อิเล็กโทรดกราฟีนโปร่งใสและยืดหยุ่นได้สูง

วัสดุสองมิติ เช่น กราฟีน มีความน่าสนใจทั้งในด้านการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมและการใช้งานใหม่ๆ ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น อย่างไรก็ตาม ความแข็งแรงดึงสูงของกราฟีนทำให้เกิดการแตกหักที่แรงดึงต่ำ ทำให้ยากที่จะใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ยอดเยี่ยมของมันในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นได้ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมขึ้นอยู่กับแรงดึงของตัวนำกราฟีนโปร่งใส เราได้สร้างนาโนสครอลกราฟีนระหว่างชั้นกราฟีนที่ซ้อนกัน ซึ่งเรียกว่ากราฟีนหลายชั้น/นาโนสครอลกราฟีน (MGGs) ภายใต้แรงดึง นาโนสครอลบางส่วนจะเชื่อมต่อโดเมนที่แตกหักของกราฟีนเพื่อรักษาเครือข่ายที่เชื่อมต่อกัน ซึ่งช่วยให้มีการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมที่แรงดึงสูง MGGs สามชั้นที่รองรับบนอีลาสโตเมอร์ยังคงรักษาการนำไฟฟ้าดั้งเดิมไว้ได้ 65% ที่แรงดึง 100% ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ในขณะที่ฟิล์มกราฟีนสามชั้นที่ไม่มีนาโนสครอลยังคงรักษาการนำไฟฟ้าเริ่มต้นไว้ได้เพียง 25% เท่านั้น ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่ยืดหยุ่นได้ ซึ่งผลิตโดยใช้ MGG เป็นอิเล็กโทรด แสดงให้เห็นการส่งผ่านแสงมากกว่า 90% และยังคงรักษาเอาต์พุตกระแสไฟฟ้าเดิมไว้ได้ 60% ที่ความเครียด 120% (ขนานกับทิศทางการขนส่งประจุ) ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่ยืดหยุ่นและโปร่งใสสูงเหล่านี้ อาจช่วยให้สามารถสร้างอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์แบบยืดหยุ่นที่ซับซ้อนได้
อิเล็กทรอนิกส์โปร่งใสที่ยืดหยุ่นได้เป็นสาขาที่กำลังเติบโตซึ่งมีการใช้งานที่สำคัญในระบบชีวบูรณาการขั้นสูง (1, 2) รวมถึงศักยภาพในการบูรณาการกับออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้ (3, 4) เพื่อสร้างหุ่นยนต์และจอแสดงผลแบบอ่อนนุ่มที่ซับซ้อน กราฟีนมีคุณสมบัติที่น่าปรารถนาอย่างยิ่ง เช่น ความหนาระดับอะตอม ความโปร่งใสสูง และการนำไฟฟ้าสูง แต่การนำไปใช้งานในแอปพลิเคชันที่ยืดหยุ่นได้ถูกจำกัดด้วยแนวโน้มที่จะแตกที่ความเครียดเล็กน้อย การเอาชนะข้อจำกัดทางกลของกราฟีนอาจช่วยให้เกิดฟังก์ชันการทำงานใหม่ในอุปกรณ์โปร่งใสที่ยืดหยุ่นได้
คุณสมบัติเฉพาะของกราฟีนทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าโปร่งใสรุ่นต่อไป (5, 6) เมื่อเปรียบเทียบกับตัวนำโปร่งใสที่ใช้กันทั่วไปอย่างอินเดียมทินออกไซด์ [ITO; 100 โอห์ม/ตาราง (sq) ที่ความโปร่งใส 90%] กราฟีนชั้นเดียวที่ปลูกโดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) มีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกันทั้งในด้านความต้านทานต่อพื้นที่ (125 โอห์ม/ตาราง) และความโปร่งใส (97.4%) (5) นอกจากนี้ ฟิล์มกราฟีนยังมีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับ ITO (7) ตัวอย่างเช่น บนพื้นผิวพลาสติก การนำไฟฟ้าสามารถคงอยู่ได้แม้รัศมีการโค้งงอที่เล็กเพียง 0.8 มม. (8) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางไฟฟ้าในฐานะตัวนำโปร่งใสที่ยืดหยุ่นได้ดียิ่งขึ้น งานวิจัยก่อนหน้านี้ได้พัฒนาวัสดุไฮบริดกราฟีนร่วมกับนาโนไวร์เงินแบบหนึ่งมิติ (1D) หรือนาโนทิวบ์คาร์บอน (CNTs) (9–11) นอกจากนี้ กราฟีนยังถูกใช้เป็นอิเล็กโทรดสำหรับเซมิคอนดักเตอร์เฮเทอโรสตรักเจอร์แบบผสมมิติ (เช่น ซิลิคอนแบบก้อน 2 มิติ, นาโนไวร์/นาโนทิวบ์ 1 มิติ และควอนตัมดอท 0 มิติ) (12) ทรานซิสเตอร์แบบยืดหยุ่น เซลล์แสงอาทิตย์ และไดโอดเปล่งแสง (LED) (13–23)
แม้ว่ากราฟีนจะแสดงผลลัพธ์ที่น่าสนใจสำหรับอิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น แต่การประยุกต์ใช้ในอิเล็กทรอนิกส์แบบยืดได้ถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติทางกล (17, 24, 25) กราฟีนมีความแข็งในระนาบ 340 N/m และโมดูลัสของยัง 0.5 TPa (26) เครือข่ายคาร์บอน-คาร์บอนที่แข็งแรงไม่ได้ให้กลไกการกระจายพลังงานสำหรับความเครียดที่ใช้ และดังนั้นจึงแตกง่ายที่ความเครียดน้อยกว่า 5% ตัวอย่างเช่น กราฟีน CVD ที่ถ่ายโอนไปยังพื้นผิวที่ยืดหยุ่นโพลีไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) สามารถรักษาการนำไฟฟ้าได้ที่ความเครียดน้อยกว่า 6% เท่านั้น (8) การคำนวณทางทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าการยับย่นและปฏิสัมพันธ์ระหว่างชั้นต่างๆ ควรลดความแข็งลงอย่างมาก (26) มีรายงานว่าการซ้อนกราฟีนเป็นหลายชั้นทำให้กราฟีนสองหรือสามชั้นนี้ยืดได้ถึงความเครียด 30% โดยแสดงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานน้อยกว่ากราฟีนชั้นเดียวถึง 13 เท่า (27) อย่างไรก็ตาม ความยืดหยุ่นนี้ยังด้อยกว่าตัวนำไฟฟ้าแบบยืดหยุ่นที่ทันสมัยอย่างมาก (28, 29)
