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 grafenê di çenga kêm de dibe sedema şikestinê, ku ew di elektronîkên dirêjkirî de sûdwergirtina ji taybetmendiyên wê yên elektronîkî yên awarte dijwar dike.Ji bo ku em performansa girêdayê çengalê ya bêkêmasî ya gerîdokên grafene şefaf bikar bînin, me nanoscrollên grafene di navbera qatên grafenê yên lihevkirî de, ku wekî pelikên grafen/grafenê yên pirreng (MGG) têne binav kirin, afirandin.Di bin çewsandinê de, hin pelan pira domên perçebûyî yên grafene girtin da ku torgilokek perkolan bidomînin ku di çewisandinên bilind de guheztinek hêja çêdike.MGG-yên sê qat ên ku li ser elastomer têne piştgirî kirin 65% ji guheztina xweya orîjînal di 100% tengahiyê de digirin, ku li gorî arasteya herikîna heyî perpendîkular e, di heman demê de fîlimên sê qat ên grafene bêyî nanoscroll tenê 25% ji gihandina xweya destpêkê diparêzin.Transîstorek tev-karbonê ya dirêjkirî ya ku bi karanîna MGG-an wekî elektrod hatî çêkirin veguheztinek ji% 90% nîşan da û 60% ji hilberîna xweya orîjînal di 120% tengahiyê de girt (heval bi arastekirina barkirinê re).Van transîstorên hemî-karbonê yên pir dirêjkirî û zelal dikarin optoelektronîkên dirêjkirî yên sofîstîke bikin.
Elektronîkên şefaf ên dirêjkirî qadek mezin e ku di pergalên biyoentegrekirî yên pêşkeftî de (1, 2) de serîlêdanên girîng hene û hem jî potansiyela entegrebûna bi optoelektronîkên dirêjkirî (3, 4) ji bo hilberîna robotîk û dîmenên nerm ên sofîstîke hene.Graphene taybetmendiyên pir xwestek ên qalindiya atomê, şefafîbûna bilind, û gihandina bilind nîşan dide, lê pêkanîna wê di sepanên dirêjkirî de ji ber meyla wê ya şkestina li çewsên piçûk ve hatî asteng kirin.Derbaskirina tixûbên mekanîkî yên grafene dikare fonksiyonên nû di cîhazên zelal ên dirêjkirî de bike.
Taybetmendiyên bêhempa yên grafene wê ji bo nifşa pêşeroj a elektrodên şefaf ên şefaf berendamek bihêz dike (5, 6).Li gorî gîhaya şefaf a ku herî zêde tê bikar anîn, oksîdê tindyûmê [ITO;100 ohms / çargoşe (sq) bi 90% şefafî], grafene yek-layer ku ji hêla hilweşandina vapora 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 bi qasî 0,8 mm (8) tîrêjek kêşanê jî were ragirtin.Ji bo ku performansa xweya elektrîkê wekî rêgezek maqûl a şefaf zêde bike, xebatên berê materyalên hîbrîdê yên grafene bi nanowirên zîv yek-alî (1D) an nanotubeyên karbonê (CNT) (9–11) pêşve xistine.Wekî din, grafîn wekî elektrod ji bo nîvconduktorên heterostruktural ên hevedudanî (wek mezin Si 2D, nanowirên 1D/nanotube, û xalên quantumê 0D) (12), transîstorên nerm, hucreyên rojê, û dîodên ronahiyê (LED) wekî elektrod hatine bikar anîn (13). -23).
