Điện cực graphene siêu trong suốt và có thể co giãn

Các vật liệu hai chiều, chẳng hạn như graphene, rất hấp dẫn đối với cả các ứng dụng bán dẫn thông thường và các ứng dụng sơ khai trong thiết bị điện tử linh hoạt.Tuy nhiên, độ bền kéo cao của graphene dẫn đến hiện tượng đứt gãy ở độ căng thấp, khiến việc tận dụng các đặc tính điện tử đặc biệt của nó trong các thiết bị điện tử co dãn là một thách thức.Để mang lại hiệu suất tuyệt vời phụ thuộc vào sức căng của các dây dẫn graphene trong suốt, chúng tôi đã tạo các cuộn nano graphene ở giữa các lớp graphene xếp chồng lên nhau, được gọi là cuộn graphene / graphene nhiều lớp (MGG).Dưới sự căng thẳng, một số cuộn đã bắc cầu các miền bị phân mảnh của graphene để duy trì một mạng lưới thấm nhiều màu cho phép dẫn điện tuyệt vời ở các dòng cao.Trilayer MGGs được hỗ trợ trên chất đàn hồi giữ lại 65% độ dẫn ban đầu của chúng ở 100% độ biến dạng, vuông góc với hướng của dòng điện, trong khi màng trilayer của graphene không có cuộn nano chỉ giữ lại 25% độ dẫn ban đầu của chúng.Một bóng bán dẫn tất cả các-bon có thể co giãn được chế tạo bằng cách sử dụng MGG làm điện cực thể hiện độ truyền> 90% và giữ lại 60% sản lượng dòng điện ban đầu của nó ở mức biến dạng 120% (song song với hướng vận chuyển điện tích).Những bóng bán dẫn tất cả các-bon trong suốt và có thể co giãn cao này có thể cho phép các quang điện tử có thể co giãn tinh vi.
Điện tử trong suốt có thể co giãn là một lĩnh vực đang phát triển có các ứng dụng quan trọng trong các hệ thống tích hợp sinh học tiên tiến (1, 2) cũng như tiềm năng tích hợp với quang điện tử có thể co giãn (3, 4) để sản xuất màn hình và rô bốt mềm tinh vi.Graphene thể hiện các đặc tính rất mong muốn về độ dày nguyên tử, độ trong suốt cao và độ dẫn điện cao, nhưng việc triển khai nó trong các ứng dụng có thể kéo dãn đã bị hạn chế bởi xu hướng nứt ở các biến dạng nhỏ.Khắc phục những hạn chế cơ học của graphene có thể kích hoạt chức năng mới trong các thiết bị trong suốt có thể co giãn.
Các đặc tính độc đáo của graphene khiến nó trở thành ứng cử viên sáng giá cho thế hệ điện cực dẫn điện trong suốt tiếp theo (5, 6).So với chất dẫn điện trong suốt được sử dụng phổ biến nhất, oxit thiếc indium [ITO;100 ohms / vuông (sq) ở độ trong suốt 90%], graphene đơn lớp được trồng bằng cách lắng đọng hơi hóa học (CVD) có sự kết hợp tương tự giữa điện trở tấm (125 ohms / sq) và độ trong suốt (97,4%) (5).Ngoài ra, màng graphene có tính linh hoạt đặc biệt so với ITO (7).Ví dụ, trên nền nhựa, độ dẫn của nó có thể được giữ lại ngay cả đối với bán kính uốn cong nhỏ nhất là 0,8 mm (8).Để nâng cao hơn nữa hiệu suất điện của nó như một chất dẫn dẻo trong suốt, các công trình trước đây đã phát triển vật liệu lai graphene với dây nano bạc một chiều (1D) hoặc ống nano cacbon (CNTs) (9-11).Hơn nữa, graphene đã được sử dụng làm điện cực cho các chất bán dẫn không cấu trúc nhiều chiều hỗn hợp (chẳng hạn như Si khối lượng lớn 2D, dây nano / ống nano 1D và chấm lượng tử 0D) (12), bóng bán dẫn linh hoạt, pin mặt trời và điốt phát sáng (LED) (13 –23).
Mặc dù graphene đã cho thấy những kết quả đầy hứa hẹn đối với các thiết bị điện tử dẻo, nhưng ứng dụng của nó trong các thiết bị điện tử co dãn đã bị hạn chế bởi các đặc tính cơ học của nó (17, 24, 25);graphene có độ cứng trong mặt phẳng là 340 N / m và môđun Young là 0,5 TPa (26).Mạng lưới carbon-carbon mạnh mẽ không cung cấp bất kỳ cơ chế tiêu tán năng lượng nào cho biến dạng ứng dụng và do đó dễ bị nứt ở mức biến dạng dưới 5%.Ví dụ, CVD graphene được chuyển vào chất nền đàn hồi polydimethylsiloxan (PDMS) chỉ có thể duy trì độ dẫn của nó ở mức biến dạng dưới 6% (8).Các tính toán lý thuyết cho thấy rằng sự vò nát và tác động lẫn nhau giữa các lớp khác nhau sẽ làm giảm mạnh độ cứng (26).Bằng cách xếp graphene thành nhiều lớp, người ta báo cáo rằng graphene hai lớp hoặc ba lớp này có thể co giãn đến 30%, thể hiện sự thay đổi điện trở nhỏ hơn 13 lần so với graphene đơn lớp (27).Tuy nhiên, khả năng co giãn này vẫn kém hơn đáng kể so với các vật dẫn c co dãn hiện đại (28, 29).
