Materyalên du-alî, wek grafîn, hem ji bo sepanên nîvconductor ên kevneşopî û hem jî ji bo sepanên nû di elektronîkên nerm de balkêş in. Lêbelê, berxwedana bilind a grafînê dibe sedema şikestina di zorê kêm de, ku sûdwergirtina ji taybetmendiyên wê yên elektronîkî yên awarte di elektronîkên dirêjkirî de dijwar dike. Ji bo ku performansa hêja ya girêdayî zorê ya rêberên grafînê yên zelal gengaz bikin, me nanoscrollên grafînê di navbera tebeqeyên grafînê yên rêzkirî de çêkirin, ku wekî grafîn/scrollên grafînê yên pirqatî (MGG) têne binavkirin. Di bin zorê de, hin scroll deverên perçebûyî yên grafînê girêdan da ku toreke perkolasyonê biparêzin ku rê dide rêvebirina hêja di zorên bilind de. MGG-yên sêqatî yên ku li ser elastomeran têne piştgirî kirin, di zorê 100% de, ku perpendîkular li gorî rêça herikîna herikê ye, %65ê rêvebirina xwe ya orîjînal parastin, lê fîlmên sêqatî yên grafînê bêyî nanoscroll tenê %25ê rêvebirina xwe ya destpêkê parastin. Tranzîstorek bi tevahî karbonî ya dirêjkirî ku bi karanîna MGG-yan wekî elektrod hatiye çêkirin, veguhestinek ji %90 zêdetir nîşan da û di 120% zorê de (paralel bi rêça veguhastina bargiraniyê re) %60ê derana herikê ya orîjînal parast. Ev tranzîstorên bi tevahî karbonî yên pir dirêjkirî û zelal dikarin optoelektronîkên dirêjkirî yên sofîstîke çalak bikin.
Elektronîkên şefaf ên dirêjkirî qadeke mezinbûnê ye ku di pergalên biyoentegrasyonkirî yên pêşketî de sepanên girîng hene (1, 2) û her weha potansiyela entegrekirinê bi optoelektronîkên dirêjkirî re (3, 4) ji bo hilberandina robotîk û dîmenderên nerm ên sofîstîke. Grafên taybetmendiyên pir xwestî yên qalindahiya atomî, şefafiyeta bilind û îletkeniya bilind nîşan dide, lê pêkanîna wê di sepanên dirêjkirî de ji ber meyla wê ya şikestinê di zorên piçûk de hatiye asteng kirin. Derbaskirina sînorkirinên mekanîkî yên grafênê dikare fonksiyonên nû di cîhazên şefaf ên dirêjkirî de çalak bike.
Taybetmendiyên bêhempa yên grafînê wê dikin namzetek bihêz ji bo nifşa pêşerojê ya elektrodên guhêzbar ên zelal (5, 6). Li gorî guhêzbarê zelal ê herî zêde tê bikar anîn, oksîda qalayî ya îndyûmê [ITO; 100 ohm/çargoşe (çargoşe) bi zelaliya 90%], grafîna yekqatî ya ku bi danîna buhara kîmyewî (CVD) tê çandin, xwedî tevlîheviyek dişibihe berxwedana pelê (125 ohm/çargoşe) û zelaliyê (97.4%) ye (5). Wekî din, fîlmên grafînê li gorî ITO xwedî nermbûnek awarte ne (7). Mînakî, li ser substratek plastîk, guhêzbariya wê dikare heta ji bo radyusek xwarbûnê ya bi qasî 0.8 mm jî were parastin (8). Ji bo ku performansa wê ya elektrîkê wekî guhêzbarek nerm a zelal bêtir were baştir kirin, xebatên berê materyalên hîbrîd ên grafînê bi têlên zîv ên yek-alî (1D) an nanotûbên karbonê (CNT) pêş xistine (9-11). Herwiha, grafîn wekî elektrod ji bo nîvconductorên heterostruktûr ên pîvanên tevlihev (wek Si2D bulk, nanotel/nanotubes 1D, û xalên kûantûmê yên 0D) (12), tranzîstorên nerm, xaneyên rojê, û dîodên ronahîder (LED) (13-23) hatiye bikar anîn.
Her çend grafînê ji bo elektronîkên nerm encamên sozdar nîşan daye jî, sepandina wê di elektronîkên dirêjkirî de ji hêla taybetmendiyên wê yên mekanîkî ve sînordar bûye (17, 24, 25); grafînê xwedan hişkbûna di nav-balafirê de 340 N/m û modula Young 0.5 TPa ye (26). Tora karbon-karbon a bihêz ji bo zorê sepandî tu mekanîzmayên belavkirina enerjiyê peyda nake û ji ber vê yekê di kêmtir ji 5% zorê de bi hêsanî dişkê. Mînakî, grafîna CVD ya ku li ser substratek elastîk a polîdîmetîlsîloksan (PDMS) hatî veguheztin tenê dikare guhêzbariya xwe di kêmtir ji 6% zorê de biparêze (8). Hesabên teorîk nîşan didin ku qijilandin û têkiliya di navbera tebeqeyên cûda de divê hişkiyê bi tundî kêm bike (26). Bi komkirina grafînê di gelek tebeqeyan de, tê ragihandin ku ev grafîna du- an sê-qatî heya 30% zorê dirêjkirî ye, guherîna berxwedanê 13 caran ji ya grafîna yekqatî piçûktir nîşan dide (27). Lêbelê, ev dirêjkirin hîn jî ji rêberên dirêjkirî yên herî pêşkeftî pir kêmtir e (28, 29).