ทรานซิสเตอร์มีความสำคัญในการใช้งานที่ยืดหยุ่นได้ เนื่องจากช่วยให้สามารถอ่านค่าเซ็นเซอร์และวิเคราะห์สัญญาณได้อย่างซับซ้อน (30, 31) ทรานซิสเตอร์บน PDMS ที่มีกราฟีนหลายชั้นเป็นอิเล็กโทรดแหล่งกำเนิด/ระบาย และวัสดุช่องสัญญาณ สามารถรักษาการทำงานทางไฟฟ้าได้ถึง 5% ของความเครียด (32) ซึ่งต่ำกว่าค่าขั้นต่ำที่ต้องการ (~50%) สำหรับเซ็นเซอร์ตรวจวัดสุขภาพแบบสวมใส่และผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์ (33, 34) อย่างมาก เมื่อเร็วๆ นี้ ได้มีการสำรวจวิธีการคิริกามิกราฟีน และทรานซิสเตอร์ที่ควบคุมด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวสามารถยืดได้มากถึง 240% (35) อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้กราฟีนแบบแขวนลอย ซึ่งทำให้กระบวนการผลิตซับซ้อนขึ้น
ในงานวิจัยนี้ เราได้สร้างอุปกรณ์กราฟีนที่มีความยืดหยุ่นสูงโดยการสอดแทรกม้วนกราฟีน (ยาวประมาณ 1 ถึง 20 ไมโครเมตร กว้างประมาณ 0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร และสูงประมาณ 10 ถึง 100 นาโนเมตร) ระหว่างชั้นกราฟีน เราตั้งสมมติฐานว่าม้วนกราฟีนเหล่านี้สามารถเป็นเส้นทางนำไฟฟ้าเพื่อเชื่อมรอยแตกในแผ่นกราฟีน จึงช่วยรักษาการนำไฟฟ้าสูงภายใต้แรงดึง ม้วนกราฟีนไม่จำเป็นต้องมีการสังเคราะห์หรือกระบวนการเพิ่มเติม มันเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติในระหว่างขั้นตอนการถ่ายโอนแบบเปียก โดยการใช้ม้วนกราฟีนหลายชั้น G/G (กราฟีน/กราฟีน) (MGGs) ขั้วไฟฟ้ากราฟีนที่ยืดหยุ่นได้ (แหล่งกำเนิด/ระบายและเกต) และท่อนาโนคาร์บอนกึ่งตัวนำ เราสามารถสาธิตทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่มีความโปร่งใสและยืดหยุ่นสูง ซึ่งสามารถยืดได้ถึง 120% (ขนานกับทิศทางการขนส่งประจุ) และยังคงรักษาเอาต์พุตกระแสเดิมได้ 60% นี่คือทรานซิสเตอร์คาร์บอนโปร่งใสที่ยืดหยุ่นได้มากที่สุดเท่าที่เคยมีมา และให้กระแสไฟฟ้าเพียงพอที่จะขับเคลื่อน LED ออร์แกนิกได้
เพื่อให้สามารถสร้างอิเล็กโทรดกราฟีนแบบยืดหยุ่นโปร่งใสขนาดใหญ่ได้ เราจึงเลือกใช้กราฟีนที่ปลูกด้วยวิธี CVD บนแผ่นฟอยล์ทองแดง โดยวางแผ่นฟอยล์ทองแดงไว้ตรงกลางท่อควอตซ์ CVD เพื่อให้กราฟีนเติบโตบนทั้งสองด้าน ทำให้เกิดโครงสร้าง G/Cu/G ในการถ่ายโอนกราฟีน เราได้เคลือบชั้นบางๆ ของโพลี(เมทิลเมทาคริเลต) (PMMA) ด้วยวิธีการสปินโค้ทเพื่อป้องกันด้านหนึ่งของกราฟีน ซึ่งเราเรียกว่ากราฟีนด้านบน (และในทางกลับกันสำหรับอีกด้านหนึ่งของกราฟีน) จากนั้น ฟิล์มทั้งหมด (PMMA/กราฟีนด้านบน/Cu/กราฟีนด้านล่าง) จะถูกแช่ในสารละลาย (NH4)2S2O8 เพื่อกัดเซาะแผ่นฟอยล์ทองแดงออก กราฟีนด้านล่างที่ไม่มีการเคลือบ PMMA จะมีรอยแตกและข้อบกพร่องที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งจะทำให้สารกัดเซาะสามารถแทรกซึมผ่านได้ (36, 37) ดังแสดงในรูปที่ 1A ภายใต้ผลของแรงตึงผิว โดเมนกราฟีนที่หลุดออกมาจะม้วนตัวเป็นม้วนและยึดติดกับฟิล์ม top-G/PMMA ที่เหลืออยู่ ม้วน top-G/G เหล่านี้สามารถถ่ายโอนไปยังพื้นผิวใดก็ได้ เช่น SiO2/Si แก้ว หรือพอลิเมอร์อ่อน การทำกระบวนการถ่ายโอนนี้ซ้ำหลายครั้งบนพื้นผิวเดียวกันจะทำให้ได้โครงสร้าง MGG
(A) ภาพประกอบแผนผังแสดงขั้นตอนการผลิต MGGs เป็นอิเล็กโทรดแบบยืดหยุ่นได้ ในระหว่างการถ่ายโอนกราฟีน กราฟีนด้านหลังบนแผ่นฟอยล์ทองแดงจะแตกที่ขอบและจุดบกพร่อง ม้วนขึ้นเป็นรูปทรงต่างๆ และยึดติดแน่นกับฟิล์มด้านบน ทำให้เกิดนาโนสครอล ภาพที่สี่แสดงโครงสร้าง MGG ที่ซ้อนกัน (B และ C) ภาพถ่าย TEM ความละเอียดสูงของ MGG ชั้นเดียว โดยเน้นที่กราฟีนชั้นเดียว (B) และบริเวณสครอล (C) ตามลำดับ ภาพแทรกใน (B) เป็นภาพกำลังขยายต่ำที่แสดงสัณฐานวิทยาโดยรวมของ MGG ชั้นเดียวบนตะแกรง TEM ภาพแทรกใน (C) เป็นโปรไฟล์ความเข้มที่ถ่ายตามกรอบสี่เหลี่ยมที่ระบุในภาพ โดยระยะห่างระหว่างระนาบอะตอมคือ 0.34 และ 0.41 นาโนเมตร (D) สเปกตรัม EEL ขอบ K ของคาร์บอนพร้อมระบุพีคกราไฟต์ π* และ σ* ที่เป็นลักษณะเฉพาะ (E) ภาพตัดขวางจากกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ของชั้นโมโนเลเยอร์ G/G ที่มีโปรไฟล์ความสูงตามเส้นประสีเหลือง (F ถึง I) ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและภาพจากกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ของชั้นไตรเลเยอร์ G ที่ไม่มี (F และ H) และมีรอยม้วน (G และ I) บนพื้นผิว SiO2/Si หนา 300 นาโนเมตร ตามลำดับ รอยม้วนและรอยย่นที่เป็นตัวแทนถูกระบุไว้เพื่อเน้นความแตกต่าง