Các bóng bán dẫn rất quan trọng trong các ứng dụng có thể kéo giãn vì chúng cho phép phân tích tín hiệu và đọc cảm biến phức tạp (30, 31).Các bóng bán dẫn trên PDMS với graphene nhiều lớp làm điện cực nguồn / thoát và vật liệu kênh có thể duy trì chức năng điện lên đến 5% độ căng (32), thấp hơn đáng kể giá trị yêu cầu tối thiểu (~ 50%) đối với cảm biến theo dõi sức khỏe có thể đeo và da điện tử ( 33, 34).Gần đây, một phương pháp graphene kirigami đã được khám phá và bóng bán dẫn được cung cấp bởi chất điện phân lỏng có thể kéo dài tới 240% (35).Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu graphene lơ lửng, điều này làm phức tạp quá trình chế tạo.
Ở đây, chúng tôi đạt được các thiết bị graphene có thể co giãn cao bằng cách xen kẽ các cuộn graphene (dài ~ 1 đến 20 μm, rộng ~ 0,1 đến 1 μm và cao ~ 10 đến 100 nm) ở giữa các lớp graphene.Chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng các cuộn graphene này có thể cung cấp các đường dẫn dẫn đến các vết nứt cầu nối trên các tấm graphene, do đó duy trì độ dẫn điện cao khi bị căng.Các cuộn graphene không yêu cầu tổng hợp hoặc xử lý bổ sung;chúng được hình thành tự nhiên trong quá trình chuyển ẩm.Bằng cách sử dụng các điện cực co dãn graphene G / G (graphene / graphene) nhiều lớp (MGGs) và các điện cực bán dẫn CNTs, chúng tôi có thể chứng minh các bóng bán dẫn tất cả các-bon trong suốt và có thể co giãn cao, có thể kéo dài đến 120 % biến dạng (song song với hướng vận chuyển điện tích) và giữ lại 60% sản lượng hiện tại ban đầu của chúng.Đây là bóng bán dẫn làm từ carbon trong suốt có thể co giãn nhất cho đến nay và nó cung cấp đủ dòng điện để điều khiển một đèn LED vô cơ.
Để kích hoạt các điện cực graphene trong suốt có thể co giãn trên diện tích lớn, chúng tôi chọn graphene được trồng CVD trên lá Cu.Lá Cu được treo ở trung tâm của một ống thạch anh CVD để cho phép graphene phát triển ở cả hai mặt, tạo thành cấu trúc G / Cu / G.Để chuyển graphene, trước tiên chúng tôi tráng một lớp mỏng poly (metyl methacrylate) (PMMA) để bảo vệ một mặt của graphene, mà chúng tôi đặt tên là graphene topide (ngược lại cho mặt kia của graphene), và sau đó, toàn bộ màng (PMMA / graphene trên / Cu / graphene dưới) được ngâm trong dung dịch (NH4) 2S2O8 để ăn mòn lá Cu.Lớp graphene ở phía dưới cùng không có lớp phủ PMMA chắc chắn sẽ có các vết nứt và khuyết tật cho phép chất ăn mòn xâm nhập qua (36, 37).Như minh họa trong Hình 1A, dưới tác dụng của sức căng bề mặt, các miền graphene được giải phóng cuộn lại thành các cuộn và sau đó được gắn vào màng G / PMMA trên cùng còn lại.Các cuộn top-G / G có thể được chuyển lên bất kỳ chất nền nào, chẳng hạn như SiO2 / Si, thủy tinh hoặc polyme mềm.Lặp lại quá trình truyền này nhiều lần trên cùng một chất nền sẽ tạo ra các cấu trúc MGG.
(A) Sơ đồ minh họa quy trình chế tạo MGGs làm điện cực co dãn.Trong quá trình chuyển giao graphene, graphene mặt sau trên lá Cu bị phá vỡ ở các ranh giới và khuyết tật, cuộn lại thành các hình dạng tùy ý, và gắn chặt vào các màng phía trên, tạo thành các cuộn nano.Phim hoạt hình thứ tư mô tả cấu trúc MGG xếp chồng lên nhau.(B và C) TEM độ phân giải cao mô tả các đặc điểm của MGG một lớp, tập trung vào graphene đơn lớp (B) và vùng cuộn (C), tương ứng.Phần trong của (B) là hình ảnh có độ phóng đại thấp cho thấy hình thái tổng thể của các MGG đơn lớp trên lưới TEM.Phần trong của (C) là các cấu hình cường độ được chụp dọc theo các hình hộp chữ nhật được chỉ ra trong hình, trong đó khoảng cách giữa các mặt phẳng nguyên tử là 0,34 và 0,41 nm.(D) Phổ EEL cạnh K cacbon với các cực đại graphit đặc trưng là π * và σ * được đánh dấu.(E) Hình ảnh AFM mặt cắt của G / G đơn lớp cuộn với cấu hình chiều cao dọc theo đường chấm màu vàng.(F đến I) Kính hiển vi quang học và hình ảnh AFM của tri lớp G không có (F và H) và có cuộn (G và I) trên đế SiO2 / Si dày 300 nm, tương ứng.Các cuộn đại diện và nếp nhăn đã được dán nhãn để làm nổi bật sự khác biệt của chúng.