Her çend grafen ji bo elektronîkên maqûl encamên sozdar nîşan daye, lê sepana wê di elektronîkên dirêjkirî de ji hêla taybetmendiyên mekanîkî ve sînorkirî ye (17, 24, 25);grafene xwedan hişkiya di balafirê de 340 N/m û modula Young 0,5 TPa ye (26).Tora bihêz a karbon-karbonê ji bo çenga serîlêdanê mekanîzmayên belavkirina enerjiyê peyda nake û ji ber vê yekê bi hêsanî di kêmî% 5 de diqelişe.Mînakî, grafên CVD ku li ser substratek elastîk a polydimethylsiloxane (PDMS) hatî veguheztin tenê dikare guheztina xwe di kêmtirî 6% tengahiyê de biparêze (8).Hesabên teorîkî destnîşan dikin ku qulbûn û pêwendiya di navbera qatên cihêreng de divê hişkbûnê bi tundî kêm bike (26).Bi berhevkirina grafenê di çend qatan de, tê ragihandin ku ev grafenê du- an sê qat bi 30% tansiyonê ve dirêj dibe, guheztina berxwedanê 13 carî ji ya grafên yek-layer piçûktir nîşan dide (27).Lêbelê, ev dirêjbûn hîna jî bi girîngî ji serpêhatiyên 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/derxistinê û materyalê kanalê dikarin fonksiyona elektrîkê heya 5% tansiyonê biparêzin (32), ku ji bo senzorên çavdêriya tenduristiyê yên lixwekirî 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 grafene 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 guhezbar peyda bikin da ku pira şikestinên di pelên grafenê de bigirin, bi vî rengî guheztina bilind di bin zordariyê de biparêzin.Pelên grafene ne hewceyî sentez û pêvajoyek zêde ne;ew bi xwezayî di pêvajoya veguheztina şil de têne çêkirin.Bi karanîna pêlên G/G (grafene/grafene) yên pirreng (MGG) elektrodên dirêjkirî yên grafenê (çavkanî / avdan û dergeh) û CNT-yên nîvconductor, me karîbû transîstorên tev-karbonê yên pir zelal û pir dirêjkirî, ku dikarin heya 120-an werin dirêj kirin nîşan bidin. % çewsandin (paralel bi arastekirina barkirinê re) û %60 ji hilberana xweya orîjînal diparêze.Ev transîstora karbonê ya herî zelal a herî dirêjkirî ye heya nuha, û ji bo ajotina LEDek înorganîk tîrêjek têr peyda dike.
Ji bo çalakkirina elektrodên grafenê yên şefaf û dirêjkirî yên qadeke mezin, me li ser pelika Cu grafên ku ji hêla CVD ve hatî mezin kirin 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 pêşî qateke tenik ji polî(methyl methacrylate) (PMMA) rijand da ku yek aliyek grafenê biparêze, ku me navê grafenê yê jorîn (berûvajî aliyê din ê grafînê) lê kir, û dûv re, Tevahiya fîlimê (PMMA / grafên jorîn / Cu / grafên jêrîn) di nav çareseriya (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, domên grafenê yên ku hatine berdan di nav pêlikan de geriyan û dûv re li ser fîlima top-G/PMMA ya mayî ve hatin girêdan.Pelên top-G/G dikarin li ser her substratê, wekî SiO2/Si, cam, an polîmera nerm werin veguheztin.Dubarekirina vê pêvajoya veguheztinê çend caran li ser heman substratê strukturên MGG dide.
(A) Nîşaneya şematîkî ya prosedûra çêkirinê ji bo MGG wekî elektrodek dirêjkirî.Di dema veguheztina grafenê de, grafîna piştê ya li ser pelika Cu li ser sînor û kêmasiyan hate şikandin, bi şeklên kêfî ve hate gêr kirin, û bi hişkî bi fîlimên jorîn ve hate girêdan û nanoscrolls ava kirin.Kartona çaremîn strukturên MGG-ê yên lihevkirî destnîşan dike.(B û C) Taybetmendiyên TEM-ê yên bi rezîliya bilind a MGG-yek monolayer, bi rêzê ve li ser grafene (B) û devera pêça (C) hûr dibe.Navbera (B) wêneyek kêm-mezinbûnê ye ku morfolojiya giştî ya MGG-yên yek-layer li ser tora TEM-ê nîşan dide.Têlên (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 in, têne girtin.D(E) Wêneyê AFM-ya beşê ya yek-layer G/G bi profîlek bilindî li ser xeta xalîçeya zer vedigere.(F heta I) Mîkroskopiya optîkî û wêneya AFM ya sê qat G bêyî (F û H) û bi pêlên (G û I) bi rêzê ve li ser binesaziyên SiO2/Si yên qalind 300 nm.Pel û qiloçên temsîlkar hatin nîşankirin da ku cûdahiyên wan ronî bikin.