Tranzîstor di sepanên dirêjkirinê de girîng in ji ber ku ew xwendina sensorên sofîstîke û analîzkirina sînyalê gengaz dikin (30, 31). Tranzîstorên li ser PDMS-ê bi grafîna pirqatî wekî elektrodên çavkanî/derxistinê û materyalê kanalê dikarin fonksiyona elektrîkî heya 5% zorê biparêzin (32), ku ji nirxa herî kêm a pêwîst (~ 50%) ji bo sensorên çavdêriya tenduristiyê yên lixwekirî û çermê elektronîkî pir kêmtir e (33, 34). Di demên dawî de, rêbazek grafîna kirigami hatiye lêkolîn kirin, û tranzîstora ku ji hêla elektrolîtek şil ve tê girtin dikare heya 240% were dirêj kirin (35). Lêbelê, ev rêbaz grafîna daliqandî hewce dike, ku pêvajoya çêkirinê tevlihev dike.
Li vir, em bi navberkirina pêçên grafînê (~1 heta 20 μm dirêj, ~0.1 heta 1 μm fireh, û ~10 heta 100 nm bilind) di navbera tebeqeyên grafînê de cîhazên grafînê yên pir dirêjkirî bi dest dixin. Em texmîn dikin ku ev pêçên grafînê dikarin rêyên guhêrbar peyda bikin da ku şikestinên di pelên grafînê de bigirin, bi vî rengî guhêrbariya bilind di bin zextê de biparêzin. Pêçên grafînê hewceyê sentez an pêvajoyek zêde nakin; ew bi xwezayî di dema prosedûra veguhastina şil de çêdibin. Bi karanîna pêçên pirqatî yên G/G (grafîn/grafîn) (MGG) elektrodên dirêjkirî yên grafînê (çavkanî/derxistin û derî) û CNT-yên nîv-guhêrbar, em karîn tranzîstorên hemî-karbon ên pir zelal û pir dirêjkirî nîşan bidin, ku dikarin heya 120% zextê (paralel bi rêça veguhastina bargiraniyê) werin dirêjkirin û 60% ji derana xwe ya herikîna orîjînal biparêzin. Ev tranzîstora herî zelal a bingeha karbonê ye heya niha, û ew herikîna têr peyda dike da ku LED-ek neorganîk bixebitîne.
Ji bo ku elektrodên grafînê yên dirêjkirî yên şefaf û fireh ên rûbera mezin çalak bibin, me grafîna ku bi CVD-yê li ser pelê Cu hatiye çandin hilbijart. Pelê Cu di navenda lûleya kuartzê CVD de hate daliqandin da ku grafînê li her du aliyan jî mezin bibe, û avahiyên G/Cu/G çêbike. Ji bo veguheztina grafînê, me pêşî qatek zirav a polî(metîl metakrîlat) (PMMA) bi spining pêça da ku aliyekî grafînê biparêze, ku me navê grafîna jorîn lê kir (berevajî vê ji bo aliyê din ê grafînê), û paşê, tevahiya fîlm (PMMA/grafîna jorîn/Cu/grafîna jêrîn) di çareseriya (NH4)2S2O8 de hate şilkirin da ku pelê Cu were rakirin. Grafîna aliyê jêrîn bêyî pêça PMMA bê guman dê şikestin û kêmasiyên wê hebin ku dihêle ku ajal bikaribe derbasî (36, 37) bibe. Wekî ku di Wêne 1A de tê xuyang kirin, di bin bandora tansiyona rûvî de, domainên grafînê yên serbestberdayî di nav pêçan de pêçayî bûn û paşê li ser fîlma jorîn-G/PMMA ya mayî ve hatin girêdan. Perçeyên jorîn-G/G dikarin li ser her substratê, wek SiO2/Si, cam, an polîmera nerm werin veguheztin. Dubarekirina vê pêvajoya veguheztinê çend caran li ser heman substratê avahiyên MGG dide.
(A) Wêneya şematîk a prosedûra çêkirina MGG-yan wekî elektrodeke dirêjkirî. Di dema veguhastina grafînê de, grafîna piştê ya li ser pelê Cu li sînor û kêmasiyan hate şikandin, bi şeklên kêfî hate pêçandin, û bi zexmî li ser fîlmên jorîn hate girêdan, nanoscroll çêkirin. Kartona çaremîn avahiya MGG-ya stûkirî nîşan dide. (B û C) Taybetmendiyên TEM-ê yên çareseriya bilind ên MGG-yek yekqatî, ku bi rêzê ve li ser grafîna yekqatî (B) û herêma scroll (C) disekine. Navbera (B) wêneyek mezinbûnê ya kêm e ku morfolojiya giştî ya MGG-yên yekqatî li ser tora TEM nîşan dide. Navberên (C) profîlên şiddetê ne ku li ser qutiyên çargoşeyî yên di wêneyê de hatine destnîşan kirin, ku dûrahiyên di navbera balafirên atomî de 0.34 û 0.41 nm in. (D) Spektrum EEL-ya qiraxa Karbon K bi lûtkeyên grafîtîk ên π* û σ* yên taybetmendî hatine nîşankirin. (E) Wêneya AFM-ya beşî ya scrollên G/G yên yekqatî bi profîlek bilindahî li ser xeta xalxalî ya zer. (F heta I) Mîkroskopiya optîkî û wêneyên AFM ên sêqatî G bêyî (F û H) û bi pêçan (G û I) li ser substratên SiO2/Si yên 300 nm-stûr, bi rêzê ve. Pêçan û çirçikên nûner hatin nîşankirin da ku cudahîyên wan werin ronîkirin.