เพื่อตรวจสอบว่าโครงสร้างม้วนนั้นเป็นกราฟีนที่ม้วนขึ้นจริงหรือไม่ เราได้ทำการศึกษาโครงสร้างม้วนกราฟีนแบบชั้นเดียวด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านความละเอียดสูง (TEM) และสเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EEL) รูปที่ 1B แสดงโครงสร้างหกเหลี่ยมของกราฟีนชั้นเดียว และภาพแทรกแสดงลักษณะโดยรวมของฟิล์มที่เคลือบอยู่บนรูคาร์บอนรูเดียวของตะแกรง TEM กราฟีนชั้นเดียวครอบคลุมพื้นที่ส่วนใหญ่ของตะแกรง และมีเกล็ดกราฟีนบางส่วนปรากฏอยู่ร่วมกับวงแหวนหกเหลี่ยมหลายชั้น (รูปที่ 1B) เมื่อซูมเข้าไปดูที่โครงสร้างม้วนแต่ละอัน (รูปที่ 1C) เราสังเกตเห็นเส้นโครงตาข่ายกราฟีนจำนวนมาก โดยมีระยะห่างของโครงตาข่ายอยู่ในช่วง 0.34 ถึง 0.41 นาโนเมตร การวัดเหล่านี้บ่งชี้ว่าเกล็ดกราฟีนนั้นม้วนขึ้นอย่างไม่เป็นระเบียบและไม่ใช่กราไฟต์ที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งมีระยะห่างของโครงตาข่าย 0.34 นาโนเมตรในการเรียงซ้อนแบบ "ABAB" รูปที่ 1D แสดงสเปกตรัม EEL ขอบ K ของคาร์บอน โดยที่ยอดพีคที่ 285 eV เกิดจากออร์บิทัล π* และอีกยอดพีคหนึ่งที่อยู่รอบๆ 290 eV เกิดจากการเปลี่ยนสถานะของออร์บิทัล σ* จะเห็นได้ว่าพันธะ sp2 มีบทบาทสำคัญในโครงสร้างนี้ ซึ่งยืนยันว่าโครงสร้างแบบม้วนนั้นมีความเป็นกราไฟต์สูง
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการกระจายตัวของนาโนสครอลกราฟีนใน MGG (รูปที่ 1, E ถึง G และรูปที่ S1 และ S2) สครอลเหล่านี้กระจายตัวแบบสุ่มทั่วพื้นผิว และความหนาแน่นในระนาบจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของจำนวนชั้นที่ซ้อนกัน สครอลจำนวนมากพันกันเป็นปมและมีความสูงไม่สม่ำเสมอในช่วง 10 ถึง 100 นาโนเมตร มีความยาว 1 ถึง 20 ไมโครเมตร และกว้าง 0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร ขึ้นอยู่กับขนาดของเกล็ดกราฟีนเริ่มต้น ดังแสดงในรูปที่ 1 (H และ I) สครอลมีขนาดใหญ่กว่ารอยย่นอย่างเห็นได้ชัด ส่งผลให้พื้นผิวระหว่างชั้นกราฟีนมีความหยาบกว่ามาก
เพื่อวัดคุณสมบัติทางไฟฟ้า เราได้สร้างลวดลายฟิล์มกราฟีนที่มีหรือไม่มีโครงสร้างแบบม้วน และการเรียงซ้อนชั้นเป็นแถบกว้าง 300 ไมโครเมตร และยาว 2000 ไมโครเมตร โดยใช้โฟโตลิโทกราฟี วัดค่าความต้านทานแบบสองโพรบเป็นฟังก์ชันของความเครียดภายใต้สภาวะแวดล้อม การมีอยู่ของโครงสร้างแบบม้วนช่วยลดความต้านทานของกราฟีนชั้นเดียวลง 80% โดยมีค่าการส่งผ่านแสงลดลงเพียง 2.2% (รูปที่ S4) สิ่งนี้ยืนยันว่านาโนสครอลล์ ซึ่งมีความหนาแน่นกระแสสูงถึง 5 × 107 A/cm2 (38, 39) มีส่วนช่วยทางไฟฟ้าในเชิงบวกอย่างมากต่อ MGG ในบรรดากราฟีนธรรมดาและ MGG แบบชั้นเดียว สองชั้น และสามชั้นทั้งหมด MGG แบบสามชั้นมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดีที่สุด โดยมีความโปร่งใสเกือบ 90% เพื่อเปรียบเทียบกับแหล่งกราฟีนอื่นๆ ที่รายงานไว้ในเอกสาร เรายังได้วัดค่าความต้านทานแผ่นแบบสี่โพรบ (รูปที่ S5) และแสดงรายการเป็นฟังก์ชันของการส่งผ่านแสงที่ 550 นาโนเมตร (รูปที่ S6) ในรูปที่ 2A ด้วย MGG แสดงให้เห็นถึงค่าการนำไฟฟ้าและความโปร่งใสที่เทียบเท่าหรือสูงกว่ากราฟีนธรรมดาแบบหลายชั้นที่ซ้อนกันโดยเทียมและกราฟีนออกไซด์ที่ลดลง (RGO) (6, 8, 18) โปรดทราบว่าค่าความต้านทานแผ่นของกราฟีนธรรมดาแบบหลายชั้นที่ซ้อนกันโดยเทียมจากเอกสารนั้นสูงกว่า MGG ของเราเล็กน้อย ซึ่งอาจเป็นเพราะสภาวะการเติบโตและวิธีการถ่ายโอนที่ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสม
(A) ความต้านทานแผ่นสี่โพรบเทียบกับการส่งผ่านแสงที่ 550 นาโนเมตรสำหรับกราฟีนหลายประเภท โดยสี่เหลี่ยมสีดำแสดงถึง MGG แบบชั้นเดียว สองชั้น และสามชั้น วงกลมสีแดงและสามเหลี่ยมสีน้ำเงินสอดคล้องกับกราฟีนธรรมดาหลายชั้นที่ปลูกบน Cu และ Ni จากการศึกษาของ Li et al. (6) และ Kim et al. (8) ตามลำดับ และถ่ายโอนไปยัง SiO2/Si หรือควอตซ์ในภายหลัง และสามเหลี่ยมสีเขียวคือค่าสำหรับ RGO ที่ระดับการลดที่แตกต่างกันจากการศึกษาของ Bonaccorso et al. (18) (B และ C) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานปกติของ MGG แบบชั้นเดียว สองชั้น และสามชั้น และ G เป็นฟังก์ชันของความเครียดตั้งฉาก (B) และขนาน (C) กับทิศทางการไหลของกระแส (D) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานปกติของ G สองชั้น (สีแดง) และ MGG (สีดำ) ภายใต้การโหลดความเครียดแบบวงจรจนถึงความเครียดตั้งฉาก 50% (E) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่ปรับให้เป็นมาตรฐานของ G แบบสามชั้น (สีแดง) และ MGG (สีดำ) ภายใต้การรับแรงดึงแบบวงจรจนถึงแรงดึงขนาน 90% (F) การเปลี่ยนแปลงความจุที่ปรับให้เป็นมาตรฐานของ G แบบชั้นเดียว สองชั้น และสามชั้น และ MGG แบบสองชั้นและสามชั้น เป็นฟังก์ชันของแรงดึง ภาพแทรกคือโครงสร้างของตัวเก็บประจุ โดยที่พื้นผิวพอลิเมอร์คือ SEBS และชั้นไดอิเล็กทริกพอลิเมอร์คือ SEBS หนา 2 ไมโครเมตร