Để xác minh rằng các cuộn là graphene được cuộn trong tự nhiên, chúng tôi đã tiến hành các nghiên cứu về kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao (TEM) và quang phổ mất năng lượng điện tử (EEL) trên cấu trúc cuộn top-G / G đơn lớp.Hình 1B cho thấy cấu trúc lục giác của graphene đơn lớp và hình bên là hình thái tổng thể của màng được bao phủ trên một lỗ carbon duy nhất của lưới TEM.Graphene đơn lớp kéo dài phần lớn lưới và một số mảnh graphene với sự hiện diện của nhiều vòng hình lục giác xếp chồng lên nhau xuất hiện (Hình 1B).Bằng cách phóng to vào một cuộn riêng lẻ (Hình 1C), chúng tôi quan sát thấy một lượng lớn các tua mạng graphene, với khoảng cách mạng trong khoảng 0,34 đến 0,41 nm.Các phép đo này gợi ý rằng các mảnh này được cuộn lại một cách ngẫu nhiên và không phải là than chì hoàn hảo, có khoảng cách mạng là 0,34 nm trong cách xếp chồng lớp “ABAB”.Hình 1D cho thấy phổ EEL cạnh K carbon, trong đó đỉnh ở 285 eV bắt nguồn từ quỹ đạo π * và đỉnh còn lại xung quanh 290 eV là do sự chuyển đổi của quỹ đạo σ *.Có thể thấy rằng liên kết sp2 chiếm ưu thế trong cấu trúc này, xác minh rằng các cuộn giấy có độ graphit cao.
Hình ảnh hiển vi quang học và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự phân bố của các cuộn nano graphene trong MGGs (Hình 1, E đến G, và các hình S1 và S2).Các cuộn được phân bố ngẫu nhiên trên bề mặt và mật độ trong mặt phẳng của chúng tăng tỷ lệ thuận với số lớp xếp chồng lên nhau.Nhiều cuộn giấy bị rối thành các nút và có chiều cao không đồng đều trong khoảng từ 10 đến 100 nm.Chúng dài từ 1 đến 20 μm và rộng 0,1 đến 1 μm, tùy thuộc vào kích thước của các mảnh graphene ban đầu của chúng.Như thể hiện trong Hình 1 (H và I), các cuộn giấy có kích thước lớn hơn đáng kể so với các nếp nhăn, dẫn đến giao diện thô hơn nhiều giữa các lớp graphene.
Để đo các đặc tính điện, chúng tôi tạo khuôn mẫu cho các màng graphene có hoặc không có cấu trúc cuộn và xếp chồng lớp thành các dải rộng 300 μm và dài 2000 μm bằng kỹ thuật quang khắc.Điện trở hai đầu dò như một hàm của biến dạng được đo trong các điều kiện môi trường xung quanh.Sự hiện diện của các cuộn giấy đã làm giảm 80% điện trở suất của graphene một lớp và chỉ giảm 2,2% độ truyền qua (hình S4).Điều này xác nhận rằng các cuộn nano, có mật độ dòng điện cao lên đến 5 × 107 A / cm2 (38, 39), đóng góp điện rất tích cực cho MGGs.Trong số tất cả các loại graphene đơn chất, hai lớp và tri lớp và MGG, MGG ba lớp có độ dẫn điện tốt nhất với độ trong suốt gần 90%.Để so sánh với các nguồn graphene khác được báo cáo trong tài liệu, chúng tôi cũng đo điện trở tấm bốn đầu dò (hình S5) và liệt kê chúng dưới dạng hàm truyền qua ở bước sóng 550 nm (hình S6) trong Hình 2A.MGG cho thấy độ dẫn điện và độ trong suốt có thể so sánh hoặc cao hơn so với graphene trơn nhiều lớp được xếp chồng nhân tạo và graphene oxit khử (RGO) (6, 8, 18).Lưu ý rằng điện trở tấm của graphene trơn nhiều lớp xếp chồng nhân tạo trong tài liệu cao hơn một chút so với MGG của chúng tôi, có thể là do các điều kiện phát triển và phương pháp truyền chưa được tối ưu hóa của chúng.
(A) Điện trở của tấm bốn đầu dò so với độ truyền qua ở bước sóng 550 nm đối với một số loại graphene, trong đó các ô vuông màu đen biểu thị MGG một lớp, hai lớp và ba lớp;hình tròn đỏ và hình tam giác xanh lam tương ứng với graphene đồng bằng nhiều lớp được trồng trên Cu và Ni từ các nghiên cứu của Li và cộng sự.(6) và Kim et al.(8), tương ứng, và sau đó được chuyển sang SiO2 / Si hoặc thạch anh;và hình tam giác màu xanh lá cây là giá trị của RGO ở các mức độ giảm khác nhau từ nghiên cứu của Bonaccorso et al.(18).(B và C) Sự thay đổi điện trở chuẩn hóa của MGG một lớp, hai lớp và ba lớp và G như một hàm của biến dạng vuông góc (B) và song song (C) với hướng của dòng điện.(D) Sự thay đổi điện trở chuẩn hóa của lớp kép G (đỏ) và MGG (đen) khi chịu tải trọng biến dạng theo chu kỳ lên đến 50% biến dạng vuông góc.(E) Sự thay đổi điện trở chuẩn hóa của tri lớp G (đỏ) và MGG (đen) khi tải biến dạng theo chu kỳ lên đến 90% biến dạng song song.(F) Sự thay đổi điện dung chuẩn hóa của các MGG một lớp, hai lớp và ba lớp và các MGG hai lớp và ba lớp như một chức năng n của biến dạng.Phần trong là cấu trúc tụ điện, trong đó nền polyme là SEBS và lớp điện môi polyme là SEBS dày 2 μm.