Ji bo piştrastkirina ku pêçandin di xwezayê de grafîna pêçayî ne, me lêkolînên spektroskopiya mîkroskopiya elektronê ya veguheztina çareseriya bilind (TEM) û spektroskopiya windabûna enerjiya elektronê (EEL) li ser avahiyên pêçandina jorîn-G/G yên yekqatî pêk anîn. Wêne 1B avahiya şeşqatî ya grafîna yekqatî nîşan dide, û wêneya hundir morfolojiya giştî ya fîlmê ye ku li ser qulikek karbonê ya yekane ya tora TEM-ê hatiye nixumandin. Grafîna yekqatî piraniya torê digire, û hin perçeyên grafînê di hebûna gelek komên xelekên şeşqatî de xuya dibin (Wêne 1B). Bi zoomkirina nav pêçandinek takekesî (Wêne 1C), me hejmareke mezin ji perçeyên tora grafînê dît, bi mesafeya tora di navbera 0.34 û 0.41 nm de. Ev pîvandin nîşan didin ku perçe bi awayekî rasthatî pêçayî ne û ne grafîtek bêkêmasî ne, ku di komkirina qata "ABAB" de mesafeya tora 0.34 nm heye. Wêne 1D spektruma EEL ya karbona K-qirax nîşan dide, ku lûtkeya li 285 eV ji orbîtala π* derdikeve û ya din a li dora 290 eV ji ber veguherîna orbîtala σ* ye. Diyar e ku girêdana sp2 di vê avahiyê de serdest e, ku piştrast dike ku pêçên zîv pir grafîtîk in.
Wêneyên mîkroskopiya optîkî û mîkroskopiya hêza atomî (AFM) têgihîştinê li ser belavbûna nano-kaxezên grafînê di MGG-an de peyda dikin (Wêne 1, E heta G, û wêne S1 û S2). Kaxez bi awayekî rasthatî li ser rûyê erdê têne belavkirin, û dendika wan a di nav-balafirê de bi rêjeya jimara tebeqeyên rêzkirî zêde dibe. Gelek kaxez di girêkan de tevlihev in û bilindahiyên neyekreng di navbera 10 û 100 nm de nîşan didin. Ew 1 heta 20 μm dirêj û 0,1 heta 1 μm fireh in, li gorî mezinahiya perçeyên grafînê yên destpêkê. Wekî ku di Wêne 1 (H û I) de tê xuyang kirin, kaxez ji çirçikan pir mezintir in, ku dibe sedema rûberek pir hişktir di navbera tebeqeyên grafînê de.
Ji bo pîvandina taybetmendiyên elektrîkî, me fîlmên grafînê bi an bêyî avahiyên pêçayî û komkirina qatan bi karanîna fotolîtografiyê di şerîtên bi firehiya 300 μm û dirêjahiya 2000 μm de şêwaz kirin. Berxwedanên du-probê wekî fonksiyonek zorê di bin şert û mercên hawîrdorê de hatin pîvandin. Hebûna pêçayî berxwedana grafînê ya yekqatî bi rêjeya %80 kêm kir û tenê %2.2 kêmbûn di veguhestinê de (wêne S4). Ev piştrast dike ku nanopêçayî, ku dendika herikê ya bilind heya 5 × 107 A/cm2 (38, 39) heye, beşdariyek elektrîkî ya pir erênî li MGG-yan dikin. Di nav hemî grafîna sade ya yek-, du- û sêqatî û MGG-yan de, MGG-ya sêqatî xwedî konduktansa çêtirîn e ku şefafiyetek hema hema %90 e. Ji bo berawirdkirina bi çavkaniyên din ên grafînê yên ku di wêjeyê de hatine ragihandin, me berxwedanên çar-probê yên pelan jî pîvand (wêne S5) û wan wekî fonksiyonek veguhestinê li 550 nm (wêne S6) di Wêne 2A de rêz kir. MGG ji grafîna sade ya pirqatî ya çêkirî û oksîda grafînê ya kêmkirî (RGO) (6, 8, 18) guhêzbarî û zelaliyek berawirdî an bilindtir nîşan dide. Bala xwe bidinê ku berxwedanên pelan ên grafîna sade ya pirqatî ya çêkirî ya çêkirî ji wêjeyê hinekî ji yên MGG-ya me bilindtir in, dibe ku ji ber şert û mercên mezinbûna wan ên neçêtirkirî û rêbaza veguhastinê.
(A) Berxwedanên çar-probê li hember veguhestinê li 550 nm ji bo çend cureyên grafînê, ku çargoşeyên reş MGG-yên yek-, du- û sêqatî nîşan didin; çemberên sor û sêgoşeyên şîn bi grafîna sade ya pirqatî re têkildar in ku li ser Cu û Ni ji lêkolînên Li et al. (6) û Kim et al. (8) bi rêzê ve hatine çandin, û paşê li ser SiO2/Si an quartz hatine veguheztin; û sêgoşeyên kesk nirxên ji bo RGO di pileyên kêmkirinê yên cûda de ji lêkolîna Bonaccorso et al. (18) ne. (B û C) Guherîna berxwedana normalîzekirî ya MGG-yên yek-, du- û sêqatî û G wekî fonksiyonek zorê perpendîkular (B) û paralel (C) li gorî rêça herikîna herikê. (D) Guherîna berxwedana normalîzekirî ya duqatî G (sor) û MGG (reş) di bin barkirina zorê ya sîklîk de heya 50% zorê perpendîkular. (E) Guherîna berxwedana normalîzekirî ya sêqatî G (sor) û MGG (reş) di bin barkirina zorê ya sîklîk de heya 90% zorê paralel. (F) Guherîna kapasîtansa normalîzekirî ya G-yên yek-, du- û sê-qatî û MGG-yên du- û sê-qatî wekî fonksiyonek zorê. Navber avahiya kapasîtansê ye, ku substrata polîmer SEBS e û qata dîelektrîk a polîmer SEBS-ya bi stûriya 2 μm e.