เพื่อประเมินประสิทธิภาพของ MGG ที่ขึ้นอยู่กับแรงดึง เราได้ถ่ายโอนกราฟีนลงบนพื้นผิวเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์สไตรีน-เอทิลีน-บิวทาไดอีน-สไตรีน (SEBS) (กว้างประมาณ 2 ซม. และยาวประมาณ 5 ซม.) และวัดค่าการนำไฟฟ้าขณะที่พื้นผิวถูกยืด (ดูหัวข้อ วัสดุและวิธีการ) ทั้งในแนวตั้งฉากและขนานกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า (รูปที่ 2, B และ C) พฤติกรรมทางไฟฟ้าที่ขึ้นอยู่กับแรงดึงดีขึ้นเมื่อมีการรวมนาโนสครอลและการเพิ่มจำนวนชั้นของกราฟีน ตัวอย่างเช่น เมื่อแรงดึงตั้งฉากกับการไหลของกระแสไฟฟ้า สำหรับกราฟีนชั้นเดียว การเพิ่มสครอลทำให้แรงดึงที่จุดแตกหักทางไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจาก 5% เป็น 70% ความทนทานต่อแรงดึงของกราฟีนสามชั้นก็ดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับกราฟีนชั้นเดียว ด้วยนาโนสครอล ที่แรงดึงตั้งฉาก 100% ความต้านทานของโครงสร้าง MGG สามชั้นเพิ่มขึ้นเพียง 50% เมื่อเทียบกับ 300% สำหรับกราฟีนสามชั้นที่ไม่มีสครอล ได้ทำการศึกษาการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายใต้การรับแรงดึงแบบวัฏจักร เพื่อเปรียบเทียบ (รูปที่ 2D) ความต้านทานของฟิล์มกราฟีนสองชั้นธรรมดาเพิ่มขึ้นประมาณ 7.5 เท่าหลังจากประมาณ 700 รอบที่แรงดึงตั้งฉาก 50% และยังคงเพิ่มขึ้นตามแรงดึงในแต่ละรอบ ในทางกลับกัน ความต้านทานของ MGG สองชั้นเพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 2.5 เท่าหลังจากประมาณ 700 รอบ เมื่อใช้แรงดึงสูงสุด 90% ตามทิศทางขนาน ความต้านทานของกราฟีนสามชั้นเพิ่มขึ้นประมาณ 100 เท่าหลังจาก 1000 รอบ ในขณะที่ MGG สามชั้นเพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 8 เท่า (รูปที่ 2E) ผลการทดสอบวัฏจักรแสดงในรูปที่ S7 การเพิ่มขึ้นของความต้านทานที่ค่อนข้างเร็วตามทิศทางแรงดึงขนานนั้นเป็นเพราะทิศทางของรอยแตกตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้า ความเบี่ยงเบนของความต้านทานระหว่างการรับและคลายแรงดึงเกิดจากการคืนตัวแบบวิสโคอีลาสติกของพื้นผิวอีลาสโตเมอร์ SEBS ความต้านทานที่เสถียรยิ่งขึ้นของแถบ MGG ระหว่างการหมุนเวียนนั้นเกิดจากการมีม้วนขนาดใหญ่ที่สามารถเชื่อมต่อส่วนที่แตกของกราฟีนได้ (ตามที่สังเกตได้จาก AFM) ซึ่งช่วยรักษาเส้นทางที่เชื่อมต่อกันได้ ปรากฏการณ์ของการรักษาการนำไฟฟ้าโดยเส้นทางที่เชื่อมต่อกันได้นี้เคยมีการรายงานมาก่อนแล้วสำหรับฟิล์มโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ที่แตกบนพื้นผิวอีลาสโตเมอร์ (40, 41)
เพื่อประเมินฟิล์มที่ทำจากกราฟีนเหล่านี้ในฐานะอิเล็กโทรดเกตในอุปกรณ์ที่ยืดหยุ่นได้ เราได้เคลือบชั้นกราฟีนด้วยชั้นไดอิเล็กทริก SEBS (หนา 2 ไมโครเมตร) และตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงของความจุไดอิเล็กทริกตามฟังก์ชันของความเครียด (ดูรูปที่ 2F และวัสดุเสริมสำหรับรายละเอียด) เราสังเกตว่าความจุของอิเล็กโทรดกราฟีนชั้นเดียวและสองชั้นธรรมดาจะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการสูญเสียการนำไฟฟ้าในระนาบของกราฟีน ในทางตรงกันข้าม ความจุที่ควบคุมโดย MGGs รวมถึงกราฟีนสามชั้นธรรมดาแสดงให้เห็นว่าความจุเพิ่มขึ้นตามความเครียด ซึ่งเป็นไปตามที่คาดไว้เนื่องจากความหนาของไดอิเล็กทริกลดลงตามความเครียด การเพิ่มขึ้นของความจุที่คาดไว้นั้นสอดคล้องกับโครงสร้าง MGG เป็นอย่างดี (รูปที่ S8) ซึ่งบ่งชี้ว่า MGG เหมาะสมที่จะใช้เป็นอิเล็กโทรดเกตสำหรับทรานซิสเตอร์ที่ยืดหยุ่นได้
เพื่อศึกษาบทบาทของแผ่นกราฟีนแบบ 1 มิติที่มีต่อความทนทานต่อแรงดึงของค่าการนำไฟฟ้า และเพื่อควบคุมระยะห่างระหว่างชั้นกราฟีนให้ดียิ่งขึ้น เราจึงใช้ CNT ที่เคลือบด้วยสเปรย์มาแทนที่แผ่นกราฟีน (ดูวัสดุเสริม) เพื่อเลียนแบบโครงสร้าง MGG เราได้ทำการเคลือบ CNT สามระดับความหนาแน่น (นั่นคือ CNT1)
(A ถึง C) ภาพ AFM ของ CNT สามระดับความหนาแน่นที่แตกต่างกัน (CNT1)
เพื่อทำความเข้าใจความสามารถของวัสดุเหล่านี้ในฐานะอิเล็กโทรดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้ดียิ่งขึ้น เราได้ทำการตรวจสอบสัณฐานวิทยาของ MGG และ G-CNT-G ภายใต้แรงดึงอย่างเป็นระบบ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ไม่ใช่วิธีการตรวจสอบลักษณะเฉพาะที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากทั้งสองวิธีขาดความแตกต่างของสี และ SEM อาจเกิดสิ่งแปลกปลอมในภาพระหว่างการสแกนอิเล็กตรอนเมื่อกราฟีนอยู่บนพื้นผิวพอลิเมอร์ (รูปที่ S9 และ S10) เพื่อสังเกตพื้นผิวกราฟีนภายใต้แรงดึงในสถานที่จริง เราได้ทำการวัด AFM บน MGG สามชั้นและกราฟีนธรรมดาหลังจากถ่ายโอนไปยังพื้นผิว SEBS ที่บางมาก (~0.1 มม. หนา) และยืดหยุ่นได้ เนื่องจากข้อบกพร่องภายในของกราฟีน CVD และความเสียหายภายนอกระหว่างกระบวนการถ่ายโอน รอยแตกจึงเกิดขึ้นบนกราฟีนที่รับแรงดึงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และเมื่อแรงดึงเพิ่มขึ้น รอยแตกก็จะหนาแน่นขึ้น (รูปที่ 4, A ถึง D) ขึ้นอยู่กับโครงสร้างการเรียงซ้อนของอิเล็กโทรดที่ใช้คาร์บอน รอยแตกจะแสดงสัณฐานวิทยาที่แตกต่างกัน (รูปที่ S11) (27) ความหนาแน่นของพื้นที่รอยแตก (กำหนดโดยพื้นที่รอยแตก/พื้นที่วิเคราะห์) ของกราฟีนหลายชั้นนั้นน้อยกว่าของกราฟีนชั้นเดียวหลังจากได้รับแรงดึง ซึ่งสอดคล้องกับการเพิ่มขึ้นของค่าการนำไฟฟ้าสำหรับ MGG ในทางกลับกัน มักพบโครงสร้างแบบม้วน (scrolls) ที่เชื่อมต่อรอยแตก ทำให้เกิดเส้นทางนำไฟฟ้าเพิ่มเติมในฟิล์มที่ได้รับแรงดึง ตัวอย่างเช่น ดังแสดงในภาพของรูปที่ 4B โครงสร้างแบบม้วนขนาดกว้างพาดผ่านรอยแตกใน MGG สามชั้น แต่ไม่พบโครงสร้างแบบม้วนในกราฟีนธรรมดา (รูปที่ 4, E ถึง H) ในทำนองเดียวกัน CNTs ก็เชื่อมต่อรอยแตกในกราฟีนเช่นกัน (รูปที่ S11) ความหนาแน่นของพื้นที่รอยแตก ความหนาแน่นของพื้นที่โครงสร้างแบบม้วน และความขรุขระของฟิล์มสรุปไว้ในรูปที่ 4K
(A ถึง H) ภาพ AFM แบบ in situ ของโครงสร้างม้วน G/G สามชั้น (A ถึง D) และโครงสร้าง G สามชั้น (E ถึง H) บนแผ่นยางยืด SEBS บางมาก (~0.1 มม. หนา) ที่ความเครียด 0, 20, 60 และ 100% รอยแตกและโครงสร้างม้วนที่เป็นตัวแทนถูกชี้ด้วยลูกศร ภาพ AFM ทั้งหมดอยู่ในพื้นที่ 15 μm × 15 μm โดยใช้แถบมาตราส่วนสีเดียวกันกับที่ระบุไว้ (I) รูปทรงเรขาคณิตจำลองของอิเล็กโทรดกราฟีนชั้นเดียวที่มีลวดลายบนพื้นผิว SEBS (J) แผนที่เส้นชั้นความสูงจำลองของความเครียดลอการิทึมหลักสูงสุดในกราฟีนชั้นเดียวและพื้นผิว SEBS ที่ความเครียดภายนอก 20% (K) การเปรียบเทียบความหนาแน่นของพื้นที่รอยแตก (คอลัมน์สีแดง) ความหนาแน่นของพื้นที่โครงสร้างม้วน (คอลัมน์สีเหลือง) และความขรุขระของพื้นผิว (คอลัมน์สีน้ำเงิน) สำหรับโครงสร้างกราฟีนที่แตกต่างกัน
เมื่อฟิล์ม MGG ถูกยืดออก จะมีกลไกเพิ่มเติมที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งคือ ม้วนกราฟีนสามารถเชื่อมต่อบริเวณที่แตกของกราฟีนได้ ทำให้เครือข่ายยังคงเชื่อมต่อกันได้ ม้วนกราฟีนนั้นมีแนวโน้มที่ดี เพราะมีความยาวได้หลายสิบไมโครเมตร จึงสามารถเชื่อมต่อรอยแตกที่มีขนาดโดยทั่วไปเพียงระดับไมโครเมตรได้ นอกจากนี้ เนื่องจากม้วนกราฟีนประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้น จึงคาดว่าจะมีความต้านทานต่ำ ในทางเปรียบเทียบ เครือข่าย CNT ที่ค่อนข้างหนาแน่น (การส่งผ่านแสงต่ำกว่า) จำเป็นต้องใช้เพื่อให้ความสามารถในการเชื่อมต่อแบบนำไฟฟ้าที่เทียบเท่ากัน เนื่องจาก CNT มีขนาดเล็กกว่า (โดยทั่วไปมีความยาวเพียงไม่กี่ไมโครเมตร) และนำไฟฟ้าได้น้อยกว่าม้วนกราฟีน ในทางกลับกัน ดังแสดงในรูปที่ S12 ในขณะที่กราฟีนแตกในระหว่างการยืดเพื่อรองรับแรงดึง ม้วนกราฟีนกลับไม่แตก ซึ่งบ่งชี้ว่าม้วนกราฟีนอาจเลื่อนไปบนกราฟีนด้านล่าง เหตุผลที่พวกมันไม่แตกน่าจะเป็นเพราะโครงสร้างแบบม้วน ซึ่งประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้น (ยาวประมาณ 1 ถึง 20 ไมโครเมตร กว้างประมาณ 0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร และสูงประมาณ 10 ถึง 100 นาโนเมตร) ซึ่งมีโมดูลัสประสิทธิผลสูงกว่ากราฟีนชั้นเดียว ดังที่รายงานโดย Green และ Hersam (42) เครือข่าย CNT โลหะ (เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 1.0 นาโนเมตร) สามารถบรรลุความต้านทานแผ่นต่ำ <100 โอห์ม/ตารางเมตร แม้จะมีความต้านทานจุดเชื่อมต่อขนาดใหญ่ระหว่าง CNT ก็ตาม เมื่อพิจารณาว่าม้วนกราฟีนของเรามีความกว้าง 0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร และม้วน G/G มีพื้นที่สัมผัสที่ใหญ่กว่า CNT มาก ความต้านทานการสัมผัสและพื้นที่สัมผัสระหว่างกราฟีนและม้วนกราฟีนจึงไม่น่าจะเป็นปัจจัยจำกัดในการรักษาค่าการนำไฟฟ้าสูง
กราฟีนมีโมดูลัสที่สูงกว่าพื้นผิว SEBS มาก แม้ว่าความหนาที่มีประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดกราฟีนจะต่ำกว่าพื้นผิวมาก แต่ความแข็งของกราฟีนคูณด้วยความหนาจะเทียบได้กับพื้นผิว (43, 44) ส่งผลให้เกิดเอฟเฟกต์เกาะแข็งปานกลาง เราจำลองการเสียรูปของกราฟีนหนา 1 นาโนเมตรบนพื้นผิว SEBS (ดูรายละเอียดในวัสดุเสริม) จากผลการจำลอง เมื่อใช้แรงดึง 20% กับพื้นผิว SEBS จากภายนอก แรงดึงเฉลี่ยในกราฟีนจะอยู่ที่ประมาณ 6.6% (รูปที่ 4J และรูปที่ S13D) ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตการณ์เชิงทดลอง (ดูรูปที่ S13) เราเปรียบเทียบแรงดึงในบริเวณกราฟีนที่มีลวดลายและบริเวณพื้นผิวโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอล และพบว่าแรงดึงในบริเวณพื้นผิวมีอย่างน้อยสองเท่าของแรงดึงในบริเวณกราฟีน สิ่งนี้บ่งชี้ว่าความเครียดที่กระทำต่อรูปแบบอิเล็กโทรดกราฟีนสามารถถูกจำกัดได้อย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เกิดเกาะกราฟีนแข็งบนยอด SEBS (26, 43, 44)
