Materyalên du-alî, wek grafene, hem ji bo sepanên nîvconductor yên kevneşopî hem jî ji bo serîlêdanên nûjen ên di elektronîkên maqûl de balkêş in. Lêbelê, hêza tîrêjê ya bilind a grafene dibe sedema şkestinê di tengahiyek kêm de, û ew dijwar e ku meriv ji taybetmendiyên wê yên elektronîkî yên awarte di elektronîkên dirêjkirî de sûd werbigire. Ji bo ku em performansa hêja-girêdayî çengalê ya gîhayên grafene şefaf çalak bikin, me nanoscrollên grafenê di navbera qatên grafene yên lihevkirî de, ku wekî grafen/grafene pirreng (MGG) têne binav kirin, afirandin. Di bin çewsandinê de, hin pelan pira qadên perçebûyî yên grafenê girtin da ku torgilokek perkolan bidomînin ku di tîrêjên bilind de guheztinek hêja çêdike. MGG-yên sê qat ên ku li ser elastomeran têne piştgirî kirin 65% ji gihandina xweya orîjînal di 100% tengahiyê de digirin, ku li gorî arasteya herikîna heyî perpendîkular e, di heman demê de fîlimên sêlayer ên grafene bêyî nanoscroll tenê 25% ji gihandina xweya destpêkê diparêzin. Transîstorek tev-karbonê ya dirêjkirî ya ku bi karanîna MGG-ê wekî elektrodê hatî çêkirin veguheztinek ji% 90 zêdetir nîşan da û 60% ji hilberîna xweya orîjînal di 120% tengahiyê de (paralel bi arastekirina barkirinê re) girt. Van transîstorên hemî-karbonê yên pir dirêjkirî û zelal dikarin optoelektronîkên dirêjkirî yên sofîstîke bikin.
Elektronîkên şefaf ên dirêjkirî qadek geş e ku di pergalên biyoentegrekirî yên pêşkeftî de (1, 2) de serîlêdanên girîng hene û hem jî potansiyela entegrekirina bi optoelektronîkên dirêjkirî (3, 4) ji bo hilberîna robotîk û dîmenên nerm ên sofîstîke hene. Graphene taybetmendiyên pir xwestek ên qalindiya atomê, zelalbûna zêde, û gihandina bilind nîşan dide, lê pêkanîna wê di sepanên dirêjkirî de ji ber meyla wê ya ku di çewsên piçûk de bişkîne, hatiye asteng kirin. Derbaskirina tixûbên mekanîkî yên grafene dikare di cîhazên zelal ên dirêjkirî de fonksiyonek nû bike.
Taybetmendiyên bêhempa yên grafene wê ji bo nifşa pêşeroj a elektrodên şefaf ên şefaf berendamek bihêz dike (5, 6). Li gorî rêgeza zelal a ku herî zêde tê bikar anîn, oksîdê tindyûmê [ITO; 100 ohms / çargoşe (sq) bi 90% şefafî], grafene monolayer ku ji hêla hilweşandina buhara kîmyewî (CVD) ve hatî mezin kirin, xwedan berhevokek wekhev a berxwedana pelê (125 ohms / sq) û zelaliyê (97,4%) (5). Wekî din, fîlimên grafene li gorî ITO (7) xwedan nermbûnek awarte ne. Mînakî, li ser bingehek plastîk, gerîdeya wê dikare ji bo tîrêjek kêşanê ya bi qasî 0,8 mm piçûk jî were ragirtin (8). Ji bo ku performansa xweya elektrîkê wekî rêgezek maqûl a şefaf zêde bike, xebatên berê materyalên hîbrîdê yên grafene bi nanowirên zîv yek-dimensî (1D) an nanotubeyên karbonê (CNT) (9–11) pêşve xistine. Wekî din, grafen wekî elektrod ji bo nîvconduktorên heterostruktural ên hevedudanî (wek mezin Si 2D, nanotêl/nanotube 1D, û xalên quantumê 0D) (12), transîstorên nerm, hucreyên rojê, û dîodên ronahiyê (LED) wekî elektrod hatine bikar anîn (13). -23).
Her çend grafene ji bo elektronîkên maqûl encamên sozdar nîşan daye jî, serîlêdana wê di elektronîkên dirêjkirî de ji hêla taybetmendiyên mekanîkî ve sînorkirî ye (17, 24, 25); graphene xwedan hişkiya di balafirê de 340 N/m û modula Young 0,5 TPa ye (26). Tora bihêz a karbon-karbonê ti mekanîzmayên belavkirina enerjiyê ji bo çenga serîlêdanê peyda nake û ji ber vê yekê bi hêsanî di kêmî ji% 5 de diqelişe. Mînakî, grafene CVD ku li ser substratek elastîk a polydimethylsiloxane (PDMS) hatî veguheztin tenê dikare rêwerziya xwe di kêmtirî 6% tengahiyê de biparêze (8). Hesabên teorîk destnîşan dikin ku qutbûn û pêwendiya di navbera qatên cihêreng de divê hişkiyê bi tundî kêm bike (26). Bi berhevkirina grafenê di çend qatan de, tê ragihandin ku ev grafenê du-an sê qat bi 30% çewisandinê ve dirêj dibe, guheztina berxwedanê 13 carî ji ya grafena yek-layer piçûktir nîşan dide (27). Lêbelê, ev dirêjbûn hîn jî bi girîngî ji rondikerên pêvekirî yên pêşkeftî kêmtir e (28, 29).