Ji bo nirxandina performansa MGG-ê ya girêdayî zorê, me grafên li ser substratên elastomer ên termoplastîk ên stîren-etîlen-bûtadîen-stîren (SEBS) (~2 cm fireh û ~5 cm dirêj) veguhezt, û dema ku substrat dihat dirêjkirin (li Materyal û Rêbazan binêre) hem perpendîkular û hem jî paralel bi rêça herikîna herikê re (Wêne 2, B û C) rêjeyên guhêrbar hatin pîvandin. Reftara elektrîkê ya girêdayî zorê bi tevlêkirina nanoscrollan û zêdebûna hejmara qatên grafênê baştir bû. Mînakî, dema ku zor perpendîkular li ser herikîna herikê ye, ji bo grafên yekqatî, zêdekirina scrollan zorê di şikestina elektrîkê de ji 5% heta 70% zêde kir. Toleransa zorê ya grafên sêqatî jî li gorî grafên yekqatî bi girîngî baştir dibe. Bi nanoscrollan re, di zorê perpendîkular a 100% de, berxwedana avahiya MGG-ê ya sêqatî tenê bi 50% zêde bû, li gorî 300% ji bo grafên sêqatî bêyî scrollan. Guherîna berxwedanê di bin barkirina zorê ya çerxî de hate lêkolîn kirin. Ji bo berawirdkirinê (Wêne 2D), berxwedanên fîlmek grafînê ya duqatî ya sade piştî ~700 çerxan bi 50% zorê perpendîkular nêzîkî 7.5 caran zêde bûn û bi zorê re di her çerxê de zêde bûn. Ji hêla din ve, berxwedana MGG-ya duqatî tenê piştî ~700 çerxan nêzîkî 2.5 caran zêde bû. Bi sepandina heya 90% zorê li ser rêça paralel, berxwedana grafînê ya sêqatî piştî 1000 çerxan ~100 caran zêde bû, lê di MGG-ya sêqatî de ew tenê ~8 caran e (Wêne 2E). Encamên çerxkirinê di wêneya S7 de têne nîşandan. Zêdebûna nisbeten zûtir a berxwedanê li ser rêça zorê ya paralel ji ber ku arasteya şikestinan perpendîkular li gorî rêça herikîna herikê ye. Guherîna berxwedanê di dema zorê barkirin û dakêşanê de ji ber vegerandina vîskoelastîk a substrata elastomer a SEBS e. Berxwedana stabîltir a şerîtên MGG di dema çerxkirinê de ji ber hebûna pêçanên mezin e ku dikarin beşên şikestî yên grafînê (wekî ku ji hêla AFM ve hatî dîtin) ve girêbidin, û alîkariya domandina rêyek perkolasyonê bikin. Ev diyardeya parastina guhêrbariyê bi rêya rêyeke perkolasyonê berê ji bo fîlmên metalên şikestî an jî nîvconductor li ser substratên elastomer hatiye ragihandin (40, 41).
Ji bo nirxandina van fîlmên grafînê wekî elektrodên derî di cîhazên dirêjkirî de, me qata grafînê bi qatek dîelektrîk a SEBS (2 μm stûr) pêça û guherîna kapasîteya dîelektrîk wekî fonksiyonek zorê şopand (ji bo hûrguliyan li Şekil 2F û Materyalên Pêvek binêre). Me dît ku kapasîtansên bi elektrodên grafînê yên yekqatî û duqatî yên sade ji ber windabûna îhtîmala rêvebirina grafînê ya di nav-balafirê de zû kêm bûn. Berevajî vê, kapasîtansên ku ji hêla MGG-yan ve têne girtin û her weha grafîna sêqatî ya sade zêdebûnek kapasîtansê bi zorê re nîşan dan, ku ji ber kêmbûna qalindahiya dîelektrîkê bi zorê re tê hêvîkirin. Zêdebûna kapasîtansê ya ku tê hêvîkirin pir baş bi avahiya MGG re li hev kir (şekil S8). Ev nîşan dide ku MGG wekî elektrodek derî ji bo tranzîstorên dirêjkirî guncan e.
Ji bo ku em rola pêçandina grafînê ya 1D li ser toleransa zorê ya guhêrbariya elektrîkê bêtir lêkolîn bikin û veqetandina di navbera tebeqeyên grafînê de çêtir kontrol bikin, me CNT-yên bi spreyê pêçayî bikar anîn da ku pêçandinên grafînê biguherînin (li Materyalên Pêvek binêre). Ji bo teqlîdkirina avahiyên MGG, me sê dendikên CNT-yan danîn (ango, CNT1
(A heta C) Wêneyên AFM yên sê dendikên cuda yên CNTyan (CNT1
Ji bo ku em şiyana wan wekî elektrod ji bo elektronîkên dirêjkirî bêtir fam bikin, me bi awayekî sîstematîk morfolojiyên MGG û G-CNT-G di bin zextê de lêkolîn kirin. Mîkroskopiya optîkî û mîkroskopiya elektronê ya şopandinê (SEM) ne rêbazên karakterîzasyonê yên bi bandor in ji ber ku her du jî kontrastên rengan kêm dikin û SEM di dema şopandina elektronan de dema ku grafîn li ser substratên polîmer e, rastî artefaktên wêneyê tê (wêne S9 û S10). Ji bo çavdêriya rûyê grafînê di bin zextê de di cîh de, me pîvanên AFM li ser MGG-yên sêqatî û grafîna sade piştî veguheztina li ser substratên SEBS-ên pir zirav (~0.1 mm stûr) û elastîk berhev kirin. Ji ber kêmasiyên hundurîn ên di grafîna CVD de û zirara derveyî di dema pêvajoya veguheztinê de, bê guman li ser grafîna zextkirî şikestin çêdibin, û bi zêdebûna zextê re, şikestin qalindtir bûn (Wêne 4, A heta D). Li gorî avahiya kombûnê ya elektrodên bingeha karbonê, şikestin morfolojiyên cûda nîşan didin (wêne S11) (27). Tîrbûna qada şikestinê (ku wekî qada şikestinê/qada analîzkirî tê pênasekirin) ya grafîna pirqatî piştî zorê ji ya grafîna yekqatî kêmtir e, ku ev yek bi zêdebûna guhêzbariya elektrîkê ya MGG-yan re lihevhatî ye. Ji aliyekî din ve, pir caran tê dîtin ku scroll şikestinan çêdikin, rêyên guhêzbar ên zêde di fîlma zorê de peyda dikin. Mînakî, wekî ku di wêneya Şekil 4B de hatî nîşankirin, scrollek fireh li ser şikestinek di MGG-ya sêqatî de derbas bû, lê di grafîna sade de scroll nehat dîtin (Şekil 4, E heta H). Bi heman awayî, CNT-yan jî şikestinên di grafînê de çêdikin (şekil S11). Tîrbûna qada şikestinê, tîrbûna qada scrollê, û hişkbûna fîlman di Şekil 4K de têne kurtkirin.