Để đánh giá hiệu suất phụ thuộc vào sức căng của MGG, chúng tôi đã chuyển graphene lên chất nền styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) đàn hồi nhiệt dẻo (rộng ~ 2 cm và dài ~ 5 cm), và độ dẫn điện được đo khi chất nền được kéo căng (xem Vật liệu và Phương pháp) vuông góc và song song với hướng của dòng điện (Hình 2, B và C).Hành vi điện phụ thuộc vào biến dạng được cải thiện với sự kết hợp của các cuộn nano và số lượng các lớp graphene ngày càng tăng.Ví dụ, khi biến dạng vuông góc với dòng điện, đối với graphene một lớp, việc bổ sung các cuộn giấy đã làm tăng biến dạng khi đứt điện từ 5 đến 70%.Khả năng chịu biến dạng của graphene ba lớp cũng được cải thiện đáng kể so với graphene đơn lớp.Với cuộn nano, ở 100% biến dạng vuông góc, điện trở của cấu trúc MGG ba lớp chỉ tăng 50%, so với 300% đối với graphene tri lớp không có cuộn.Sự thay đổi lực cản dưới tải trọng biến dạng theo chu kỳ đã được nghiên cứu.Để so sánh (Hình 2D), điện trở của màng graphene hai lớp trơn tăng khoảng 7,5 lần sau ~ 700 chu kỳ ở biến dạng vuông góc 50% và tiếp tục tăng theo biến dạng trong mỗi chu kỳ.Mặt khác, điện trở của MGG hai lớp chỉ tăng khoảng 2,5 lần sau ~ 700 chu kỳ.Áp dụng tới 90% biến dạng dọc theo hướng song song, điện trở của graphene tri lớp tăng lên ~ 100 lần sau 1000 chu kỳ, trong khi đó chỉ là ~ 8 lần ở MGG ba lớp (Hình 2E).Kết quả đạp xe được hiển thị trong hình.S7.Sự gia tăng tương đối nhanh hơn lực cản dọc theo hướng biến dạng song song là do hướng của các vết nứt vuông góc với hướng của dòng điện.Sự sai lệch của lực cản trong quá trình biến dạng tải và dỡ tải là do sự phục hồi nhớt của chất nền đàn hồi SEBS.Khả năng kháng ổn định hơn của các dải MGG trong quá trình đạp xe là do sự hiện diện của các cuộn lớn có thể làm cầu nối các phần bị nứt của graphene (như được AFM điều chỉnh), giúp duy trì đường thấm màu.Hiện tượng duy trì độ dẫn điện bằng con đường thấm màu này đã được báo cáo trước đây đối với các màng kim loại hoặc chất bán dẫn bị nứt trên chất nền đàn hồi (40, 41).
Để đánh giá các màng dựa trên graphene này như là điện cực cổng trong các thiết bị co giãn, chúng tôi đã phủ lớp graphene bằng một lớp điện môi SEBS (dày 2 μm) và theo dõi sự thay đổi điện dung điện môi như một hàm của biến dạng (xem Hình 2F và Vật liệu bổ sung cho thông tin chi tiết).Chúng tôi quan sát thấy rằng điện dung của các điện cực graphene đơn lớp và hai lớp đơn giản nhanh chóng giảm xuống do mất độ dẫn trong mặt phẳng của graphene.Ngược lại, các điện dung do MGGs cũng như graphene tri lớp đơn giản cho thấy sự gia tăng điện dung khi có biến dạng, điều này được mong đợi vì giảm độ dày điện môi với biến dạng.Sự gia tăng điện dung dự kiến ​​rất phù hợp với cấu trúc MGG (hình S8).Điều này cho thấy MGG thích hợp làm điện cực cổng cho các bóng bán dẫn có thể kéo dãn.
Để nghiên cứu sâu hơn về vai trò của cuộn graphene 1D đối với khả năng chịu biến dạng của độ dẫn điện và kiểm soát tốt hơn sự phân tách giữa các lớp graphene, chúng tôi đã sử dụng CNT phủ phun để thay thế cuộn graphene (xem Tài liệu bổ sung).Để bắt chước các cấu trúc MGG, chúng tôi đã gửi ba mật độ CNT (nghĩa là, CNT1
(A đến C) Hình ảnh AFM của ba mật độ CNT khác nhau (CNT1
Để hiểu thêm về khả năng của chúng như là điện cực cho các thiết bị điện tử có thể co giãn, chúng tôi đã nghiên cứu một cách có hệ thống các hình thái của MGG và G-CNT-G dưới sự biến dạng.Kính hiển vi quang học và kính hiển vi điện tử quét (SEM) không phải là phương pháp xác định đặc tính hiệu quả vì cả hai đều thiếu độ tương phản màu và SEM có thể bị tạo ảnh trong quá trình quét điện tử khi graphene nằm trên nền polyme (sung S9 và S10).Để quan sát tại chỗ bề mặt graphene bị biến dạng, chúng tôi đã thu thập các phép đo AFM trên MGG ba lớp và graphene trơn sau khi chuyển lên chất nền SEBS rất mỏng (dày ~ 0,1 mm) và đàn hồi.Do các khiếm khuyết nội tại trong CVD graphene và hư hỏng bên ngoài trong quá trình chuyển giao, các vết nứt chắc chắn được tạo ra trên graphene bị căng, và với sự gia tăng biến dạng, các vết nứt trở nên dày đặc hơn (Hình 4, A đến D).Tùy thuộc vào cấu trúc xếp chồng của các điện cực dựa trên cacbon, các vết nứt thể hiện các hình thái khác nhau (hình S11) (27).Mật độ vùng nứt (được định nghĩa là vùng nứt / diện tích được phân tích) của graphene nhiều lớp nhỏ hơn so với graphene đơn lớp sau khi biến dạng, điều này phù hợp với sự gia tăng độ dẫn điện của MGG.Mặt khác, các cuộn giấy thường được quan sát để làm cầu nối các vết nứt, cung cấp các đường dẫn điện bổ sung trong màng căng.Ví dụ, như được gắn nhãn trong hình ảnh của Hình 4B, một cuộn rộng vượt qua một vết nứt trong MGG tri lớp, nhưng không có cuộn nào được quan sát thấy trong graphene trơn (Hình 4, E đến H).Tương tự, CNTs cũng bắc cầu các vết nứt trong graphene (hình S11).Mật độ vùng nứt, mật độ vùng cuộn và độ nhám của phim được tóm tắt trong Hình 4K.