Ji bo verastkirina ku pel di xwezayê de grafene gêrkirî ne, me lêkolînên spektroskopiya mîkroskopiya elektronîkî ya veguheztinê (TEM) û windakirina enerjiya elektronê (EEL) bi rezîliya bilind a li ser strukturên pilana top-G/G-ya yek-layer kir.Figure 1B strukturên şeşgoşeyî yên grafenek monolayer nîşan dide, û xêzkirin morfolojiya giştî ya fîlimê ye ku li ser yek qulika karbonê ya tora TEM-ê hatî vegirtin.Grafena yek-layer piraniya torê digire, û hin pelikên grafenê li ber hebûna çend zengilên hexagonal xuya dibin (Hêjî. 1B).Bi zoomkirina nav pêleka ferdî (Hêjî. 1C), me jimareyek mezin ji perdeyên tîrêjê grafenê, ku cihê tîrêjê di navbera 0,34 û 0,41 nm de ye, dît.Van pîvandinan destnîşan dikin ku felq bi rengek bêkêmasî têne gêr kirin û ne grafîtek bêkêmasî ne, ku di xêzkirina qata "ABAB" de xwedan toreyek 0,34 nm e.Figure 1D spektruma EEL-a EEL-a karbonê nîşan dide, ku lûtkeya 285 eV ji orbîtala π* dertê û ya din 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 (Hêjî. 1, E heta G, û hêjîran S1 û S2) têgihiştinê peyda dikin.Pîvan 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 tebeqeyên grafene de berbi navbeynek pir dijwartir dibe.
Ji bo pîvandina taybetmendiyên elektrîkê, me bi karanîna fotolîtografî fîlimên grafene bi an bê strukturên gerîdok û xêzkirina qatê di nav xetên 300-m-berfireh û 2000-μm-dirêj de model kirin.Berxwedanên du-sondî wekî fonksiyonek tengahiyê di bin şert û mercên hawîrdorê de hatin pîvandin.Hebûna pelan berxwedêriya ji bo grafenê yek-layer %80 kêm kir bi tenê %2,2 kêmbûna veguheztinê (wîn. S4).Ev piştrast dike ku nanoscrolls, yên ku xwedan tansiyonek bilind a 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, MGG-ya sê-layer bi zelalbûna hema hema 90% xwedan rêveçûna çêtirîn e.Ji bo ku em bi çavkaniyên din ên grafenê yên ku di wêjeyê de hatine ragihandin re bidin ber hev, 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 berxwedanên pelê yên grafên sade yên pirrengî yên 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 cureyên grafene berxwedanên çar-sonda li hember veguheztina li 550 nm, ku çarçikên reş MGG-yên yek-, bi- û sê-layer destnîşan dikin;derdorên sor û sêgoşeyên şîn bi grafene sade ya pirreng ku li 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.Têk strukturê kondensatorê ye, ku jêrzemîna polîmerê SEBS ye û qata dielektrîkê ya polîmer SEBS-a 2-μm stûr e.