(A heta H) Wêneyên AFM yên di cîh de yên pêçên G/G yên sêqatî (A heta D) û avahiyên G yên sêqatî (E heta H) li ser elastomerek SEBS-ê ya pir zirav (~0.1 mm stûr) bi zexta 0, 20, 60, û 100%. Şikestin û pêçên nûner bi tîran têne nîşankirin. Hemî wêneyên AFM di qadeke 15 μm × 15 μm de ne, bi karanîna heman xêza pîvana rengîn a wekî ku hatiye nîşankirin. (I) Geometrîya simulasyonê ya elektrodên grafînê yên yekqatî yên bi şêwe li ser substrata SEBS. (J) Nexşeya kontûra simulasyonê ya zexta logarîtmîk a sereke ya herî zêde di grafîna yekqatî û substrata SEBS-ê de bi zexta derveyî ya 20%. (K) Berawirdkirina dendika qada şikestinê (stûna sor), dendika qada pêçandinê (stûna zer), û hişkiya rûyê (stûna şîn) ji bo avahiyên grafînê yên cûda.
Dema ku fîlmên MGG têne dirêjkirin, mekanîzmayeke girîng a zêde heye ku pêç dikarin herêmên şikestî yên grafînê bipêçin, toreke perkolasyonê biparêzin. Pêçên grafînê sozdar in ji ber ku ew dikarin bi deh mîkrometreyan dirêj bin û ji ber vê yekê dikarin şikestinên ku bi gelemperî heya pîvana mîkrometreyê ne, bipêçin. Wekî din, ji ber ku pêç ji çend qatên grafînê pêk tên, tê payîn ku berxwedana wan kêm be. Berawirdkirinê, torên CNT yên nisbeten tîr (veguhestina kêmtir) hewce ne ku şiyana pira guhêrbar a berawirdî peyda bikin, ji ber ku CNT piçûktir in (bi gelemperî çend mîkrometreyan dirêj) û ji pêçên kêmtir guhêrbar in. Ji hêla din ve, wekî ku di wêneya S12 de tê xuyang kirin, dema ku grafîn di dema dirêjkirinê de ji bo bicîhanîna zorê dişkê, pêç naşkê, ku nîşan dide ku ya paşîn dibe ku li ser grafîna bingehîn diqelişe. Sedema ku ew naşkên, bi îhtîmaleke mezin ji ber avahiya pêçayî ye, ku ji gelek tebeqeyên grafînê pêk tê (~1 heta 20 μm dirêj, ~0.1 heta 1 μm fireh, û ~10 heta 100 nm bilind), ku moduleke bandorker a bilindtir ji grafîna yek-tebeqeyî heye. Wekî ku ji hêla Green û Hersam (42) ve hatî ragihandin, torên CNT yên metalî (qûtra lûleyê 1.0 nm) dikarin berxwedanên pelê yên kêm <100 ohm/sq tevî berxwedana mezin a girêdanê di navbera CNTyan de bi dest bixin. Ji ber ku firehiya scrollên grafînê yên me ji 0.1 heta 1 μm e û scrollên G/G ji CNTyan pir mezintir in, berxwedana têkiliyê û qada têkiliyê ya di navbera grafînê û scrollên grafînê de divê faktorên sînordar nebin da ku îhtîmala bilind were parastin.
Grafên xwedî moduleke pir bilindtir ji substrata SEBS e. Her çend qalindahiya bi bandor a elektroda grafênê ji ya substratê pir kêmtir be jî, hişkbûna grafênê caran qalindahiya wê bi ya substratê re berawirdî ye (43, 44), ku di encamê de bandorek girava hişk a nerm çêdibe. Me deformasyona grafênek bi qalindahiya 1 nm li ser substratek SEBS simulasyon kir (ji bo hûrguliyan li Materyalên Pêvek binêre). Li gorî encamên simulasyonê, dema ku ji derve zexta 20% li ser substrata SEBS tê sepandin, zexta navînî di grafênê de ~%6.6 e (Wêne 4J û wêne S13D), ku bi çavdêriyên ceribandinî re lihevhatî ye (li wêne S13 binêre). Me zexta di herêmên grafên bi şêwe û substratê de bi karanîna mîkroskopa optîkî berawird kir û dît ku zexta di herêma substratê de bi kêmî ve du qat ji zexta di herêma grafênê de ye. Ev nîşan dide ku zexta ku li ser şêweyên elektroda grafênê tê sepandin dikare bi girîngî were sînordar kirin, û giravên hişk ên grafênê li ser SEBS çêbike (26, 43, 44).