(A đến H) Hình ảnh AFM tại chỗ của các cuộn G / G ba lớp (A đến D) và ba lớp G (E đến H) trên chất đàn hồi SEBS rất mỏng (dày ~ 0,1 mm) ở 0, 20, 60 và 100 % sự căng thẳng, quá tải.Các vết nứt và cuộn đại diện được chỉ bằng mũi tên.Tất cả các hình ảnh AFM đều có diện tích 15 μm × 15 μm, sử dụng cùng một thanh thang màu như được dán nhãn.(I) Hình học mô phỏng của các điện cực graphene đơn lớp có hoa văn trên nền SEBS.(J) Bản đồ đường bao mô phỏng của biến dạng logarit chính cực đại trong graphene đơn lớp và chất nền SEBS ở 20% biến dạng bên ngoài.(K) So sánh mật độ vùng vết nứt (cột màu đỏ), mật độ vùng cuộn (cột màu vàng) và độ nhám bề mặt (cột màu xanh lam) đối với các cấu trúc graphene khác nhau.
Khi các màng MGG được kéo căng, có một cơ chế bổ sung quan trọng là các cuộn có thể kết nối các vùng graphene bị nứt, duy trì một mạng lưới thấm nhiều màu.Các cuộn graphene đầy hứa hẹn vì chúng có thể dài hàng chục micromet và do đó có thể nối các vết nứt thường lên đến quy mô micromet.Hơn nữa, bởi vì các cuộn giấy bao gồm nhiều lớp graphene, chúng được cho là sẽ có điện trở thấp.Để so sánh, các mạng CNT tương đối dày đặc (độ truyền thấp hơn) được yêu cầu để cung cấp khả năng bắc cầu dẫn điện có thể so sánh được, vì CNT nhỏ hơn (thường có chiều dài vài micromet) và ít dẫn điện hơn so với cuộn.Mặt khác, như trong hình.S12, trong khi graphene bị nứt trong quá trình kéo căng để thích ứng với sức căng, các cuộn không bị nứt, cho thấy rằng cuộn sau có thể đang trượt trên graphene bên dưới.Lý do mà chúng không bị nứt có thể là do cấu trúc cuộn lại, bao gồm nhiều lớp graphene (dài ~ 1 đến 2 0 μm, rộng ~ 0,1 đến 1 μm và cao ~ 10 đến 100 nm), có mô đun hiệu quả cao hơn graphene một lớp.Theo báo cáo của Green và Hersam (42), mạng CNT kim loại (đường kính ống 1,0 nm) có thể đạt được điện trở tấm thấp <100 ohms / sq mặc dù điện trở tiếp giáp giữa các CNTs lớn.Xét rằng cuộn graphene của chúng tôi có chiều rộng từ 0,1 đến 1 μm và cuộn G / G có diện tích tiếp xúc lớn hơn nhiều so với CNT, điện trở tiếp xúc và diện tích tiếp xúc giữa cuộn graphene và graphene không phải là yếu tố hạn chế để duy trì độ dẫn điện cao.
Graphene có mô đun cao hơn nhiều so với chất nền SEBS.Mặc dù độ dày hiệu dụng của điện cực graphene thấp hơn nhiều so với chất nền, nhưng độ cứng của graphene nhân với độ dày của nó có thể so sánh với độ dày của chất nền (43, 44), dẫn đến hiệu ứng đảo cứng vừa phải.Chúng tôi đã mô phỏng sự biến dạng của graphene dày 1 nm trên chất nền SEBS (xem Tài liệu bổ sung để biết thêm chi tiết).Theo kết quả mô phỏng, khi áp dụng 20% ​​biến dạng lên bề mặt SEBS bên ngoài, biến dạng trung bình trong graphene là ~ 6,6% (Hình 4J và Hình S13D), phù hợp với các quan sát thực nghiệm (xem Hình S13) .Chúng tôi so sánh độ biến dạng trong vùng graphene có hoa văn và vùng chất nền bằng kính hiển vi quang học và nhận thấy độ căng trong vùng chất nền ít nhất gấp đôi độ căng trong vùng graphene.Điều này cho thấy rằng sức căng áp dụng trên các mẫu điện cực graphene có thể bị hạn chế đáng kể, tạo thành các đảo cứng graphene trên đỉnh SEBS (26, 43, 44).