Transîstor di serîlêdanên dirêjkirî de girîng in ji ber ku ew xwendina senzorê ya sofîstîke û analîza nîşanê çalak dikin (30, 31). Transîstorên li ser PDMS-ê yên bi grafene pirreng wekî elektrodên çavkanî/vekêşanê û materyalê kanalê dikarin fonksiyona elektrîkê heya 5% tansiyonê biparêzin (32), ku ji bo senzorên çavdêriya tenduristî û çermê elektronîkî bi girîngî li jêr nirxa herî hindik hewce ye (~ 50%). 33, 34). Di van demên dawî de, nêzîkatiyek kirigami ya grafene hate lêkolîn kirin, û transîstora ku ji hêla elektrolîtek şil ve hatî girtin dikare bi qasî %240 were dirêj kirin (35). Lêbelê, ev rêbaz pêdivî ye ku grafên rawestandî, ku pêvajoya çêkirinê tevlihev dike.
Li vir, em di navbera tebeqeyên grafenê de (~1 heta 20 μm dirêj, ji ~0.1 heta 1 μm fireh, û ji ~ 10 heta 100 nm bilind) di navbera tebeqeyên grafene de, em gihîştin amûrên grafene yên pir dirêjkirî. Em hîpotez dikin ku van pêlên grafenê dikarin rêyên guhêrbar peyda bikin da ku pira şikestinên di pelên grafenê de biqedînin, bi vî rengî guheztina bilind di bin zordariyê de biparêzin. Pelên grafene ne hewceyî sentez û pêvajoyek zêde ne; ew bi xwezayî di pêvajoya veguhastina şil de têne çêkirin. Bi karanîna pirrengên G/G (grafen/grafen) (MGGs) elektrodên grafenî yên dirêjkirî (çavkanî/derxistin û dergeh) û CNT-yên nîvconductor, me karîbû transîstorên tev-karbonê yên pir zelal û pir dirêjkirî, ku dikarin digihîje 120-an de werin dirêj kirin, nîşan bidin. % tengezarî (paralel bi arastekirina barkirinê re) û 60% ji hilberana xweya heyî ya orîjînal digire. Ev transîstora karbonê ya herî zelal a herî dirêj e ku heya nuha ye, û ji bo ajotina LEDek înorganîk tîrêjek têr peyda dike.
Ji bo çalakkirina elektrodên grafenê yên şefaf û dirêjkirî yên qadeke mezin, me grafên ku ji hêla CVD ve hatî mezin kirin li ser pelika Cu hilbijart. Foila Cu di navenda lûleyek quartz a CVD de hate daliqandin da ku rê bide mezinbûna grafene li her du aliyan, avakirina strukturên G/Cu/G. Ji bo veguheztina grafenê, me ewil tebeqeyek tenik ji polî(methyl methacrylate) (PMMA) rijand da ku yek aliyek grafenê biparêze, ku me navê grafenê yê jorîn (berevajî alîyê din ê grafenê) lê kir, û dûv re, Tevahiya fîlimê (PMMA / grafên jorîn / Cu / grafên jêrîn) di nav çareya (NH4) 2S2O8 de hate rijandin da ku pelika Cu ji holê rabike. Grafena aliyê jêrîn bêyî pêlava PMMA-ê dê bê guman xwedan şikestin û kêmasiyên ku dihêle ku etchant di nav de derbas bibe (36, 37). Wekî ku di Fig. 1A de tê xuyang kirin, di bin bandora tansiyona rûkalê de, qadên grafene yên ku hatine berdan di nav pêlikan de geriyan û dûv re li ser fîlima top-G/PMMA ya mayî ve girêdayî bûn. Pelên top-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 strukturên MGG dide.
(A) Nîşana şematîkî ya prosedûra çêkirinê ya ji bo MGG wekî elektrodek dirêjkirî. Di dema veguheztina grafenê de, grafîna piştê ya li ser pelika Cu li ser sînor û kêmasiyan hate şkandin, li şeklên kêfî hate gêr kirin, û bi hişkî bi fîlimên jorîn ve hate girêdan, û nanoscrolls ava kirin. Kartona çaremîn strukturên MGG-ê yên lihevkirî nîşan dide. (B û C) Taybetmendiyên TEM-ê yên bi rezîliya bilind a MGG-yek monolayer, bi rêzê ve balê dikişîne ser grafene (B) û devera pêça (C). Navbera (B) wêneyek kêm-mezinkirinek e ku morfolojiya giştî ya MGG-yên monolayer li ser tora TEM-ê nîşan dide. Navberên (C) profîlên tundiyê ne ku li kêleka qutiyên çargoşe yên ku di wêneyê de hatine destnîşan kirin, ku dûrahiya di navbera firokeyên atomê de 0,34 û 0,41 nm ne. (D) Spectruma EEL-ê ya karbon-K-ê ku bi lûtkeyên grafîtîk π* û σ* yên taybetmendî hatine nîşankirin. (E) Wêneyê AFM-ya beşê ya yek-layer G/G bi profîlek bilindî li ser xeta xalîçeya zer diçîne. (F heta I) Mîkroskopiya optîkî û wêneya AFM ya sê qat G bê (F û H) û bi pêlên (G û I) bi rêzê ve li ser binesaziyên SiO2/Si bi qalindiya 300 nm. Pel û qiloçên temsîlkar hatin nîşankirin da ku cûdahiyên wan ronî bikin.