Ji bo nirxandina performansa MGG-ê ya girêdayî çengalê, me grafen veguhezand ser binesazên elastomera termoplastîk styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~ 2 cm fireh û ~ ~ 5 cm dirêj), û dema ku substrat hate dirêj kirin, rêgez hate pîvandin. (li Materyal û Rêbaz binêre) hem perpendîkular û hem jî paralel bi arasteya herikîna niha re (Hêl. 2, B û C).Bi tevlêbûna nanoscrolls û zêdebûna hejmarên qatên grafene re tevgera elektrîkê ya girêdayî çengalê çêtir bû.Mînakî, dema ku çewisandin berbi herikîna heyî ve ye, ji bo grafenê yek-layer, lêzêdekirina pelan di şikestina elektrîkê de ji 5 ber 70% zêde kir.Di heman demê de tolerasyona tîrêjê ya grafenê ya sê-layer jî li gorî grafena 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 dorhêl de hate lêkolîn kirin.Ji bo berhevdanê (Wêne. 2D), berxwedana fîlimek grafenê ya dulayer a sade piştî ~ 700 dewran bi 50% çenga perpendîkular de bi qasî 7,5 qat zêde bû û di her çerxê de her ku diçe zêde dibe.Ji hêla din ve, berxwedana MGG ya dulayer tenê piştî ~ 700 dewran bi qasî 2.5 carî zêde bû.Bi sepandina 90% çewisandinê li ser riya paralel, berxwedana grafene 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 arasteya çenga paralel e ji ber ku arastekirina şikestinan berbi arasteya herikîna heyî ve ye.Veguheztina berxwedanê di dema barkirin û barkirinê de ji ber vejandina vîskoelastîk a substrata elastomer a SEBS ye.Di dema bisiklêtê de berxwedêra domdar a tîrêjên MGG ji ber hebûna pêlên mezin ên ku dikarin perçeyên şikestî yên grafene (wek ku ji hêla AFM ve hatî xuyang kirin) pir 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 grafene bi qatek dîelektrîkî ya SEBS (2 μm stûr) vegirt û guheztina kapasîteya dielektrîkê wekî fonksiyonek çewriyê şopand (binihêre Fig. 2F û Materyalên Pêvek ji bo hûragahiyan).Me dît ku kapasîteyên bi elektrodên grafenê yên yek-layer û dulayer re zû kêm bûne ji ber windabûna guheztina grafenê ya di balafirê de.Berevajî vê, kapasîteyên ku ji hêla MGG ve têne dorpêç kirin û her weha grafên sê-layer a sade zêdebûna kapasîteyê ya bi tansiyonê re nîşan didin, ku tê pêşbînîkirin ji ber kêmbûna qalindahiya dielektrîkê bi tansiyonê re.Zêdebûna çaverêkirî ya kapasîteyê bi avahiya MGG re pir baş li hev kir (hejîr. S8).Ev destnîşan dike ku MGG ji bo transîstorên dirêjkirî wekî elektrodek dergehek maqûl e.
Ji bo ku em rola pêla grafenê ya 1D-ê li ser tolerasyona guheztina elektrîkê bêtir lêkolîn bikin û veqetandina di navbera qatên grafene de çêtir kontrol bikin, me CNT-yên bi spray-pêçayî bikar anîn da ku li şûna pelikên grafenê 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 dirêjkirî bêtir 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 berevajiya rengan tune û hem jî SEM di dema şopandina elektronê de dema ku grafen li ser binesaziyên polîmer e (hejîr. S9 û S10) di bin bandora hunerên wêneyê de ye.Ji bo ku li cîhê rûbera grafenê ya di bin zordariyê de temaşe bikin, me pîvandinên AFM-ê li ser MGG-yên sê-layer û grafên sade piştî veguheztina ser binesazên SEBS-ê yên pir zirav (~0,1 mm stûr) û elastîk berhev kirin.Ji ber kêmasiyên hundurîn ên di grafên CVD de û zirara derveyî ya di dema pêvajoya veguheztinê de, şikestin bi neçarî li ser grafenê zirav çêdibin, û bi zêdebûna tansiyonê re, şikestin her ku diçe ziravtir dibin (Wêne. 4, A heta D).Li gorî strukturên stûnê yên elektrodên karbon-bingehîn ve girêdayî, şikestin morfolojiyên cihêreng nîşan didin (wêne S11) (27).Tîrêjiya qada şikestê (wekî qada şikestinê / qada vekolînkirî tê pênase kirin) grafene pirreng ji ya grafene yek-layer piştî çewisandinê kêmtir e, ku bi zêdebûna guheztina 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 grafenê 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 sêlaytên G/G-yê (A ber D) û strukturên G-yê sê-layer (E heya H) li ser SEBSek pir zirav (~0.1 mm stûr) elastomer li 0, 20, 60, û 100 % çewsandin.