Do đó, khả năng của các điện cực MGG để duy trì độ dẫn điện cao trong điều kiện biến dạng cao có thể được kích hoạt bởi hai cơ chế chính: (i) Các cuộn có thể kết nối các vùng bị ngắt kết nối để duy trì một đường dẫn điện và (ii) các tấm graphene nhiều lớp / chất đàn hồi có thể trượt nhau, dẫn đến giảm sức căng trên các điện cực graphene.Đối với nhiều lớp graphene được chuyển trên chất đàn hồi, các lớp không được gắn chặt với nhau, có thể trượt để phản ứng với biến dạng (27).Các cuộn giấy cũng làm tăng độ nhám của các lớp graphene, điều này có thể giúp tăng sự phân cách giữa các lớp graphene và do đó cho phép trượt các lớp graphene.
Các thiết bị sử dụng tất cả các-bon được theo đuổi nhiệt tình vì chi phí thấp và thông lượng cao.Trong trường hợp của chúng tôi, các bóng bán dẫn tất cả các-bon được chế tạo bằng cách sử dụng cổng graphene dưới cùng, tiếp điểm nguồn / xả graphene trên cùng, chất bán dẫn CNT được phân loại và SEBS làm chất điện môi (Hình 5A).Như trong Hình 5B, một thiết bị hoàn toàn carbon với CNTs làm nguồn / cống và cổng (thiết bị dưới cùng) mờ hơn thiết bị có điện cực graphene (thiết bị trên cùng).Điều này là do mạng CNT yêu cầu độ dày lớn hơn và do đó, truyền quang thấp hơn để đạt được điện trở tấm tương tự như điện trở của graphene (hình S4).Hình 5 (C và D) cho thấy các đường cong chuyển giao và đầu ra đại diện trước khi biến dạng đối với một bóng bán dẫn được làm bằng điện cực MGG hai lớp.Chiều rộng và chiều dài kênh của bóng bán dẫn không có rãnh tương ứng là 800 và 100 μm.Tỷ lệ bật / tắt đo được lớn hơn 103 với dòng điện bật và tắt lần lượt ở các mức 10−5 và 10−8 A.Đường cong đầu ra thể hiện các chế độ điều chỉnh tuyến tính và sa lý tưởng với sự phụ thuộc điện áp cổng rõ ràng, cho thấy sự tiếp xúc lý tưởng giữa CNT và điện cực graphene (45).Điện trở tiếp xúc với các điện cực graphene được quan sát thấy thấp hơn so với với màng Au bay hơi (xem hình S14).Độ linh động bão hòa của bóng bán dẫn co giãn là khoảng 5,6 cm2 / Vs, tương tự như của bóng bán dẫn CNT được phân loại bằng polyme tương tự trên chất nền Si cứng với SiO2 300 nm làm lớp điện môi.Có thể cải thiện hơn nữa tính di động với mật độ ống được tối ưu hóa và các loại ống khác (46).
(A) Sơ đồ bóng bán dẫn co dãn dựa trên graphene.SWNTs, ống nano carbon một thành.(B) Ảnh chụp các bóng bán dẫn co dãn được làm bằng điện cực graphene (trên) và điện cực CNT (dưới).Sự khác biệt về độ trong suốt có thể nhận thấy rõ ràng.(C và D) Các đường cong chuyển và xuất của bóng bán dẫn dựa trên graphene trên SEBS trước khi biến dạng.(E và F) Các đường cong chuyển tải, dòng điện bật và tắt, tỷ lệ bật / tắt, và tính di động của bóng bán dẫn dựa trên graphene ở các chủng khác nhau.
Khi thiết bị trong suốt, toàn bộ cacbon được kéo căng theo hướng song song với hướng vận chuyển điện tích, sự suy giảm tối thiểu được quan sát thấy lên đến 120% biến dạng.Trong quá trình kéo căng, độ linh động liên tục giảm từ 5,6 cm2 / Vs ở 0% biến dạng xuống 2,5 cm2 / Vs ở 120% biến dạng (Hình 5F).Chúng tôi cũng so sánh hiệu suất bóng bán dẫn đối với các độ dài kênh khác nhau (xem bảng S1).Đáng chú ý, ở mức biến dạng lớn tới 105%, tất cả các bóng bán dẫn này vẫn thể hiện tỷ lệ bật / tắt cao (> 103) và tính di động (> 3 cm2 / Vs).Ngoài ra, chúng tôi đã tóm tắt tất cả các nghiên cứu gần đây về bóng bán dẫn tất cả các-bon (xem bảng S2) (47–52).Bằng cách tối ưu hóa việc chế tạo thiết bị trên chất đàn hồi và sử dụng MGG làm tiếp điểm, các bóng bán dẫn toàn bộ carbon của chúng tôi cho thấy hiệu suất tốt về tính di động và độ trễ cũng như có khả năng co giãn cao.