Ji bo verastkirina ku pel di xwezayê de grafenê gêrkirî ne, me lêkolînên spektroskopiya mîkroskopiya elektronîkî ya veguheztinê (TEM) û windakirina enerjiya elektronê (EEL) li ser strukturên top-G/G yên yek-layer kir. Figure 1B avahiya hexagonal a grafenek yek-layer nîşan dide, û navber morfolojiya giştî ya fîlimê ye ku li ser yek qulikek karbonê ya tora TEM-ê hatî vegirtin. Grafena yekdestî piraniya torê digire, û hin pelikên grafenê li ber hebûna gelek zengilên hexagonal xuya dikin (Hêjîrê. 1B). Bi zoomkirina nav pêleka ferdî (Hêjîra 1C), me hejmareke mezin ji perdeyên tîrêjê grafenê, bi dûrbûna tîrêjê di navbera 0,34 û 0,41 nm de dît. Van pîvandinan destnîşan dikin ku pelik bi rengekî bêkêmasî têne gêr kirin û ne grafîtek bêkêmasî ne, ku di xêzkirina qata "ABAB" de xwedan valahiya lat 0,34 nm e. Wêneya 1D spektruma EEL-ê ya karbon K-ê nîşan dide, ku lûtkeya li 285 eV ji orbîtala π* dertê û ya din jî li dora 290 eV ji ber veguheztina orbîtala σ* ye. Tê dîtin ku girêdana sp2 di vê strukturê de serdest e, verast dike ku pêlav pir grafîkî ne.
Wêneyên mîkroskopiya optîkî û mîkroskopiya hêza atomî (AFM) li ser belavkirina nanoscrollên grafene di MGG-an de têgihiştinê peyda dikin (Hêjîra 1, E heta G, û hêjîran S1 û S2). Pîrok bi rengek bêkêmasî li ser rûyê erdê têne belav kirin, û tîrêjiya wan a di balafirê de li gorî hejmara qatên lihevkirî zêde dibe. Gelek pirtûk di nav girêkan de têne tevlihev kirin û di navbera 10 û 100 nm de bilindahiyên neyeksanî nîşan didin. Ew ji 1 heta 20 μm dirêj û 0,1 heta 1 μm fireh in, li gorî mezinahiya pelikên wan ên grafene yên destpêkê. Wekî ku di Xiflteya 1 (H û I) de tê xuyang kirin, çîpên xwedan mezinahiyên girîngtir ji qermîçokan in, ku di navbera qatên grafene de berbi navberek pir dijwartir dibe.
Ji bo pîvandina taybetmendiyên elektrîkê, me bi karanîna fotolîtografî fîlimên grafene bi an bê strukturên gerîdeyê û xêzkirina qatê di nav xetên 300-m-fireh û 2000-μm-dirêj de nexşandin. Di bin şert û mercên hawirdorê de berxwedêrên du sondajê wekî fonksiyonek çewisandinê hatin pîvandin. Hebûna pelan berxwedêriya grafenê ya yek-layer %80 kêm kir û bi tenê 2,2% kêmbûna veguheztinê (hejmar S4). Ev piştrast dike ku nanoscrolls, yên ku xwedan dendika herikîna bilind heya 5 × 107 A/cm2 (38, 39), tevkariyek elektrîkî ya pir erênî li MGG-an dike. Di nav hemî grafen û MGG-yên sade yên yek-, du-, û sê-layer de, sê-layer MGG bi zelalbûna hema hema 90% xwedan rêveçûna çêtirîn e. Ji bo berhevdana bi çavkaniyên din ên grafene yên ku di wêjeyê de hatine ragihandin, me berxwedanên pelê çar-sonda jî pîvandin (hejmar S5) û wan wekî fonksiyonek veguheztinê li 550 nm (hejmar S6) di Xiflteya 2A de rêz kirin. MGG ji grafena sade ya piralî û oksîdê grafenê ya kêmkirî (RGO) ya ku bi rengek çêkirî hatî berhev kirin û şefafîbûn û şefafiyeta berawirdî an bilindtir nîşan dide (6, 8, 18). Bala xwe bidinê ku berxwedêrên pelê yên grafene sade ya pirrengî ya çêkirî ji edebiyatê piçekî ji ya MGG-ya me bilindtir in, dibe ku ji ber şert û mercên mezinbûna wan ên nebaş û rêbaza veguheztinê.
(A) Ji bo çend celeb grafene, ku çarçikên reş MGG-yên yek-, bi- û sê-layer destnîşan dikin, li hember veguheztina li 550 nm berxwedanên pelê çar-soz; derdorên sor û sêgoşeyên şîn bi grafene sade ya pirrengî ku li ser Cu û Ni ji lêkolînên Li et al. (6) û Kim et al. (8), bi rêzê ve, û dûv re li ser SiO2 / Si an quartz hate veguheztin; û sêgoşeyên kesk ji lêkolîna Bonaccorso et al ji bo RGO di dereceyên kêmkirina cûda de nirx in. (18). (B û C) Guherîna berxwedanê ya normalîzekirî ya MGG-yên yek-, du- û sê qat û G-ê wekî fonksiyonek çenga perpendîkular (B) û paralel (C) ya berbi herikîna niha ve. (D) Guherîna berxwedana normalîzekirî ya dulayer G (sor) û MGG (reş) di bin barkirina ziraviya dorhêl de heya% 50 çenga perpendîkular. (E) Guherîna berxwedanê ya normalkirî ya sêlayer G (sor) û MGG (reş) di bin barkirina ziraviya dorhêl de heya% 90 tengahiya paralel. (F) Guherîna kapasîteya normalîzekirî ya yek-, du- û sê qat G û MGG-yên du- û sê qat wekî fonksiyonek çengalê. Kevir strukturê kondensatorê ye, ku li wir substrata polîmer SEBS ye û qata dielektrîkî ya polîmer SEBS-a 2-μm stûr e.