Çiq û pelên temsîlî bi tîran têne destnîşan kirin.Hemî wêneyên AFM-ê li herêmek 15 μm × 15 μm ne, ku heman barê pîvana rengîn a ku tê destnîşan kirin bikar tînin.(I) Geometriya simulasyonê ya elektrodên grafene yên yekrengî yên li ser substrata SEBS.(J) Nexşeya konturê ya simulasyonê ya çenga logarîtmîkî ya sereke ya herî zêde di grafene yekreng û substrata SEBS de li% 20 çenga derveyî.(K) Berawirdkirina tîrêjiya devera şikestî (stûna sor), tîrêjiya devera pêçayî (stûna zer), û ziraviya rûxê (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 bigihînin pirê, 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 bişkînin.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 tîr (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 jimarê 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 heta 1 μm fireh, û ~ 10 heta 100 nm bilind) pêk tê, ku xwedî modulusek bibandor 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 berxwedana pelê kêm <100 ohms/sq bi dest bixin tevî berxwedana mezin a hevberdanê di navbera CNT de.Bihesibînin ku pêlavên me yên grafene ji 0,1 heta 1 μm fireh in û ku pêlên G/G ji CNT-yan xwedan qadên pêwendiyê pir mezintir in, divê berxwedana pêwendiyê û qada pêwendiya di navbera pêlên grafen û grafenê de 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 (43, 44) ve tê berhev kirin, ku di encamê de bandorek girava hişk a nerm çêdibe.Me deformasyona grafenek 1-nm stûr 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 (Hêjî. 4J û hêjîra S13D), ku bi çavdêriyên ceribandinê re hevaheng e (binêre Fig. S13) .Me bi karanîna mîkroskopiya optîkî ve çenga li herêmên grafene û substratê yên bi şeklekî dan ber hev û dît ku çewisandina li herêma 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, li ser SEBS giravên hişk ên grafene çêbike (26, 43, 44).
Ji ber vê yekê, şiyana elektrodên MGG ji bo domandina guheztina bilind di bin çenga bilind de dibe ku ji hêla du mekanîzmayên sereke ve were çalak kirin: (i) Peldank dikarin deverên veqetandî pirek bikin da ku rêgezek perkolasyonê ya guhêzbar biparêzin, û (ii) pelên grafene/elastomer ên pirrengî dibe ku bişewitînin. li ser hev, di encamê de li ser elektrodên grafene tengahî kêm dibe.Ji bo pir tebeqeyên grafene yên li ser elastomerê hatine veguheztin, qat bi hevûdu re bi hêz nayên girêdan, ku dibe ku di bersivê de li ber çewisandinê biherike (27).Di heman demê de pêlavan ziravbûna qatên grafenê jî zêde kir, ku dibe alîkar ku veqetîna di navbera qatên grafenê de zêde bibe û ji ber vê yekê şiyana qatên grafenê bihêle.
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 ya ku CNT wekî çavkanî/deranîn 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 dikin da ku bigihîjin berxwedanên pelê yên mîna ya grafene (wêne S4).Wêneya 5 (C û D) ji bo transîstorek ku bi elektrodên MGG-ya dulayetê hatî çêkirin, veguheztina nûner û kelûpelên derketinê li ber ziravbûnê 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 ku bi herikên pêvekirin û vekêşanê bi rêzê ve di astên 10-5 û 10-8 A de ye.Kûpa 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, dişibihe ya heman transîstorên CNT-ê yên polîmerî yên li ser substratên Si-ya hişk ên bi 300 nm SiO2 wekî qatek dielektrîkî.Pêşveçûnek din 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) Veguheztin û hilberana tranzîstora grafene-based li ser SEBS berî tengahiyê.(E û F) Kûçikên veguheztinê, niha û pêvekirin, rêjeya vekêşandin/çalakbûnê, û livîna transîstora-based grafene di cûrbecûr cûrbecûr de.