Là một ứng dụng của bóng bán dẫn hoàn toàn trong suốt và có thể co giãn, chúng tôi đã sử dụng nó để điều khiển việc chuyển mạch của đèn LED (Hình 6A).Như thể hiện trong Hình 6B, đèn LED màu xanh lục có thể được nhìn thấy rõ ràng thông qua thiết bị carbon có thể co giãn được đặt ngay phía trên.Trong khi kéo dài đến ~ 100% (Hình 6, C và D), cường độ ánh sáng LED không thay đổi, phù hợp với hiệu suất bóng bán dẫn được mô tả ở trên (xem phim S1).Đây là báo cáo đầu tiên về các đơn vị điều khiển có thể co giãn được thực hiện bằng cách sử dụng điện cực graphene, cho thấy một khả năng mới cho thiết bị điện tử co dãn graphene.
(A) Mạch của một bóng bán dẫn để điều khiển đèn LED.GND, mặt đất.(B) Ảnh của bóng bán dẫn tất cả cacbon có thể co dãn và trong suốt ở độ căng 0% được gắn phía trên đèn LED màu xanh lục.(C) Bóng bán dẫn trong suốt và co dãn toàn bộ carbon được sử dụng để chuyển đổi đèn LED đang được gắn phía trên đèn LED ở mức 0% (trái) và ~ 100% (phải).Các mũi tên màu trắng hướng vào các điểm đánh dấu màu vàng trên thiết bị để hiển thị sự thay đổi khoảng cách đang được kéo dài.(D) Hình chiếu bên của bóng bán dẫn kéo dài, với đèn LED được đẩy vào chất đàn hồi.
Tóm lại, chúng tôi đã phát triển một cấu trúc graphene dẫn điện trong suốt duy trì độ dẫn điện cao dưới các biến dạng lớn dưới dạng các điện cực có thể co giãn, được kích hoạt bởi các cuộn nano graphene ở giữa các lớp graphene xếp chồng lên nhau.Các cấu trúc điện cực MGG hai lớp và ba lớp này trên chất đàn hồi có thể duy trì lần lượt 21 và 65% độ dẫn biến dạng 0% của chúng ở mức biến dạng cao tới 100%, so với việc mất hoàn toàn độ dẫn ở mức 5% đối với điện cực graphene đơn lớp điển hình .Các đường dẫn điện bổ sung của các cuộn graphene cũng như sự tương tác yếu giữa các lớp được chuyển giao góp phần vào độ ổn định dẫn điện vượt trội khi chịu biến dạng.Chúng tôi tiếp tục áp dụng cấu trúc graphene này để chế tạo các bóng bán dẫn co dãn toàn bộ carbon.Cho đến nay, đây là bóng bán dẫn dựa trên graphene có thể co giãn nhất với độ trong suốt tốt nhất mà không cần sử dụng vênh.Mặc dù nghiên cứu hiện tại đã được thực hiện để kích hoạt graphene cho các thiết bị điện tử co dãn, chúng tôi tin rằng cách tiếp cận này có thể được mở rộng cho các vật liệu 2D khác để tạo ra các thiết bị điện tử 2D có thể co dãn.
Graphene CVD diện tích lớn được trồng trên lá Cu lơ lửng (99,999%; Alfa Aesar) dưới áp suất không đổi 0,5 mtorr với 50 – SCCM (centimet khối tiêu chuẩn trên phút) CH4 và 20 – SCCM H2 làm tiền chất ở 1000 ° C.Cả hai mặt của lá Cu được bao phủ bởi graphen một lớp.Một lớp mỏng PMMA (2000 vòng / phút; A4, Microchem) được tráng spin trên một mặt của lá Cu, tạo thành cấu trúc PMMA / G / Cu / G.sau đó, toàn bộ phim được ngâm trong dung dịch amoni persulfat [(NH4) 2S2O8] 0,1 M trong khoảng 2 giờ để ăn mòn lá Cu.Trong quá trình này, graphene mặt sau không được bảo vệ trước tiên sẽ xé dọc theo ranh giới của hạt và sau đó cuộn lại thành các cuộn do sức căng bề mặt.Các cuộn được gắn vào màng graphene phía trên được PMMA hỗ trợ, tạo thành các cuộn PMMA / G / G.Sau đó, các màng được rửa trong nước khử ion nhiều lần và đặt trên chất nền mục tiêu, chẳng hạn như chất nền SiO2 / Si cứng hoặc chất dẻo.Ngay sau khi màng đính kèm khô trên đế, mẫu được ngâm tuần tự trong axeton, axeton 1: 1 / IPA (cồn isopropyl) và IPA trong 30 s mỗi loại để loại bỏ PMMA.Các màng được làm nóng ở 100 ° C trong 15 phút hoặc giữ trong chân không qua đêm để loại bỏ hoàn toàn nước bị mắc kẹt trước khi chuyển một lớp khác của cuộn G / G lên đó.Bước này nhằm tránh sự tách rời của màng graphene khỏi chất nền và đảm bảo độ phủ đầy đủ của MGGs trong quá trình giải phóng lớp sóng mang PMMA.