Ji bo nirxandina performansa MGG-ê ya girêdayî çengalê, me grafene veguhezand ser binerdeyên elastomera termoplastîk styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~ 2 cm fireh û ~ ~ 5 cm dirêj), û dema ku substrate hate dirêj kirin, rêwerz hate pîvandin. (binêre Materyal û Rêbaz) hem perpendîkuler û hem jî paralelî arasteya herikîna niha (Hêjî. 2, B û C). Bi tevlêbûna nanoscrolls û zêdebûna hejmarên qatên grafene re tevgera elektrîkê ya girêdayî çengalê baştir bû. Mînakî, dema ku çewisandin li gorî herikîna heyî perpendîkular be, ji bo grafenê yek-layer, lêzêdekirina pelan di şikestina elektrîkê de ji 5-70% zêde kir. Di heman demê de tolerasyona tîrêjê ya grafên sê-layer jî li gorî grafenê yek-layer bi girîngî çêtir dibe. Bi nanoscrollan re, di 100% çenga perpendîkular de, berxwedana strûktûra MGG ya sê qat tenê ji% 50 zêde bû, li gorî 300% ji bo grafên sê qat a bê dor. Guhertina berxwedanê di bin barkirina çenga çîkal de hate lêkolîn kirin. Ji bo berhevdanê (Wêne. 2D), berxwedana fîlimek grafene ya dulayer a sade piştî ~ 700 dewran bi 50% çenga perpendîkular bi qasî 7,5 qat zêde bû û di her çerxê de bi çewisandinê zêde bû. Ji hêla din ve, berxwedana MGG ya dulayer tenê piştî ~ 700 dewran bi qasî 2.5 carî zêde bû. Bi sepandina 90% tengahiyê li ser riya paralel, berxwedana grafenê ya sê qat piştî 1000 dewran ~ 100 qat zêde bû, lê di MGG-ya sêqat de tenê ~ 8 carî zêde bû (Hêjî. 2E). Encamên bisîklêtê di jimarê de têne xuyang kirin. S7. Zêdebûna bi nisbeten zûtir a berxwedanê li ser rêgeziya çenga paralel e ji ber ku arastekirina şikestinan li gorî rêgeza herikîna heyî perpendîkular e. Veguheztina berxwedanê di dema barkirin û barkirinê de ji ber vejandina vîskoelastîk a substrata elastomer a SEBS ye. Di dema bisiklêtan de berxwedêra domdartir a tîrêjên MGG-ê ji ber hebûna pêlên mezin e ku dikarin perçeyên şikestî yên grafenê (wek ku ji hêla AFM-ê ve hatî xuyang kirin) pirek bikin, ji bo domandina rêgezek perkolan dibe alîkar. Ev diyardeya domandina rêvegirtinê ji hêla rêgezek perkolandî ve berê ji bo fîlimên metal ên şikestî an nîvconductor yên li ser substratên elastomer hatine ragihandin (40, 41).
Ji bo nirxandina van fîlimên grafene-based wekî elektrodên dergehê di cîhazên dirêjkirî de, me tebeqeya grafenê bi qatek dîelektrîkî ya SEBS (2 μm stûr) vegirt û guheztina kapasîteya dielektrîkê wekî fonksiyonek çewisandinê şopand (binihêre Fig. 2F û Materyalên Pêvek ji bo hûragahiyan). Me dît ku kapasîteyên bi elektrodên grafene yên yek-layer û dulayer zû zû kêm bûn ji ber windabûna guheztina grafenê ya di balafirê de. Berevajî vê, kapasîteyên ku ji hêla MGG ve têne dorpêç kirin û her weha grafên sêlayer a sade zêdebûna kapasîteyê ya bi çewisandinê re nîşan didin, ku tê pêşbînîkirin ku ji ber kêmbûna qalindahiya dielektrîkê bi tansiyonê re. Zêdebûna çaverêkirî ya kapasîteyê pir baş bi avahiya MGG-ê re li hev kir (jimar S8). Ev destnîşan dike ku MGG ji bo transîstorên dirêjkirî wekî elektrodek dergehek maqûl e.
Ji bo ku em rola pêla grafenê ya 1D li ser tolerasyona guheztina elektrîkê bêtir lêkolîn bikin û veqetîna di navbera qatên grafene de çêtir kontrol bikin, me CNT-yên bi spray-pêçandî bikar anîn da ku li şûna pelikên grafene binihêrin (binihêrin Materyalên Pêvek). Ji bo teqlîdkirina strukturên MGG, me sê dendikên CNTs (ango, CNT1
(A heta C) Wêneyên AFM yên sê dendikên cûda yên CNT (CNT1
Ji bo ku em jêhatîbûna wan wekî elektrodên elektronîkî yên dirêjtir fam bikin, me bi rêkûpêk morfolojiyên MGG û G-CNT-G di bin zordariyê de lêkolîn kir. Mîkroskopiya optîkî û mîkroskopiya elektronîkî ya şopandinê (SEM) ne rêbazên karakterîzekirinê yên bi bandor in ji ber ku hem jî berevajiya rengan tune û SEM di dema şopandina elektronê de dema ku grafîn li ser binerdeyên polîmer e (hejîr. S9 û S10) di bin bandora hunerên wêneyê de ye. Ji bo çavdêriya li cîhê rûbera grafenê ya di bin zordariyê de, me pîvandinên AFM-ê li ser MGG-yên sê-layer û grafene sade kom kirin piştî ku veguheztin ser binesazên SEBS-ê yên pir zirav (~0,1 mm stûr) û elastîk. Ji ber kêmasiyên hundurîn ên di grafên CVD de û zirara derveyî di dema pêvajoya veguheztinê de, bi neçarî li ser grafenê çewisandin şikestin çêdibin, û bi zêdebûna tansiyonê re, şikestin çeqtir dibin (Wêne. 4, A heta D). Li gorî strukturên stûnê yên elektrodên karbon-based, şikestin morfolojiyên cihêreng nîşan didin (fig. S11) (27). Tîrêjiya devera şikestê (wekî qada şikestî / qada vekolînkirî tê pênase kirin) grafene pirreng ji ya grafene yek-layer piştî çewisandinê kêmtir e, ku ev yek bi zêdebûna gihandina elektrîkê ya ji bo MGG-an re hevaheng e. Ji aliyek din ve, pir caran dor têne dîtin ku şikestinan bişkînin, di fîlima zirav de rêyên guhezbar ên zêde peyda dikin. Mînakî, wekî ku di wêneya jimar 4B de tê binavkirin, dorpêkek fireh li ser şikestinek di sêqata MGG-ê de derbas bû, lê di grafîna sade de ti pêçek nehat dîtin (Wêne. 4, E heta H). Bi heman awayî, CNT-yên di grafenê de şikestinan jî pir kirin (wêne S11). Tîrêjiya devera şikestî, tîrêjiya devera gerok, û hişkiya fîliman di Fig. 4K de hatine kurt kirin.