Dema ku amûra şefaf, tev-karbonê di rêça paralel a rêça veguheztina barkê de hate dirêj kirin, hilweşîna hindiktirîn heya 120% tengahî hate dîtin.Di dema dirêjkirinê de, tevger bi domdarî ji 5,6 cm2/Vs di 0% çewisandinê de 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, van hemî transîstor hîn jî rêjeyek pêvek / qutbûnek bilind (> 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 elastomer û karanîna MGG-an wekî têkilî, transîstorên me yên hemî-karbonê di warê livîn û hîsteresisê de û her weha pir dirêjbar performansa baş nîşan didin.
Wekî serîlêdana transîstora bi tevahî zelal û dirêjkirî, me ew ji bo kontrolkirina veguheztina LED-ê bikar anî (Hêjîrê 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 digihîje% ~ 100% (Hêjî. 6, C û D), şiyana ronahiya LED nayê guheztin, 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 têne çêkirin, ku ji bo elektronîkên dirêjkirî yên grafene îmkanek nû destnîşan dike.
(A) Circuitek transîstorek ku LED-ê dimeşîne.GND, erd.(B) Wêneya tranzîstora hemî-karbonê ya dirêjkirî û zelal a bi 0% tansiyonê ku li jorê LEDek kesk hatî danîn.(C) Transîstora tev-karbonê şefaf û dirêjkirî ya ku ji bo veguheztina LED-ê tê bikar anîn li jor LED-ê li% 0 (çep) û ~ 100% tengahî (rast) tê danîn.Tîrên spî wekî nîşangirên zer ên li ser cîhazê destnîşan dikin ku guheztina dûrbûna dirêjkirî nîşan bidin.(D) Dîtina kêlekê ya transîstora dirêjkirî, digel ku LED di nav elastomerê 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 bi rêzê 21 û 65% ji guheztinên xwe yên 0% di çewisandinek bi qasî 100% de biparêzin, li gorî windabûna tam a rêgirtinê li 5% tengahiyê ji bo elektrodên grafene yên tîpîk ên monolayer. .Rêçên guhezbar ên zêde yên pêlên grafene û her weha danûstendina qels a di navbera qatên veguheztin de dibe alîkar ku di bin zordariyê de aramiya guheztina bilindtir çêbibe.Me vê avahiya grafene bêtir sepand da ku transîstorên dirêjkirî yên tev-karbon çêkin.Heya nuha, ev transîstora bingehîn a grafene ya herî dirêjkirî ye ku xwedan zelaliya çêtirîn e bêyî karanîna guheztinê.Her çend lêkolîna heyî ji bo çalakkirina grafenê ji bo elektronîkên dirêjkirî hate çêkirin, 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 pelên Cu yên rawestayî (99,999%; Alfa Aesar) di bin zextek domdar a 0,5 mtorr de bi 50-SCCM (santîmetre kûp standard di hûrdemê de) CH4 û 20-SCCM H2 wekî pêşgotinên di 100 de hate mezin kirin.Her du aliyên pelika Cu ji hêla grafene yek-layer ve hatine pêçan.Tebeqek tenik ji PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) li aliyekî pelika Cu-yê bi spin-pêçayî hate pêçandin, û avahiyek PMMA/G/Cu foil/G ava kir.Dûv re, tevahiya fîlim bi qasî 2 demjimêran di çarçoveyek 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 ser sînorên genim çirandin û dûv re ji ber tansiyona rûkalê xwe berda nav pelan.Dûv re li ser fîlima grafene ya jorîn a ku ji hêla PMMA-yê ve hatî piştgirî kirin ve hatî girêdan, pelikên PMMA/G/G ava kirin.Dûv re fîlim çend caran di nav ava deionîzekirî de hatin şûştin û li ser bingehek armanckirî, wek mînakek SiO2/Si an substratek plastîk a hişk hatin şûştin.Mîna ku fîlima pêvekirî li ser substratê zuwa bibe, nimûne bi rêzdarî di aceton, 1:1 aceton/IPA (îsopropil alkol) û IPA-yê de ji bo 30 seqeyan her yek ji bo rakirina PMMA tê rijandin.Fîlim 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 binxêzê dûr bikevin û di dema berdana qata hilgirê PMMA de vegirtina tam a MGG-ê peyda bikin.