Ji ber vê yekê, şiyana elektrodên MGG ji bo parastina îhtîmala bilind a îhtîmalê bi du mekanîzmayên sereke ve tê çalakirin: (i) Kêl dikarin herêmên ji hev qutbûyî pir bikin da ku rêyek perkolasyona îhtîmal biparêzin, û (ii) pelên grafînê yên pirqatî/elastomer dikarin li ser hev biqelişin, di encamê de îhtîmala kêmkirina îhtîmala elektrodên grafînê kêm dibe. Ji bo gelek qatên grafînê yên veguheztî li ser elastomer, qat bi hev ve bi hêz ve girêdayî nînin, ku dibe ku di bersiva îhtîmala îhtîmalê de biqelişin (27). Kêl her weha hişkiya qatên grafînê zêde kir, ku dibe ku bibe alîkar ku veqetandina di navbera qatên grafînê de zêde bibe û ji ber vê yekê xişandina qatên grafînê gengaz bike.
Amûrên hemî-karbon ji ber lêçûna kêm û hilberîna wan a zêde bi coş têne şopandin. Di rewşa me de, tranzîstorên hemî-karbon bi karanîna deriyek grafînê ya jêrîn, têkiliyek çavkaniyek/derxistina grafînê ya jorîn, nîvconductorek CNT ya rêzkirî, û SEBS wekî dîelektrîk hatine çêkirin (Wêne 5A). Wekî ku di Wêne 5B de tê xuyang kirin, amûrek hemî-karbon bi CNT-yan wekî çavkanî/derxistin û derî (amûra jêrîn) ji amûra bi elektrodên grafînê (amûra jorîn) nezelaltir e. Ev ji ber ku torên CNT ji bo bidestxistina berxwedanên pelê yên mîna yên grafînê (wêne S4) qalindahiyên mezintir û, di encamê de, veguheztinên optîkî yên kêmtir hewce dikin. Wêne 5 (C û D) xêzên nûner ên veguhastin û derketinê berî zorê ji bo tranzîstorek ku bi elektrodên MGG yên duqatî hatî çêkirin nîşan dide. Firehiya kanalê û dirêjahiya tranzîstora bê zor bi rêzê ve 800 û 100 μm bûn. Rêjeya vekirin/girtinê ya pîvandî ji 103 mezintir e bi herikên vekirin û girtin di asta 10−5 û 10−8 A de. Xêza derketinê rêjeyên xêzikî û têrbûnê yên îdeal bi girêdayîbûna voltaja dergehê ya zelal nîşan dide, ku têkiliya îdeal di navbera CNT û elektrodên grafînê de nîşan dide (45). Berxwedana têkiliyê bi elektrodên grafînê re ji ya bi fîlma Au ya buharbûyî kêmtir hate dîtin (li şekil S14 binêre). Tevgera têrbûnê ya tranzîstora dirêjkirî bi qasî 5.6 cm2/Vs ye, dişibihe ya heman tranzîstorên CNT yên bi polîmer-sortkirî li ser substratên Si yên hişk bi 300-nm SiO2 wekî qatek dîelektrîk. Baştirbûna bêtir di tevgerînê de bi dendika lûleya çêtirînkirî û celebên din ên lûleyan gengaz e (46).
(A) Nexşeya tranzîstora dirêjkirî ya li ser bingeha grafînê. SWNT, nanolûleyên karbonê yên yek-dîwar. (B) Wêneya tranzîstorên dirêjkirî yên ji elektrodên grafînê (jor) û elektrodên CNT (jêr) hatine çêkirin. Cûdahiya di şefafiyetê de bi zelalî diyar e. (C û D) Xêzên veguhastin û derketinê yên tranzîstora li ser bingeha grafînê li ser SEBS berî zorê. (E û F) Xêzên veguhastinê, herika vekirin û girtinê, rêjeya vekirin/girtinê, û tevgera tranzîstora li ser bingeha grafînê di zorên cûda de.
Dema ku cîhaza şefaf û hemû-karbon di rêça paralel bi rêça veguhastina bar de hate dirêjkirin, heta %120 zorê kêmtirîn xirabûn hate dîtin. Di dema dirêjkirinê de, tevgerîn bi berdewamî ji 5.6 cm2/Vs di 0% zorê de daket 2.5 cm2/Vs di 120% zorê de (Wêne 5F). Me performansa tranzîstorê ji bo dirêjahiyên kanalên cûda jî berawird kir (li tabloya S1 binêre). Bi taybetî, di zorê de bi qasî %105, hemî van tranzîstoran hîn jî rêjeyek vekirin/girtinê ya bilind (>103) û tevgerîn (>3 cm2/Vs) nîşan dan. Wekî din, me hemî xebatên dawî yên li ser tranzîstorên hemû-karbon kurt kirin (li tabloya S2 binêre) (47-52). Bi çêtirkirina çêkirina cîhazê li ser elastomeran û bi karanîna MGG-yan wekî têkiliyan, tranzîstorên me yên hemû-karbon di warê tevgerîn û hîsteresisê de û her weha pir dirêjkirî ne, performansek baş nîşan didin.