Hình thái của cấu trúc MGG được quan sát bằng kính hiển vi quang học (Leica) và kính hiển vi điện tử quét (1 kV; FEI).Một kính hiển vi lực nguyên tử (Kính hiển vi III, Dụng cụ kỹ thuật số) đã được vận hành ở chế độ chạm để quan sát các chi tiết của cuộn G.Độ trong suốt của phim đã được kiểm tra bằng máy quang phổ có thể nhìn thấy tia cực tím (Agilent Cary 6000i).Đối với các thử nghiệm khi biến dạng dọc theo hướng vuông góc của dòng điện, quang khắc và plasma O2 được sử dụng để tạo mẫu cấu trúc graphene thành các dải (rộng ~ 300 μm và dài ~ 2000 μm), và các điện cực Au (50 nm) được lắng nhiệt bằng cách sử dụng mặt nạ bóng ở cả hai đầu của cạnh dài.Sau đó, các dải graphene được đặt tiếp xúc với chất đàn hồi SEBS (rộng ~ 2 cm và dài ~ 5 cm), với trục dài của dải song song với cạnh ngắn của SEBS, tiếp theo là BOE (ôxit có đệm) (HF: H2O 1: 6) ăn mòn và eutectic gali indium (EGaIn) làm tiếp điểm điện.Đối với các thử nghiệm biến dạng song song, các cấu trúc graphene không được mài phẳng (~ 5 × 10 mm) được chuyển vào đế SEBS, với các trục dài song song với cạnh dài của đế SEBS.Đối với cả hai trường hợp, toàn bộ G (không có cuộn G) / SEBS được kéo dài dọc theo cạnh dài của chất đàn hồi trong thiết bị thủ công và tại chỗ, chúng tôi đo sự thay đổi điện trở của chúng dưới sức căng trên một trạm thăm dò bằng máy phân tích bán dẫn (Keithley 4200 -SCS).
Các bóng bán dẫn tất cả các-bon trong suốt và có thể co giãn cao trên nền đàn hồi được chế tạo theo các quy trình sau để tránh làm hỏng dung môi hữu cơ của chất điện môi và chất nền polyme.Các cấu trúc MGG được chuyển vào SEBS dưới dạng các điện cực cổng.Để có được lớp điện môi polyme màng mỏng đồng nhất (dày 2 μm), dung dịch SEBS toluen (80 mg / ml) được tráng spin trên chất nền SiO2 / Si biến tính octadecyltrichlorosilan (OTS) ở tốc độ 1000 vòng / phút trong 1 phút.Màng điện môi mỏng có thể dễ dàng chuyển từ bề mặt OTS kỵ nước sang bề mặt SEBS được phủ bằng graphene đã chuẩn bị sẵn.Tụ điện có thể được tạo ra bằng cách đặt một điện cực kim loại lỏng (EGaIn; Sigma-Aldrich) để xác định điện dung như một hàm của biến dạng bằng cách sử dụng máy đo LCR (điện cảm, điện dung, điện trở) (Agilent).Phần khác của bóng bán dẫn bao gồm các CNT bán dẫn được phân loại bằng polyme, tuân theo các quy trình đã được báo cáo trước đây (53).Các thanh điện nguồn / cống có hoa văn được chế tạo trên các chất nền SiO2 / Si cứng.Sau đó, hai phần, điện môi / G / SEBS và CNTs / G / SiO2 / Si, được dát mỏng vào nhau, và ngâm trong BOE để loại bỏ chất nền SiO2 / Si cứng.Do đó, các bóng bán dẫn hoàn toàn trong suốt và có thể co giãn đã được chế tạo.Thử nghiệm điện dưới sự căng thẳng được thực hiện trên một thiết lập kéo căng bằng tay như phương pháp đã nói ở trên.
Tài liệu bổ sung cho bài viết này có tại http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
quả sung.S1.Hình ảnh hiển vi quang học của MGG đơn lớp trên đế SiO2 / Si ở các độ phóng đại khác nhau.
quả sung.S4.So sánh điện trở tấm hai đầu dò và độ truyền qua @ 550 nm của graphene trơn một lớp, hai lớp và ba lớp (hình vuông màu đen), MGG (hình tròn đỏ) và CNT (hình tam giác xanh lam).
quả sung.S7.Sự thay đổi điện trở chuẩn hóa của MGG một lớp và hai lớp (đen) và G (đỏ) khi tải biến dạng chu kỳ ~ 1000 lên đến 40 và 90% biến dạng song song, tương ứng.
quả sung.S10.Hình ảnh SEM của tri lớp MGG trên chất đàn hồi SEBS sau khi biến dạng, cho thấy một cuộn dài chéo qua một số vết nứt.
quả sung.S12.Hình ảnh AFM của tri lớp MGG trên chất đàn hồi SEBS rất mỏng ở độ căng 20%, cho thấy rằng một cuộn băng qua một vết nứt.
bảng S1.Khả năng di chuyển của bóng bán dẫn ống nano cacbon đơn thành hai lớp MGG ở các độ dài kênh khác nhau trước và sau khi biến dạng.
Đây là một bài báo truy cập mở được phân phối theo các điều khoản của giấy phép Creative Commons Ghi công-Phi thương mại, cho phép sử dụng, phân phối và tái sản xuất ở bất kỳ phương tiện nào, miễn là việc sử dụng kết quả không vì lợi ích thương mại và miễn là tác phẩm gốc phù hợp trích dẫn.
LƯU Ý: Chúng tôi chỉ yêu cầu địa chỉ email của bạn để người mà bạn giới thiệu trang biết rằng bạn muốn họ xem và đó không phải là thư rác.Chúng tôi sẽ không giữ bất kỳ địa chỉ email.
Câu hỏi này là để kiểm tra xem bạn có phải là khách truy cập hay không và để ngăn chặn việc gửi thư rác tự động.
Bởi 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
Bởi 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 Hiệp hội vì sự tiến bộ của Khoa học Hoa Kỳ.Đã đăng ký Bản quyền.AAAS là đối tác của HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef và COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.