ดังนั้น ความสามารถของอิเล็กโทรด MGG ในการรักษาค่าการนำไฟฟ้าสูงภายใต้แรงดึงสูงนั้น น่าจะเกิดจากกลไกหลักสองประการ ได้แก่ (i) ม้วนสามารถเชื่อมต่อบริเวณที่ขาดการเชื่อมต่อเพื่อรักษาเส้นทางการนำไฟฟ้า และ (ii) แผ่นกราฟีนหลายชั้น/อีลาสโตเมอร์อาจเลื่อนไปมาระหว่างกัน ส่งผลให้แรงดึงบนอิเล็กโทรดกราฟีนลดลง สำหรับกราฟีนที่ถ่ายโอนหลายชั้นบนอีลาสโตเมอร์ ชั้นต่างๆ จะไม่ยึดติดกันอย่างแน่นหนา ซึ่งอาจเลื่อนไปมาตามแรงดึง (27) ม้วนยังเพิ่มความหยาบของชั้นกราฟีน ซึ่งอาจช่วยเพิ่มระยะห่างระหว่างชั้นกราฟีนและทำให้ชั้นกราฟีนสามารถเลื่อนไปมาได้
อุปกรณ์ที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมดกำลังได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากต้นทุนต่ำและประสิทธิภาพสูง ในกรณีของเรา ทรานซิสเตอร์ที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมดถูกสร้างขึ้นโดยใช้เกตกราฟีนด้านล่าง ขั้วแหล่งจ่าย/ระบายกราฟีนด้านบน สารกึ่งตัวนำ CNT ที่คัดแยกแล้ว และ SEBS เป็นฉนวน (รูปที่ 5A) ดังแสดงในรูปที่ 5B อุปกรณ์ที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมดโดยใช้ CNT เป็นแหล่งจ่าย/ระบายและเกต (อุปกรณ์ด้านล่าง) จะทึบแสงกว่าอุปกรณ์ที่ใช้อิเล็กโทรดกราฟีน (อุปกรณ์ด้านบน) ทั้งนี้เนื่องจากเครือข่าย CNT ต้องการความหนาที่มากกว่า และส่งผลให้การส่งผ่านแสงต่ำลงเพื่อให้ได้ความต้านทานต่อพื้นที่ใกล้เคียงกับกราฟีน (รูปที่ S4) รูปที่ 5 (C และ D) แสดงเส้นโค้งการถ่ายโอนและเอาต์พุตที่เป็นตัวแทนก่อนการดัดแปลงสำหรับทรานซิสเตอร์ที่ทำจากอิเล็กโทรด MGG สองชั้น ความกว้างและความยาวของช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์ที่ไม่ถูกดัดแปลงคือ 800 และ 100 ไมโครเมตร ตามลำดับ อัตราส่วนเปิด/ปิดที่วัดได้มีค่ามากกว่า 103 โดยมีกระแสเปิดและปิดอยู่ที่ระดับ 10−5 และ 10−8 A ตามลำดับ เส้นโค้งเอาต์พุตแสดงให้เห็นถึงระบอบเชิงเส้นและอิ่มตัวในอุดมคติโดยมีการพึ่งพาแรงดันเกตที่ชัดเจน ซึ่งบ่งชี้ถึงการสัมผัสในอุดมคติระหว่าง CNT และอิเล็กโทรดกราฟีน (45) พบว่าความต้านทานการสัมผัสกับอิเล็กโทรดกราฟีนต่ำกว่าความต้านทานการสัมผัสกับฟิล์ม Au ที่ระเหย (ดูรูป S14) ความคล่องตัวอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์แบบยืดหยุ่นได้อยู่ที่ประมาณ 5.6 cm2/Vs ซึ่งคล้ายกับทรานซิสเตอร์ CNT ที่คัดแยกด้วยพอลิเมอร์ชนิดเดียวกันบนพื้นผิว Si ที่แข็งโดยมี SiO2 หนา 300 นาโนเมตรเป็นชั้นไดอิเล็กทริก การปรับปรุงความคล่องตัวเพิ่มเติมสามารถทำได้ด้วยความหนาแน่นของท่อที่เหมาะสมและท่อประเภทอื่น ๆ (46)
(A) แผนผังของทรานซิสเตอร์แบบยืดหยุ่นได้ที่ทำจากกราฟีน SWNTs คือท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว (B) ภาพถ่ายของทรานซิสเตอร์แบบยืดหยุ่นได้ที่ทำจากอิเล็กโทรดกราฟีน (ด้านบน) และอิเล็กโทรด CNT (ด้านล่าง) ความแตกต่างของความโปร่งใสสามารถสังเกตเห็นได้อย่างชัดเจน (C และ D) กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดันเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์ที่ทำจากกราฟีนบน SEBS ก่อนการยืด (E และ F) กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแส แรงดันเปิดและปิด อัตราส่วนเปิด/ปิด และความคล่องตัวของทรานซิสเตอร์ที่ทำจากกราฟีนที่ระดับการยืดต่างๆ
เมื่ออุปกรณ์คาร์บอนโปร่งใสถูกยืดในทิศทางขนานกับทิศทางการขนส่งประจุ พบว่ามีการเสื่อมสภาพน้อยที่สุดจนถึงระดับการยืด 120% ในระหว่างการยืด ค่าความคล่องตัวลดลงอย่างต่อเนื่องจาก 5.6 cm2/Vs ที่ระดับการยืด 0% เหลือ 2.5 cm2/Vs ที่ระดับการยืด 120% (รูปที่ 5F) เรายังได้เปรียบเทียบประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์สำหรับความยาวช่องสัญญาณที่แตกต่างกัน (ดูตาราง S1) ที่น่าสังเกตคือ ที่ระดับการยืดสูงถึง 105% ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ยังคงแสดงอัตราส่วนเปิด/ปิดสูง (>103) และค่าความคล่องตัวสูง (>3 cm2/Vs) นอกจากนี้ เรายังได้สรุปงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมด (ดูตาราง S2) (47–52) ด้วยการปรับปรุงการผลิตอุปกรณ์บนอีลาสโตเมอร์และใช้ MGG เป็นหน้าสัมผัส ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดของเราจึงแสดงประสิทธิภาพที่ดีในแง่ของค่าความคล่องตัวและฮิสเทอรีซิส รวมทั้งมีความยืดหยุ่นสูง
เพื่อเป็นการประยุกต์ใช้ทรานซิสเตอร์ที่โปร่งใสและยืดหยุ่นได้ เราได้ใช้มันในการควบคุมการสลับสถานะของ LED (รูปที่ 6A) ดังแสดงในรูปที่ 6B สามารถมองเห็น LED สีเขียวได้อย่างชัดเจนผ่านอุปกรณ์คาร์บอนที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งวางอยู่ด้านบนโดยตรง ในขณะที่ยืดออกจนถึงประมาณ 100% (รูปที่ 6C และ 6D) ความเข้มของแสง LED ไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งสอดคล้องกับประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ที่อธิบายไว้ข้างต้น (ดูวิดีโอเสริม S1) นี่เป็นรายงานฉบับแรกเกี่ยวกับหน่วยควบคุมที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งทำโดยใช้อิเล็กโทรดกราฟีน แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้ด้วยกราฟีน