(A heta H) Wêneyên AFM-ê yên li cîhê sêlayên G/G (A ber D) û sêlaytên G (E heya H) li ser SEBSek pir zirav (~0.1 mm stûr) elastomer li 0, 20, 60, û 100 % tengahiyê. Çiq û pelên temsîlî bi tîran têne destnîşan kirin. Hemî wêneyên AFM li deverek 15 μm × 15 μm ne, ku bi pîvana heman rengî ya ku tê destnîşan kirin bikar tînin. (I) Geometriya simulasyonê ya elektrodên grafenê yên yekreng ên li ser substrata SEBS. (J) Nexşeya konturê ya simulasyonê ya çenga logarîtmîkî ya sereke ya herî zêde di grafene yek-layer û substrata SEBS de li 20% çenga derveyî. (K) Berawirdkirina tîrêjiya devera şikestinê (stûna sor), tîrêjiya devera gerîdeyê (stûna zer), û hişkiya rûkalê (stûna şîn) ji bo strukturên cihêreng ên grafene.
Dema ku fîlimên MGG têne dirêj kirin, mekanîzmayek zêde ya girîng heye ku pêlav dikarin deverên şikestî yên grafenê bikin pirek, torgilokek perkolan biparêzin. Pelên grafene sozdar in ji ber ku ew dikarin bi dehan mîkrometre dirêj bin û ji ber vê yekê dikarin şikestinên ku bi gelemperî digihîje pîvana mîkrometreyê pir bikin. Wekî din, ji ber ku pel ji pirrengên grafene pêk tê, tê payîn ku ew xwedî berxwedanek kêm bin. Di berhevdanê de, torên CNT-ê yên bi nisbeten zexm (veguhastina kêmtir) hewce ne ku ji bo peydakirina kapasîteya pira berawirdî ya berawirdî, ji ber ku CNT piçûktir in (bi gelemperî çend mîkrometre bi dirêjahî) û ji pêlikan kêmtir guhêrbar in. Ji aliyê din ve, wekî ku di hêjîrê de tê nîşandan. S12, dema ku grafen di dema dirêjkirinê de diqelişe da ku li ber tengahiyê bi cih bibe, pêlav naqelişin, ev destnîşan dike ku ya paşîn dibe ku li ser grafenê ya jêrîn biqelişe. Sedema ku ew neşikestin îhtîmal e ku ji ber strukturên gêrkirî ye, ku ji gelek tebeqeyên grafene (~ 1 heta 2 0 μm dirêjî, ~ 0,1 heya 1 μm fireh, û ~ 10 heya 100 nm bilind) pêk tê. modulusek bi bandor ji grafene yek-qatî bilindtir e. Wekî ku ji hêla Green û Hersam (42) ve hatî ragihandin, torgilokên CNT-ê yên metalîk (navbera boriyê 1.0 nm) dikarin berxwedanên pelê kêm <100 ohms / sq bi dest bixin tevî berxwedana mezin a hevberdanê di navbera CNT de. Bihesibînin ku pêlên me yên grafene xwedan firehiyên 0,1 heta 1 μm ne û ku pêlên G/G ji CNT-an xwedan qadên pêwendiyê pir mezintir in, berxwedana pêwendiyê û qada pêwendiya di navbera pêlên grafen û grafenê de divê ne faktorên sînordar bin ji bo domandina gerîdeya bilind.
Grafen ji substrata SEBS xwedan modulek pir zêde ye. Her çend stûrbûna bi bandor a elektroda grafenê ji ya substratê pir kêmtir e jî, hişkiya grafenê bi qalindahiya wê re bi ya substratê re hevaheng e (43, 44), ku di encamê de bandorek girava hişk a nerm çêdibe. Me deformasyona grafenek qalind a 1 nm li ser bingehek SEBS simule kir (ji bo hûrguliyan li Materyalên Pêvek binêre). Li gorî encamên simulasyonê, dema ku 20% çewisandin li ser substrata SEBS ji derve tê sepandin, çenga navîn di grafenê de %6,6 e (Hêjîra 4J û jimar S13D), ku bi çavdêriyên ceribandinê re lihevhatî ye (binêre Fig. S13) . Me bi karanîna mîkroskopiya optîkî ve çenga li herêmên grafene û substratê yên qalibkirî berawird kir û dît ku çewisandina li devera substratê bi kêmî ve du caran ji çenga herêma grafenê ye. Ev destnîşan dike ku çenga ku li ser qalibên elektrodê grafene tê sepandin dibe ku bi girîngî were sînordar kirin, ku giravên hişk ên grafene li ser SEBS çêbike (26, 43, 44).
