة.للحصول على طبقة عازلة موحدة من البوليمر الرقيق (بسماكة 2 ميكرومتر) ، تم طلاء محلول SEBS التولوين (80 مجم / مل) بالدوران على octadecyltrichlorosilane (OTS) - الركيزة SiO2 / Si المعدلة عند 1000 دورة في الدقيقة لمدة دقيقة واحدة.يمكن نقل الفيلم العازل الرقيق بسهولة من سطح OTS الكارهة للماء إلى ركيزة SEBS المغطاة بغرافين جاهز.يمكن صنع مكثف عن طريق ترسيب قطب كهربائي علوي معدني سائل (EGaIn ؛ Sigma-Aldrich) لتحديد السعة كدالة للضغط باستخدام مقياس LCR (الحث ، السعة ، المقاومة) (Agilent).يتكون الجزء الآخر من الترانزستور من الأنابيب النانوية الكربونية الموصلة بالبوليمر ، باتباع الإجراءات المذكورة سابقًا (53).تم تصنيع إلكترودات المصدر / التصريف المنقوشة على ركائز SiO2 / Si صلبة.بعد ذلك ، تم تصفيح الجزأين ، العازل / G / SEBS و CNTs / المنقوش G / SiO2 / Si ، مع بعضهما البعض ، ونقعهما في BOE لإزالة الركيزة الصلبة SiO2 / Si.وهكذا ، تم تصنيع الترانزستورات الشفافة والمطاطة بالكامل.تم إجراء الاختبار الكهربائي تحت الضغط على إعداد تمديد يدوي كطريقة سالفة الذكر.
المواد التكميلية لهذه المقالة متاحة على http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
تين.S1.صور المجهر الضوئي أحادي الطبقة MGG على ركائز SiO2 / Si بتكبيرات مختلفة.
تين.4 س.مقارنة بين مقاومات الصفيحة ثنائية المسبار والنفاذية @ 550 نانومتر من الجرافين أحادي وثنائي وثلاثي الطبقات (المربعات السوداء) ، MGG (الدوائر الحمراء) ، و CNT (المثلث الأزرق).
تين.S7.تغيير المقاومة المعياري لـ MGGs أحادية وثنائية الطبقة (أسود) و G (أحمر) تحت ~ 1000 سلالة دورية تحميل حتى 40 و 90٪ إجهاد متوازي ، على التوالي.
تين.S10.صورة SEM لثلاثي الطبقات MGG على المطاط الصناعي SEBS بعد الإجهاد ، تُظهر تمريرًا طويلًا عبر العديد من الشقوق.
تين.S12.صورة AFM لثلاثي الطبقات MGG على إلاستومر SEBS رفيع جدًا عند إجهاد بنسبة 20 ٪ ، مما يدل على أن التمرير عبر الكراك.
الجدول S1.قابلية تنقل ترانزستورات الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار MGG ثنائية الطبقة بأطوال قنوات مختلفة قبل وبعد الإجهاد.
هذا مقال مفتوح الوصول يتم توزيعه بموجب شروط ترخيص Creative Commons Attribution-NonCommercial ، والذي يسمح بالاستخدام والتوزيع والنسخ في أي وسيط ، طالما أن الاستخدام الناتج ليس لميزة تجارية وشريطة أن يكون العمل الأصلي صحيحًا. استشهد.
ملاحظة: نحن نطلب فقط عنوان بريدك الإلكتروني حتى يعرف الشخص الذي تنصح به الصفحة أنك تريده أن يراها ، وأنه ليس بريدًا عشوائيًا.نحن لا نلتقط أي عنوان بريد إلكتروني.
هذا السؤال لاختبار ما إذا كنت زائرًا بشريًا أم لا ولمنع عمليات إرسال البريد العشوائي الآلية.
بقلم نان ليو ، أليكس تشورتوس ، تينغ لي ، ليهوا جين ، تايهو روي كيم ، وون غيو باي ، تشينسين تشو ، سيونغ وانغ ، رافائيل بفاتنر ، شيوان تشين ، روبرت سينكلير ، زينان باو
بقلم نان ليو ، أليكس تشورتوس ، تينغ لي ، ليهوا جين ، تايهو روي كيم ، وون غيو باي ، تشينسين تشو ، سيونغ وانغ ، رافائيل بفاتنر ، شيوان تشين ، روبرت سينكلير ، زينان باو
© 2021 الرابطة الأمريكية لتقدم العلوم.كل الحقوق محفوظة.AAAS هي شريك HINARI و AGORA و OARE و CHORUS و CLOCKSS و CrossRef و COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.