(A) วงจรของทรานซิสเตอร์สำหรับขับ LED GND คือกราวด์ (B) ภาพถ่ายของทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่ยืดหยุ่นและโปร่งใส ณ สภาวะยืด 0% ติดตั้งอยู่เหนือ LED สีเขียว (C) ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่โปร่งใสและยืดหยุ่นได้ซึ่งใช้ในการสวิตช์ LED ถูกติดตั้งอยู่เหนือ LED ณ สภาวะยืด 0% (ซ้าย) และประมาณ 100% (ขวา) ลูกศรสีขาวชี้ไปยังเครื่องหมายสีเหลืองบนอุปกรณ์เพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงระยะทางที่ถูกยืด (D) มุมมองด้านข้างของทรานซิสเตอร์ที่ยืดออก โดยมี LED ถูกดันเข้าไปในวัสดุยืดหยุ่น
โดยสรุป เราได้พัฒนาโครงสร้างกราฟีนนำไฟฟ้าโปร่งใสที่รักษาการนำไฟฟ้าสูงภายใต้แรงดึงขนาดใหญ่ในฐานะอิเล็กโทรดที่ยืดหยุ่นได้ โดยอาศัยนาโนสครอลกราฟีนระหว่างชั้นกราฟีนที่ซ้อนกัน โครงสร้างอิเล็กโทรด MGG แบบสองและสามชั้นบนอีลาสโตเมอร์นี้สามารถรักษาการนำไฟฟ้าได้ 21% และ 65% ตามลำดับ ของการนำไฟฟ้าที่แรงดึง 0% ที่แรงดึงสูงถึง 100% เมื่อเทียบกับการสูญเสียการนำไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ที่แรงดึง 5% สำหรับอิเล็กโทรดกราฟีนชั้นเดียวทั่วไป เส้นทางการนำไฟฟ้าเพิ่มเติมของนาโนสครอลกราฟีน รวมถึงปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอระหว่างชั้นที่ถ่ายโอน มีส่วนช่วยให้ความเสถียรของการนำไฟฟ้าภายใต้แรงดึงดีเยี่ยม เราได้ประยุกต์ใช้โครงสร้างกราฟีนนี้เพื่อสร้างทรานซิสเตอร์แบบยืดหยุ่นที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมด จนถึงขณะนี้ นี่คือทรานซิสเตอร์ที่ใช้กราฟีนที่ยืดหยุ่นที่สุดและมีความโปร่งใสดีที่สุดโดยไม่ต้องใช้การโก่งงอ แม้ว่าการศึกษาในปัจจุบันจะดำเนินการเพื่อพัฒนากราฟีนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นได้ แต่เราเชื่อว่าแนวทางนี้สามารถขยายไปยังวัสดุ 2 มิติอื่นๆ เพื่อสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 2 มิติแบบยืดหยุ่นได้
กราฟีน CVD พื้นที่ขนาดใหญ่ถูกปลูกบนแผ่นฟอยล์ทองแดงแบบแขวน (99.999%; Alfa Aesar) ภายใต้ความดันคงที่ 0.5 มิลลิทอร์ โดยใช้ CH4 50 SCCM (ลูกบาศก์เซนติเมตรมาตรฐานต่อนาที) และ H2 20 SCCM เป็นสารตั้งต้นที่อุณหภูมิ 1000°C ทั้งสองด้านของแผ่นฟอยล์ทองแดงถูกเคลือบด้วยกราฟีนชั้นเดียว จากนั้นเคลือบฟิล์ม PMMA บางๆ (2000 รอบต่อนาที; A4, Microchem) ด้วยวิธีการสปินโค้ทบนด้านหนึ่งของแผ่นฟอยล์ทองแดง ทำให้เกิดโครงสร้าง PMMA/G/Cu foil/G ต่อมา ฟิล์มทั้งหมดถูกแช่ในสารละลายแอมโมเนียมเปอร์ซัลเฟต [(NH4)2S2O8] 0.1 M เป็นเวลาประมาณ 2 ชั่วโมงเพื่อกัดเซาะแผ่นฟอยล์ทองแดง ในระหว่างกระบวนการนี้ กราฟีนด้านหลังที่ไม่ได้รับการปกป้องจะฉีกขาดตามขอบเกรนก่อน แล้วจึงม้วนตัวเป็นม้วนเนื่องจากแรงตึงผิว แผ่นม้วนถูกติดเข้ากับฟิล์มกราฟีนด้านบนที่รองรับด้วย PMMA ทำให้เกิดเป็นแผ่นม้วน PMMA/G/G จากนั้นฟิล์มเหล่านี้ถูกล้างด้วยน้ำปราศจากไอออนหลายครั้งและวางลงบนพื้นผิวเป้าหมาย เช่น พื้นผิว SiO2/Si ที่แข็ง หรือพื้นผิวพลาสติก ทันทีที่ฟิล์มที่ติดแห้งบนพื้นผิว ตัวอย่างจะถูกแช่ในอะซิโตน อะซิโตน/IPA (ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์) ในอัตราส่วน 1:1 และ IPA เป็นเวลา 30 วินาทีในแต่ละครั้ง เพื่อกำจัด PMMA ฟิล์มถูกนำไปให้ความร้อนที่ 100°C เป็นเวลา 15 นาที หรือเก็บไว้ในสุญญากาศข้ามคืนเพื่อกำจัดน้ำที่ติดอยู่ภายในออกให้หมดก่อนที่จะถ่ายโอนแผ่นม้วน G/G ชั้นต่อไปลงไป ขั้นตอนนี้ทำขึ้นเพื่อป้องกันการหลุดลอกของฟิล์มกราฟีนจากพื้นผิวและเพื่อให้แน่ใจว่า MGG ถูกปกคลุมอย่างสมบูรณ์ในระหว่างการปล่อยชั้นตัวพา PMMA
ได้ทำการสังเกตสัณฐานวิทยาของโครงสร้าง MGG โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Leica) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (1 kV; FEI) นอกจากนี้ยังได้ใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (Nanoscope III, Digital Instrument) ในโหมดแตะเพื่อสังเกตรายละเอียดของโครงสร้าง G ได้ทำการทดสอบความโปร่งใสของฟิล์มโดยใช้เครื่องสเปกโทรเมตรแบบอัลตราไวโอเลต-วิสิเบิล (Agilent Cary 6000i) สำหรับการทดสอบที่แรงดึงอยู่ในทิศทางตั้งฉากกับการไหลของกระแสไฟฟ้า ได้ใช้กระบวนการโฟโตลิโทกราฟีและพลาสมา O2 ในการสร้างลวดลายโครงสร้างกราฟีนเป็นแถบ (กว้างประมาณ 300 ไมโครเมตร และยาวประมาณ 2000 ไมโครเมตร) และได้ทำการเคลือบอิเล็กโทรด Au (50 นาโนเมตร) ด้วยความร้อนโดยใช้หน้ากากบังเงาที่ปลายทั้งสองด้านของด้านยาว จากนั้น นำแผ่นกราฟีนไปสัมผัสกับแผ่นยางยืด SEBS (กว้างประมาณ 2 ซม. และยาวประมาณ 5 ซม.) โดยให้แกนยาวของแผ่นกราฟีนขนานกับด้านสั้นของ SEBS แล้วทำการกัดด้วย BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) และใช้ยูเทคติกแกลเลียมอินเดียม (EGaIn) เป็นหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า สำหรับการทดสอบแรงดึงขนาน โครงสร้างกราฟีนที่ไม่มีลวดลาย (ขนาดประมาณ 5 × 10 มม.) ถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิว SEBS โดยให้แกนยาวขนานกับด้านยาวของพื้นผิว SEBS ในทั้งสองกรณี โครงสร้าง G (โดยไม่มี G แบบม้วน)/SEBS ทั้งหมดถูกยืดไปตามด้านยาวของแผ่นยางยืดในอุปกรณ์แบบแมนนวล และในสถานที่จริง เราวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายใต้แรงดึงบนสถานีทดสอบด้วยเครื่องวิเคราะห์เซมิคอนดักเตอร์ (Keithley 4200-SCS)
ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่มีความยืดหยุ่นสูงและโปร่งใสบนพื้นผิวที่ยืดหยุ่นได้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้ขั้นตอนต่อไปนี้เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของตัวทำละลายอินทรีย์ต่อไดอิเล็กทริกพอลิเมอร์และพื้นผิว โครงสร้าง MGG ถูกถ่ายโอนไปยัง SEBS เพื่อใช้เป็นอิเล็กโทรดเกต เพื่อให้ได้ชั้นไดอิเล็กทริกพอลิเมอร์ฟิล์มบางที่สม่ำเสมอ (หนา 2 μm) สารละลาย SEBS โทลูอีน (80 มก./มล.) ถูกเคลือบแบบหมุนบนพื้นผิว SiO2/Si ที่ดัดแปลงด้วยออกตาเดซิลไตรคลอโรซิเลน (OTS) ที่ 1000 รอบต่อนาที เป็นเวลา 1 นาที ฟิล์มไดอิเล็กทริกบางสามารถถ่ายโอนจากพื้นผิว OTS ที่ไม่ชอบน้ำไปยังพื้นผิว SEBS ที่ปกคลุมด้วยกราฟีนที่เตรียมไว้ได้อย่างง่ายดาย ตัวเก็บประจุสามารถสร้างได้โดยการฝากอิเล็กโทรดด้านบนที่เป็นโลหะเหลว (EGaIn; Sigma-Aldrich) เพื่อกำหนดความจุเป็นฟังก์ชันของความเครียดโดยใช้มิเตอร์ LCR (ความเหนี่ยวนำ ความจุ ความต้านทาน) (Agilent) ส่วนอื่นของทรานซิสเตอร์ประกอบด้วย CNT กึ่งตัวนำที่คัดแยกด้วยพอลิเมอร์ ตามขั้นตอนที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ (53) ขั้วไฟฟ้าแหล่งกำเนิด/ระบายประจุที่มีลวดลายถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิว SiO2/Si ที่แข็งแรง จากนั้น ส่วนประกอบทั้งสองส่วน คือ ไดอิเล็กทริก/G/SEBS และ CNTs/G ที่มีลวดลาย/SiO2/Si ถูกนำมาประกบเข้าด้วยกัน และแช่ใน BOE เพื่อกำจัดพื้นผิว SiO2/Si ที่แข็งแรงออกไป ด้วยวิธีนี้ จึงได้ทรานซิสเตอร์ที่โปร่งใสและยืดหยุ่นได้อย่างสมบูรณ์ การทดสอบทางไฟฟ้าภายใต้แรงดึงนั้นดำเนินการบนอุปกรณ์ยืดแบบแมนนวลตามวิธีการที่กล่าวไว้ข้างต้น
เอกสารประกอบเพิ่มเติมสำหรับบทความนี้สามารถดูได้ที่ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
รูปที่ S1. ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงของชั้นโมโนเลเยอร์ MGG บนพื้นผิว SiO2/Si ที่กำลังขยายต่างกัน
รูปที่ S4 การเปรียบเทียบค่าความต้านทานและค่าการส่งผ่านแสงแบบสองโพรบที่ 550 นาโนเมตรของกราฟีนธรรมดาชั้นเดียว สองชั้น และสามชั้น (สี่เหลี่ยมสีดำ) MGG (วงกลมสีแดง) และ CNTs (สามเหลี่ยมสีน้ำเงิน)
รูปที่ S7 การเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่ปรับให้เป็นมาตรฐานของ MGG แบบชั้นเดียวและสองชั้น (สีดำ) และ G (สีแดง) ภายใต้การรับแรงดึงแบบวงจรประมาณ 1000 ครั้ง จนถึงแรงดึงขนาน 40% และ 90% ตามลำดับ
รูปที่ S10. ภาพ SEM ของ MGG สามชั้นบนอีลาสโตเมอร์ SEBS หลังการยืด แสดงให้เห็นโครงสร้างแบบม้วนยาวพาดผ่านรอยแตกหลายรอย
รูปที่ S12 ภาพ AFM ของ MGG สามชั้นบนยางยืด SEBS ที่บางมากที่ความเครียด 20% แสดงให้เห็นว่าส่วนโค้งงอพาดผ่านรอยแตก
ตาราง S1. ค่าการเคลื่อนที่ของทรานซิสเตอร์แบบสองชั้น MGG–ท่อนาโนคาร์บอนผนังเดี่ยว ที่ความยาวช่องสัญญาณต่างกัน ก่อนและหลังการดัดแปลงโครงสร้าง
บทความนี้เป็นบทความที่เปิดให้เข้าถึงได้โดยเสรี ภายใต้เงื่อนไขของใบอนุญาต Creative Commons Attribution-NonCommercial ซึ่งอนุญาตให้ใช้งาน แจกจ่าย และทำสำเนาซ้ำในสื่อใดๆ ก็ได้ ตราบใดที่การใช้งานนั้นไม่ได้เพื่อผลประโยชน์ทางการค้า และมีการอ้างอิงแหล่งที่มาของงานต้นฉบับอย่างถูกต้อง
หมายเหตุ: เราขอที่อยู่อีเมลของคุณเพียงเพื่อให้ผู้ที่คุณแนะนำเพจนี้ทราบว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็นเพจนี้ และไม่ใช่จดหมายขยะ เราไม่ได้เก็บรวบรวมที่อยู่อีเมลใดๆ ของคุณ
คำถามนี้มีไว้เพื่อทดสอบว่าคุณเป็นผู้เยี่ยมชมที่เป็นมนุษย์หรือไม่ และเพื่อป้องกันการส่งสแปมโดยอัตโนมัติ
โดย หนาน หลิว, อเล็กซ์ ชอร์โตส, ติงเล่ย, ลิหัว จิน, แทโฮ รอย คิม, วอน-กิวแบ้, เฉินซิน จู้, ซีหง หวาง, ราฟาเอล ฟาตต์เนอร์, ซีหยวน เฉิน, โรเบิร์ต ซินแคลร์, เจิ้นหนาน เปา
โดย หนาน หลิว, อเล็กซ์ ชอร์โตส, ติงเล่ย, ลิหัว จิน, แทโฮ รอย คิม, วอน-กิวแบ้, เฉินซิน จู้, ซีหง หวาง, ราฟาเอล ฟาตต์เนอร์, ซีหยวน เฉิน, โรเบิร์ต ซินแคลร์, เจิ้นหนาน เปา
© 2021 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ สงวนลิขสิทธิ์. AAAS เป็นหุ้นส่วนของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548