Ji ber vê yekê, şiyana elektrodên MGG ku di bin çenga bilind de guheztina bilind bidomînin ji hêla du mekanîzmayên sereke ve têne çalak kirin: (i) Scroll dikarin deverên veqetandî pirek bikin da ku rêgezek perkolasyonê ya guhêzbar biparêzin, û (ii) dibe ku pelên grafene/elastomerên pir-layer bişewitînin. li ser hev, di encamê de li ser elektrodên grafene tengahiyê kêm dibe. Ji bo pir tebeqeyên grafenê yên li ser elastomerê hatine veguheztin, tebeq bi hevûdu re bi hêz nayên girêdan, ku dibe ku di bersivê de li ber çewisandinê biherike (27). Di heman demê de çîtikan hişkiya qatên grafenê jî zêde kir, ku dibe alîkar ku veqetîna di navbera qatên grafene de zêde bibe û ji ber vê yekê şûştina qatên grafenê bike.
Amûrên hemî-karbonê ji ber lêçûna kêm û berbi bilind bi coş têne şopandin. Di rewşa me de, transîstorên tev-karbonê bi karanîna dergehek grafenê ya jêrîn, pêwendiyek çavkaniyek grafenê ya jorîn / drain, nîvconduktorek CNT-ê ya birêkûpêk, û SEBS wekî dielektrîkê hatine çêkirin (Hêjî. 5A). Wekî ku di Xiflteya 5B de tê xuyang kirin, amûrek hemî karbonê ku CNT wekî çavkanî/drav û dergeh (alava jêrîn) heye ji amûra bi elektrodên grafene (alava jorîn) nezelaltir e. Ev e ji ber ku torên CNT stûrbûnek mezintir û, ji ber vê yekê, veguheztinên optîkî yên kêmtir hewce dike ku bigihîje berxwedêrên pelê yên mîna ya grafene (wêne S4). Xiflteya 5 (C û D) ji bo transîstorek ku bi elektrodên MGG-ya dulayetê hatî çêkirin, veguheztina nûner û kelûpelên derketinê li ber tengahiyê nîşan dide. Firehiya kanalê û dirêjahiya tranzîstora bêserûber bi rêzê 800 û 100 μm bû. Rêjeya pêvekirin/vekêşanê ya hatî pîvandin ji 103 mezintir e, digel herikandin û vekêşanê di astên 10-5 û 10-8 A, rêzê de. Rêjeya derketinê rejimên xêz û saturasyonê yên îdeal ên bi girêdana dergeh-voltaja zelal nîşan dide, têkiliya îdeal a di navbera CNT û elektrodên grafene de destnîşan dike (45). Berxwedana pêwendiya bi elektrodên grafenê re ji ya bi fîlima Au ya hilkirî kêmtir bû (binihêre Fig. S14). Tevgera têrbûnê ya transîstora dirêjkirî bi qasî 5,6 cm2/Vs e, mîna ya heman transîstorên CNT-ê yên polîmerî yên li ser substratên Si-ya hişk ên bi 300 nm SiO2 wekî qatek dielektrîkî ye. Zêdetir başbûnek di tevgerê de bi tîrêjiya boriyê ya xweşbînkirî û celebên din ên lûleyan gengaz e (46).
(A) Plana transîstora dirêjkirî ya li ser bingeha grafene. SWNT, nanotubeyên karbonê yên yek-dîwar. (B) Wêneya transîstorên dirêjkirî yên ku ji elektrodên grafene (jor) û elektrodên CNT (jêr) hatine çêkirin. Cûdahiya di şefafiyetê de bi zelalî tê dîtin. (C û D) Li ser SEBS-ê berî çewisandinê keriyên veguheztin û derketinê yên transîstora grafene-based. (E û F) Kulîlkên veguheztinê, tîrêjên pêveçûn û vekêşanê, rêjeya vekêşandin/çalakbûnê, û tevgera transîstora-based grafene di cûrbecûr de.
Dema ku amûra şefaf, tev-karbonê di rêça paralel a rêça veguheztina barkê de hate dirêj kirin, hilweşîna hindiktirîn heya 120% çewisandin hate dîtin. Di dema dirêjkirinê de, tevger bi domdarî ji 5,6 cm2/Vs bi 0% çewisandinê daket 2,5 cm2/Vs di 120% tengahiyê de (Wêne. 5F). Me di heman demê de performansa transîstorê ji bo dirêjahiya kanalên cihêreng berhev kir (li tabloya S1 binêre). Nemaze, di tengahiyek bi qasî 105% de, hemî van transîstor hîn jî rêjeyek pêvek / qutbûnê (> 103) û tevgerîn (> 3 cm2 / Vs) nîşan didin. Wekî din, me hemî xebata dawî ya li ser transîstorên hemî-karbonê kurt kir (li tabloya S2 binêre) (47–52). Bi xweşbînkirina çêkirina amûrê li ser elastomeran û karanîna MGG-an wekî têkilî, transîstorên me yên hemî-karbon di warê livîn û hîsteresisê de performansa baş nîşan didin û hem jî pir dirêjkirî ne.
