วัสดุสองมิติ เช่น กราฟีน มีความน่าสนใจสำหรับทั้งการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปและการใช้งานที่เกิดขึ้นใหม่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความยืดหยุ่นอย่างไรก็ตาม กราฟีนที่มีความต้านทานแรงดึงสูงส่งผลให้เกิดการแตกหักที่ความเครียดต่ำ ทำให้ยากต่อการใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่ธรรมดาในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้เพื่อให้ประสิทธิภาพการทำงานของตัวนำกราฟีนโปร่งใสขึ้นอยู่กับความเครียด เราจึงสร้างกราฟีนนาโนสโครลระหว่างชั้นกราฟีนแบบเรียงซ้อนภายใต้ความเครียด สกรอลล์บางตัวเชื่อมโดเมนที่กระจัดกระจายของกราฟีน เพื่อรักษาเครือข่ายที่ซึมผ่านซึ่งเปิดใช้การนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมที่ความเครียดสูงMGG แบบไตรเลเยอร์ที่รองรับบนอีลาสโตเมอร์ยังคงรักษาค่าการนำไฟฟ้าเดิมไว้ 65% ที่ความเครียด 100% ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการไหลของกระแส ในขณะที่ฟิล์มสามชั้นของกราฟีนที่ไม่มีนาโนสโครลจะคงค่าการนำไฟฟ้าเริ่มต้นไว้เพียง 25%ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดแบบยืดหดได้ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้ MGG เป็นอิเล็กโทรดแสดงค่าการส่งผ่านที่ >90% และคงไว้ 60% ของเอาท์พุตกระแสไฟเดิมที่ความเครียด 120% (ขนานกับทิศทางของการขนส่งประจุ)ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่มีความยืดหยุ่นสูงและโปร่งใสเหล่านี้สามารถเปิดใช้งานออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้ที่ซับซ้อน
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบโปร่งใสที่ยืดได้เป็นสาขาที่กำลังเติบโตซึ่งมีการใช้งานที่สำคัญในระบบบูรณาการทางชีวภาพขั้นสูง (1, 2) รวมถึงศักยภาพในการผสานรวมกับออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบยืดได้ (3, 4) เพื่อผลิตหุ่นยนต์และจอแสดงผลที่อ่อนนุ่มที่ซับซ้อนกราฟีนแสดงคุณสมบัติที่ต้องการอย่างมากของความหนาอะตอม ความโปร่งใสสูง และการนำไฟฟ้าสูง แต่การนำกราฟีนไปใช้ในการใช้งานที่ยืดหยุ่นได้นั้นมีแนวโน้มว่าจะเกิดการแตกร้าวที่สายพันธุ์เล็กๆการเอาชนะข้อ จำกัด ทางกลของกราฟีนสามารถเปิดใช้งานฟังก์ชันใหม่ในอุปกรณ์โปร่งใสที่ยืดหยุ่นได้
คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของกราฟีนทำให้เป็นตัวเลือกที่แข็งแกร่งสำหรับอิเล็กโทรดนำไฟฟ้าโปร่งใสรุ่นต่อไป (5, 6)เมื่อเทียบกับตัวนำโปร่งใสที่ใช้บ่อยที่สุด อินเดียม ทินออกไซด์ [ITO;100 โอห์ม/ตาราง (ตร.ม.) ที่ความโปร่งใส 90% ] กราฟีนชั้นเดียวที่ปลูกโดยการสะสมไอเคมี (CVD) มีความต้านทานของแผ่นงานร่วมกัน (125 โอห์ม/ตร.ม.) และความโปร่งใส (97.4%) (5)นอกจากนี้ ฟิล์มกราฟีนยังมีความยืดหยุ่นเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับ ITO (7)ตัวอย่างเช่น บนพื้นผิวพลาสติก สามารถคงค่าการนำไฟฟ้าไว้ได้แม้ในรัศมีการโค้งงอของความโค้งที่เล็กเพียง 0.8 มม. (8)เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางไฟฟ้าในฐานะตัวนำที่ยืดหยุ่นได้แบบโปร่งใส ผลงานก่อนหน้านี้ได้พัฒนาวัสดุไฮบริดกราฟีนด้วยสายนาโนเงินแบบหนึ่งมิติ (1D) หรือท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) (9–11)นอกจากนี้ กราฟีนยังถูกใช้เป็นอิเล็กโทรดสำหรับเซมิคอนดักเตอร์แบบโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างแบบผสม (เช่น 2D bulk Si, 1D nanowires/nanotubes และ 0D quantum dots ) (12) ทรานซิสเตอร์แบบยืดหยุ่น เซลล์แสงอาทิตย์ และไดโอดเปล่งแสง (LED) (13 –23).