Morfolojiya avahiya MGG bi karanîna mîkroskopa optîkî (Leica) û mîkroskopek 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 bişopînin.Zelalbûna fîlimê ji hêla spektrometerek ultraviyole-dîtbar (Agilent Cary 6000i) ve hate ceribandin.Ji bo îmtîhanan dema ku çewis li ser riya perpendîkular a herikîna niha bû, fotolîtografî û plazma O2 hatin bikar anîn da ku strukturên grafene li xêzan (~ 300 μm fireh û ~ 2000 μm dirêjî) bikin, û elektrodên Au (50 nm) bi germî bi karanîna germê hatin razandin. maskeyên siyê li herdu dawiya aliyê dirêj.Dûv re xetên grafenê bi elastomereyek SEBS (beriya ~ 2 cm û dirêjî ~ 5 cm) re ketin têkiliyê, bi eksê dirêj ê xêzikan bi aliyê kurt ê SEBS-ê 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 grafene yên neqeblî (~ 5 × 10 mm) hatin veguheztin ser binesazên SEBS, bi eksên dirêj ên ku bi aliyê dirêj ê substrata SEBS re paralel in.Ji bo her du rewşan jî, tevaya G (bêyî pêlên G) / SEBS bi aliyek dirêj ê elastomerê ve di nav amûrek destan de hate dirêj kirin, û di cîh de, me guheztinên berxwedanê yên wan di bin zorê de li ser stasyonek sondajê bi analyzerek 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 SEBS toluene (80 mg / ml) li ser substratek octadecyltrichlorosilane (OTS)-guhartî ya SiO2 / Si di 1000 rpm de 1 hûrdem hate pêçandin.Fîma dielektrîkî ya zirav dikare bi hêsanî ji rûbera OTS-ya hîdrofobîk li ser substrata SEBS-ê ya ku bi grafenê wekî-amadekirî hatî nixumandin were veguheztin.Dikare kondensatorek bi depokirina elektrodek jorîn a metal-avî (EGaIn; Sigma-Aldrich) were çêkirin da ku kapasîteyê wekî fonksiyonek çewsandinê bi karanîna metreyek LCR (induktans, kapasîtans, berxwedan) (Agilent) diyar bike.Beşê din ê tranzîstorê ji CNT-yên nîv-rêvebir ên polîmer-rêvekirî pêk dihat, li gorî prosedurên ku berê hatine ragihandin (53).Elektroda çavkaniyê / drainê ya qalibkirî li ser binesaziyên hişk ên 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 ya hişk were rakirin.Bi vî rengî, transîstorên bi tevahî zelal û dirêjkirî hatin çêkirin.Testkirina elektrîkê ya di bin zordariyê de li ser sazûmanek dirêjkirina destan wekî rêbaza jorîn 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 veguheztinên pelê du-sonde @550 nm grafene sade ya yek-, du- û sê qat (çargoşeyên reş), MGG (dorên sor), û CNT (sêgoşeya şîn).
keman.S7.Guhertina berxwedanê ya normalkirî ya MGG-yên mono- û dulayer (reş) û G (sor) di binê ~ 1000 barkirina ziraviya dorhêl de, bi rêzê, heya 40 û 90% çenga paralel.
keman.S10.Wêneya SEM-ê ya MGG-a 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, destnîşan dike ku peldankek li ser şikestekê derbas bûye.
tabloya S1.Tevgerên transîstorên nanotubeya karbonê yên dulayer MGG-yek-dîwarî bi dirêjahiya kanalên cihêreng berî û piştî tengezariyê.
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 navgînekê 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 bibîne, û 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 radestkirina spamên otomatîkî ye.
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 ISSN 2375-2548 pêşve diçe.
Dema şandinê: Jan-28-2021