Wekî serîlêdana transîstora bi tevahî zelal û dirêjkirî, me ew ji bo kontrolkirina veguheztina LED-ê bikar anî (Wêne. 6A). Wekî ku di Fig. 6B de tê xuyang kirin, LED-a kesk bi navgîniya cîhaza hemî-karbonê ya dirêjkirî ya ku rasterast li jor hatî danîn bi zelalî tê dîtin. Dema ku ~ 100% dirêj dibe (Hêjî. 6, C û D), şiyana ronahiya LED naguhezîne, ku bi performansa transîstorê ya ku li jor hatî diyar kirin re hevaheng e (li fîlimê S1 binêre). Ev yekem raporta yekîneyên kontrolê yên dirêjkirî ye ku bi karanîna elektrodên grafene hatine çêkirin, ji bo elektronîkên dirêjkirî yên grafene îmkanek nû destnîşan dike.
(A) Circuitek transîstorek ku LED-ê dimeşîne. GND, erd. (B) Wêneya transîstora hemî-karbonê ya dirêjkirî û zelal a bi 0% tansiyonê ku li jorê LEDek kesk hatî danîn. (C) Transîstora tev-karbonê ya zelal û dirêjkirî ya ku ji bo veguheztina LED-ê tê bikar anîn li jor li ser LED-ê bi% 0 (çep) û ~ 100% tengahî (rast) tê danîn. Tîrên spî wekî nîşangirên zer ên li ser cîhazê destnîşan dikin da ku guheztina dûrbûna dirêjkirî nîşan bidin. (D) Dîtina kêlekê ya transîstora dirêjkirî, digel ku LED di nav elastomer de tê kişandin.
Di encamnameyê de, me avahiyek grafenê ya şefaf pêşxistiye ku di bin tîrêjên mezin de wekî elektrodên dirêjkirî veguheztina bilind diparêze, ku ji hêla nanoscrollên grafenê ve di navbera tebeqeyên grafenê yên lihevkirî de têne çalak kirin. Van strukturên elektrodên MGG yên du- û sê-layer ên li ser elastomere dikarin bi rêzê ve 21 û 65% ji guheztinên xwe yên 0% di ziraviyek bi qasî 100% de biparêzin, li gorî windabûna tevahî ya guheztinê di 5% tengahiyê de ji bo elektrodên grafene yên tîpîk ên monolayer. . Rêçên guhezbar ên pêvekên grafene û her weha danûstendina qels a di navbera qatên veguheztin de dibe alîkar ku di bin zextê de îstîqrara gerîdeya bilindtir. Me vê avahiya grafene bêtir sepand da ku transîstorên dirêjkirî yên hemî-karbonî çêkin. Heya nuha, ev transîstora bingehîn a grafenê ya herî dirêjkirî ye ku bi zelaliya çêtirîn bêyî karanîna barkirinê ye. Her çend lêkolîna heyî ji bo çalakkirina grafene ji bo elektronîkên dirêjkirî hatibe kirin, em bawer dikin ku ev nêzîkatî dikare li materyalên 2D yên din were dirêj kirin da ku elektronîkên 2D-ya dirêjkirî çalak bike.
Grafena CVD-a qadeke mezin li ser pelikên Cu yên rawestayî (99,999%; Alfa Aesar) di bin zextek domdar a 0,5 mtorr de bi 50-SCCM (santîmetre kûp standard di hûrdeqê de) CH4 û 20-SCCM H2 wekî pêşgotin di 100 de hate mezin kirin. Her du aliyên pelika Cu ji hêla grafene yek-layer ve hatine pêçan. Parçeyek zirav a PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) li aliyek pela Cu hate pêçandin û avahiyek PMMA/G/Cu foil/G pêk anî. Dûv re, tevahiya fîlimê bi qasî 2 demjimêran di çareseriya 0,1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] de hate rijandin da ku pelika Cu jê bibe. Di vê pêvajoyê de, grafena paşîn a neparastî pêşî li sînorên genim çirandin û dûv re ji ber tansiyona rûkalê xwe berda nav pelan. Dûv re li ser fîlima grafene ya jorîn a bi piştgirîya PMMA ve hatî girêdan, pêlên PMMA/G/G ava kirin. Dûv re fîlim çend caran di nav ava deionîzekirî de hatin şûştin û li ser bingehek armancê, wek mînakek SiO2/Si an substratek hişk a plastîk, hatin danîn. Mîna ku fîlima pêvekirî li ser substratê zuwa bibe, nimûne bi rêzdarî di nav aceton, 1:1 aceton/IPA (alkola isopropyl) û IPA-yê de ji bo 30 seqeyan her yek ji bo rakirina PMMA tê rijandin. Fîlm 15 hûrdem li 100°C hatin germ kirin an jî bi şev di valahiyekê de hatin hilanîn da ku ava asêkirî bi tevahî jê bibe berî ku qatek din a pelika G/G li ser were veguheztin. Vê gavê ew bû ku ji veqetandina fîlima grafene ji binavê dûr bixin û di dema berdana qata hilgirê PMMA de vegirtina tam a MGG-ê peyda bikin.