Wekî sepandina tranzîstora bi temamî zelal û dirêjkirî, me ew ji bo kontrolkirina guheztina LED-ê bikar anî (Wêne 6A). Wekî ku di Wêne 6B de tê xuyang kirin, LED-a kesk bi rêya cîhaza dirêjkirî ya hemî-karbon a ku rasterast li jor hatî danîn bi zelalî tê dîtin. Dema ku heya ~%100 dirêj dibe (Wêne 6, C û D), şîdeta ronahiya LED-ê naguhere, ku ev bi performansa tranzîstorê ya ku li jor hatî vegotin re lihevhatî ye (li fîlma S1 binêre). Ev rapora yekem a yekîneyên kontrolê yên dirêjkirî ye ku bi karanîna elektrodên grafînê hatine çêkirin, ku îhtîmalek nû ji bo elektronîkên dirêjkirî yên grafînê nîşan dide.
(A) Çerxa tranzîstorekê ji bo ajotina LEDê. GND, erd. (B) Wêneya tranzîstora tevahî-karbonî ya dirêjkirî û zelal bi zexta 0% ku li jor LEDek kesk hatiye danîn. (C) Tranzîstora tevahî-karbonî ya zelal û dirêjkirî ku ji bo guheztina LEDê tê bikar anîn, li jor LEDê bi zexta 0% (çep) û zexta ~100% (rast) hatiye danîn. Tîrên spî wekî nîşankerên zer ên li ser cîhazê nîşan didin da ku guherîna dûrbûnê ya ku tê dirêjkirin nîşan bidin. (D) Dîtina alî ya tranzîstora dirêjkirî, bi LED-ê ku di nav elastomerê de hatiye pêlkirin.
Di encamê de, me avahiyek grafînê ya zelal û guhêzbar pêşxistiye ku di bin zextên mezin de wekî elektrodên dirêjkirî guhêzbariya bilind diparêze, ku bi saya nanoscrollên grafînê yên di navbera tebeqeyên grafînê yên rêzkirî de tê çalakirin. Ev avahiyên elektrodên MGG yên du- û sê-tebeqeyî li ser elastomerek dikarin bi rêzê ve 21% û 65% ji guhêzbariya zexta xwe ya 0% di zextek heya 100% de biparêzin, li gorî windabûna tevahî ya guhêzbariyê di zexta 5% de ji bo elektrodên grafînê yên yek-tebeqeyî yên tîpîk. Rêyên guhêzbar ên zêde yên scrollên grafînê û her weha têkiliya qels di navbera tebeqeyên veguheztî de beşdarî aramiya guhêzbariya bilind di bin zextê de dibin. Me ev avahiya grafînê bêtir bikar anî da ku tranzîstorên dirêjkirî yên hemî-karbon çêbikin. Heta niha, ev tranzîstora herî dirêjkirî ya li ser bingeha grafînê ye ku xwedan şefafiya çêtirîn bêyî karanîna çemandinê ye. Her çend lêkolîna heyî ji bo çalakkirina grafînê ji bo elektronîkên dirêjkirî hatibe kirin jî, em bawer dikin ku ev nêzîkatî dikare ji bo materyalên din ên 2D were dirêj kirin da ku elektronîkên 2D yên dirêjkirî çalak bike.
Grafêna CVD ya rûbereke mezin li ser pelên Cu yên daliqandî (99.999%; Alfa Aesar) di bin zexteke domdar a 0.5 mtorr de bi 50–SCCM (santîmetre kûbîk a standard di hûrdemê de) CH4 û 20–SCCM H2 wekî pêşeng di 1000°C de hat çandin. Her du aliyên pelên Cu bi grafên yekqatî hatin nixumandin. Çînek zirav a PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) li aliyekî pelên Cu bi spin-coating hat pêçandin, avahiyek PMMA/G/pela Cu/G çêkir. Piştre, tevahiya fîlm bi qasî 2 saetan di çareseriya 0.1 M amonyûm persulfat [(NH4)2S2O8] de hat şilkirin da ku pela Cu were rakirin. Di vê pêvajoyê de, grafêna pişta bêparastin pêşî li ser sînorên dendikan qetiya û dûv re ji ber tansiyona rûvî bû çerx. Çerx li ser fîlma grafêna jorîn a bi piştgiriya PMMA ve hatin girêdan, çerxên PMMA/G/G çêkirin. Piştre fîlm çend caran di ava bêîyonîze de hatin şuştin û li ser substratek hedef, wek substratek SiO2/Si ya hişk an plastîk hatin danîn. Gava ku fîlma pêvekirî li ser substratê zuwa bû, nimûne bi rêzê di aseton, 1:1 aseton/IPA (alkola îzopropîl), û IPA de ji bo her yekê 30 saniyeyan hate şilkirin da ku PMMA were rakirin. Fîlm 15 deqîqe di 100°C de hatin germ kirin an jî tevahiya şevê di valahiyek de hatin hiştin da ku ava asêmayî bi tevahî were rakirin berî ku qatek din a pêçandina G/G li ser wê were veguheztin. Ev gav ji bo pêşîgirtina veqetandina fîlma grafînê ji substratê û misogerkirina vegirtina tevahî ya MGG-an di dema berdana qata hilgirê PMMA de bû.