Morfolojiya avahiya MGG bi karanîna mîkroskopa optîkî (Leica) û mîkroskopa elektronîkî ya şopandinê (1 kV; FEI) hate dîtin. Mîkroskopa hêza atomê (Nanoscope III, Amûra dîjîtal) di moda lêdanê de hate xebitandin da ku hûrguliyên pelikên G-yê temaşe bikin. Zelalbûna fîlimê ji hêla spektrometerek ultraviyole-dîtbar (Agilent Cary 6000i) ve hate ceribandin. Ji bo ceribandinên dema ku çewisandin li ser riya perpendîkular a herikîna heyî bû, fotolîtografî û plasma O2 hatin bikar anîn da ku strukturên grafene li xêzên (~ 300 μm fireh û ~ 2000 μm dirêj) bişopînin, û elektrodên Au (50 nm) bi germî bi karanîna germê hatin razandin. maskeyên siyê li herdu dawiya aliyê dirêj. Dûv re xetên grafene bi elastomerek SEBS (berfirehiya ~ 2 cm û dirêjî ~ 5 cm) re ketin têkiliyê, bi eksê dirêj ê xêzikan re bi aliyê kurt SEBS re paralel û dûv re BOE (oksîda tamponkirî) (HF:H2O) 1:6) etching û eutectic galium indium (EGaIn) wekî têkiliyên elektrîkê. Ji bo ceribandinên çenga paralel, strukturên grafenê yên neqedexe (~ 5 × 10 mm) li ser binesazên SEBS, bi eksên dirêj ên ku bi alîyê dirêj ê substrata SEBS-ê re paralel in, hatin veguheztin. Ji bo her du rewşan jî, tevahiya G (bêyî dorpêçên G) / SEBS bi aliyek dirêj a elastomer ve di nav amûrek destan de hate dirêj kirin, û di cîh de, me guheztinên berxwedana wan di bin zextê de li ser stasyonek sondajê bi analîzerek nîvconductor pîva (Keithley 4200 -SCS).
Transîstorên tev-karbonê yên pir dirêjkirî û zelal ên li ser substratek elastîk bi prosedurên jêrîn hatine çêkirin da ku ji zirara helera organîk a dielektrîk û substratê ya polîmer dûr nekevin. Strukturên MGG li ser SEBS wekî elektrodên dergehê hatin veguheztin. Ji bo bidestxistina qatek dielektrîkî ya polîmer a fîlima zirav (2 μm qalind), çareseriyek toluene SEBS (80 mg / ml) li ser substratek SiO2/Si ya oktadecyltrichlorosilane (OTS)-guhartî li 1000 rpm ji bo 1 hûrdemê hate pêçandin. Fîma dielektrîkî ya zirav dikare bi hêsanî ji rûbera OTS-ya hîdrofobîk li ser substrata SEBS-ê ya ku bi grafên wekî-amadekirî ve hatî nixumandin were veguheztin. Dikare kondensatorek bi depokirina elektrodek jorîn-metal a şil (EGaIn; Sigma-Aldrich) were çêkirin da ku kapasîteyê wekî fonksiyonek tengahiyê bi karanîna metreyek LCR (înduktans, kapasîteyê, berxwedan) (Agilent) diyar bike. Beşê din ê tranzîstorê ji CNT-yên nîv-rêvebir ên polîmer-rêvekirî pêk tê, li gorî prosedurên ku berê hatine ragihandin (53). Elektroda çavkaniyê / drainê ya qalibkirî li ser substratên hişk SiO2 / Si hatine çêkirin. Dûv re, du beş, dielektrîk / G / SEBS û CNTs / G/SiO2/Si-ya bi şêwazê, bi hevûdu re hatin qewirandin, û di BOE de hatin şilkirin da ku substrata SiO2/Si hişk were rakirin. Bi vî rengî, transîstorên bi tevahî zelal û dirêjkirî hatin çêkirin. Testkirina elektrîkê ya di bin zordariyê de wekî rêbazek jorîn li ser sazkirinek dirêjkirina destan hate kirin.
Materyalên pêvek ji bo vê gotarê li ser http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 heye
keman. S1. Wêneyên mîkroskopî yên optîkî yên MGG-ya monolayer li ser binesaziyên SiO2/Si bi mezinbûnên cihêreng.
keman. S4. Berawirdkirina berxwedan û veguheztina pelên du-sonda @550 nm grafene sade ya yek-, du- û sê qat (çargoşeyên reş), MGG (dorên sor), û CNT (sêgoşeya şîn).
keman. S7. Guherîna berxwedanê ya normalkirî ya MGG-yên mono- û dulayer (reş) û G (sor) di bin ~ 1000 barkirina çenga dorhêl de, bi rêzê, heya 40 û 90% çenga paralel.
keman. S10. Wêneya SEM-ê ya MGG ya sê-layer li ser elastomera SEBS-ê piştî tengahiyê, li ser çend şikestan xaça pêçek dirêj nîşan dide.
keman. S12. Wêneya AFM ya sêlayer MGG li ser elastomera SEBS ya pir zirav bi 20% tengahiyê de, nîşan dide ku peldankek li ser şikestekê derbas bûye.
tabloya S1. Tevgerên transîstorên nanotube yên karbonê yên dulayer MGG-yek-dîwar bi dirêjahiya kanalên cihê berî û piştî tengahiyê.
Ev gotarek vekirî ye ku di bin şertên lîsansa Creative Commons Attribution-NonCommercial de hatî belav kirin, ku destûrê dide bikar anîn, belavkirin û nûvekirinê di her navgînek de, heya ku karanîna encam ne ji bo berjewendiya bazirganî be û bi şertê ku xebata orîjînal bi rêkûpêk be. binavkirî.
BİXWÎNE: Em tenê navnîşana e-nameya we daxwaz dikin da ku kesê ku hûn rûpelê jê re pêşniyar dikin bizane ku we dixwest ku ew wê bibînin, û ku ew ne nameya nebaş e. Em tu navnîşana e-nameyê nagirin.
Ev pirs ji bo ceribandinê ye ku hûn mêvanek mirovî ne an na û ji bo pêşîlêgirtina şandina spamên otomatîkî.
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 şandinê: Jan-28-2021