Morfolojiya avahiya MGG bi karanîna mîkroskopa optîkî (Leica) û mîkroskopa elektronî ya skankirinê (1 kV; FEI) hate çavdêrîkirin. Mîkroskopek hêza atomî (Nanoscope III, Digital Instrument) di moda lêdanê de hate xebitandin da ku hûrguliyên pêçanên G werin çavdêrîkirin. Şefafiyeta fîlmê bi spektrometreyek ultraviyole-dîtbar (Agilent Cary 6000i) hate ceribandin. Ji bo ceribandinan dema ku zext li ser rêça perpendîkular a herikîna herikînê bû, fotolîtografî û plazmaya O2 hatin bikar anîn da ku avahiyên grafînê di şerîtan de model bikin (~300 μm fireh û ~2000 μm dirêj), û elektrodên Au (50 nm) bi karanîna maskên siya li her du seriyên aliyê dirêj bi germî hatin danîn. Dûv re şerîtên grafînê bi elastomerek SEBS (~2 cm fireh û ~5 cm dirêj) re hatin danîn, bi eksena dirêj a şerîtan paralel bi aliyê kurt ê SEBS re û dûv re jî gravkirina BOE (oksîda tamponkirî ya gravkirinê) (HF:H2O 1:6) û galium ûndiyûma eutektîk (EGaIn) wekî têkiliyên elektrîkî. Ji bo ceribandinên zorê yên paralel, avahiyên grafînê yên bêşêwe (~5 × 10 mm) li ser substratên SEBS hatin veguheztin, bi eksên dirêj paralel bi aliyê dirêj ê substrata SEBS. Ji bo her du rewşan jî, tevahiya G (bêyî pêçên G)/SEBS li ser aliyê dirêj ê elastomerê di amûrek destî de hate dirêjkirin, û di cîh de, me guhertinên berxwedana wan di bin zorê de li ser stasyonek sondayê bi analîzkerek nîvconductor (Keithley 4200-SCS) pîvan.
Tranzîstorên karbonî yên pir dirêjkirî û zelal li ser substratek elastîk bi rêbazên jêrîn hatin çêkirin da ku zirara dielektrîk a polîmer û substratê ji hêla çareserkerê organîk ve neyê girtin. Strukturên MGG wekî elektrodên derî li ser SEBS hatin veguheztin. Ji bo bidestxistina çînek dielektrîk a polîmer a fîlma zirav a yekreng (2 μm stûr), çareseriyek toluenê ya SEBS (80 mg/ml) li ser substratek SiO2/Si ya guherandî ya oktadecyltrichlorosilane (OTS) bi 1000 rpm ji bo 1 hûrdemê hate pêçandin. Fîlma dielektrîk a zirav dikare bi hêsanî ji rûyê OTS ya hîdrofobîk li ser substrata SEBS ya ku bi grafena amadekirî ve hatî nixumandin were veguheztin. Kapasîtorek dikare bi danîna elektrodek jorîn a metalê şile (EGaIn; Sigma-Aldrich) were çêkirin da ku kapasîtans wekî fonksiyonek zorê bi karanîna pîvanek LCR (înduktans, kapasîtans, berxwedan) (Agilent) were destnîşankirin. Beşa din a tranzîstorê ji CNT-yên nîvconductor ên bi polîmer hatine rêzkirin pêk dihat, li gorî rêbazên ku berê hatine ragihandin (53). Elektrodên çavkanî/drainê yên bi şêweyê xwe li ser substratên SiO2/Si yên hişk hatin çêkirin. Piştre, her du beş, dîelektrîk/G/SEBS û CNT/G/SiO2/Si yên bi şêweyê xwe, bi hev ve hatin laminasyonkirin û di BOE de hatin şilkirin da ku substrata SiO2/Si ya hişk were rakirin. Bi vî awayî, tranzîstorên bi tevahî zelal û dirêjkirî hatin çêkirin. Ceribandina elektrîkê di bin zextê de li ser sazkirina dirêjkirina destan wekî rêbaza jorîn hate kirin.
Materyalên pêvek ji bo vê gotarê li http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 hene.
şekil S1. Wêneyên mîkroskopiya optîkî yên MGG-ya yekqatî li ser substratên SiO2/Si di mezinbûnên cûda de.
şekil S4. Berawirdkirina berxwedan û veguhestinên pelên du-probe li 550 nm yên grafên sade yên yek-, du- û sê-qatî (çargoşeyên reş), MGG (xelekên sor), û CNT (sêgoşeya şîn).
şekil S7. Guherîna berxwedana normalîzekirî ya MGG-yên yek- û duqatî (reş) û G (sor) di bin barkirina zorê ya çerxî ya ~1000 de heta bi rêzê ve 40 û 90% zorê paralel.
şekil S10. Wêneya SEM a MGG ya sêqatî li ser elastomera SEBS piştî zorê, xaçerêyek dirêj a li ser çend şikestinan nîşan dide.
şekil S12. Wêneya AFM ya MGG ya sêqatî li ser elastomera SEBS ya pir zirav bi zexta 20%, nîşan dide ku pêçek ji ser şikestinekê derbas dibe.
Tabloya S1. Livînên tranzîstorên nanolûbeyên karbonê yên duqatî yên MGG-yek-dîwar li dirêjahiyên kanalên cûda berî û piştî zorê.
Ev gotareke gihîştina vekirî ye ku li gorî şertên lîsansa Creative Commons Attribution-NonCommercial tê belavkirin, ku destûrê dide karanîn, belavkirin û hilberandinê di her medyayê de, heya ku karanîna encam ne ji bo berjewendiya bazirganî be û bi şertê ku xebata orîjînal bi rêkûpêk were vegotin.
TÊBÎNÎ: Em tenê navnîşana e-nameya we dixwazin da ku kesê ku hûn vê rûpelê pêşniyar dikin bizanibe ku hûn dixwazin ew wê bibînin, û ku ew ne nameyên nexwestî ye. Em tu navnîşana e-nameyê tomar nakin.
Ev pirs ji bo ceribandina ka hûn mêvanek mirovî ne an na û ji bo pêşîgirtina şandinên spamê yên otomatîk e.
Ji hêla 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
Ji hêla 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 Komeleya Amerîkî ji bo Pêşveçûna Zanistê. Hemû maf parastî ne. AAAS hevparê HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef û COUNTER e. Zanistî Pêşveçûn ISSN 2375-2548.
Dema weşandinê: 28ê rêbendana 2021an