แม้ว่ากราฟีนจะแสดงผลลัพธ์ที่น่าพึงพอใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่น แต่การใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้นั้นถูกจำกัดด้วยคุณสมบัติเชิงกล (17, 24, 25);กราฟีนมีความฝืดในระนาบที่ 340 N/m และโมดูลัสของ Young ที่ 0.5 TPa (26)โครงข่ายคาร์บอน-คาร์บอนที่แข็งแรงไม่มีกลไกการกระจายพลังงานสำหรับความเครียดที่ใช้ ดังนั้นจึงสามารถแตกได้อย่างง่ายดายที่ความเครียดน้อยกว่า 5%ตัวอย่างเช่น กราฟีน CVD ที่ถ่ายโอนไปยังซับสเตรตยืดหยุ่นพอลิไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) สามารถคงค่าการนำไฟฟ้าได้เฉพาะที่ความเครียดน้อยกว่า 6% (8)การคำนวณตามทฤษฎีแสดงให้เห็นว่าการยุบตัวและการทับซ้อนกันระหว่างชั้นต่างๆ ควรลดความฝืดลงอย่างมาก (26)โดยการซ้อนกราฟีนออกเป็นหลายชั้น มีรายงานว่ากราฟีนสองหรือสามชั้นนี้สามารถยืดออกได้ถึงความเครียด 30% ซึ่งแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงความต้านทานที่เล็กกว่ากราฟีนโมโนเลเยอร์ 13 เท่า (27)อย่างไรก็ตาม ความยืดหดนี้ยังคงด้อยกว่าตัวเหนี่ยวนำ c แบบยืดได้ล้ำสมัยอย่างมีนัยสำคัญ (28, 29)
ทรานซิสเตอร์มีความสำคัญในการใช้งานแบบยืดหดได้ เนื่องจากช่วยให้สามารถอ่านข้อมูลเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนและวิเคราะห์สัญญาณได้ (30, 31)ทรานซิสเตอร์บน PDMS ที่มีกราฟีนหลายชั้นเป็นอิเล็กโทรดต้นทาง/ท่อระบายและวัสดุช่องสัญญาณสามารถรักษาฟังก์ชันทางไฟฟ้าได้สูงถึง 5% ความเครียด (32) ซึ่งต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่กำหนดอย่างมีนัยสำคัญ (~50%) สำหรับเซ็นเซอร์ตรวจสอบสุขภาพที่สวมใส่ได้และผิวหนังอิเล็กทรอนิกส์ ( 33, 34).เมื่อเร็ว ๆ นี้มีการสำรวจวิธีการ graphene kirigami และทรานซิสเตอร์ที่ปิดล้อมด้วยอิเล็กโทรไลต์เหลวสามารถยืดออกได้มากถึง 240% (35)อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้กราฟีนแขวนลอย ซึ่งทำให้กระบวนการผลิตซับซ้อน
ที่นี่ เราบรรลุอุปกรณ์กราฟีนที่ยืดหยุ่นสูงได้โดยการสอดแทรกกราฟีนสโครล (ยาว ~ 1 ถึง 20 ไมโครเมตร กว้าง ~0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร และสูงประมาณ 10 ถึง 100 นาโนเมตร) ระหว่างชั้นกราฟีนเราตั้งสมมติฐานว่าสกรอลล์กราฟีนเหล่านี้สามารถให้เส้นทางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพื่อเชื่อมรอยร้าวในแผ่นกราฟีน ดังนั้นจึงรักษาค่าการนำไฟฟ้าสูงภายใต้ความเครียดกราฟีนสกรอลล์ไม่ต้องการการสังเคราะห์หรือกระบวนการเพิ่มเติมเกิดขึ้นตามธรรมชาติระหว่างขั้นตอนการถ่ายเทแบบเปียกด้วยการใช้อิเล็กโทรดแบบยืดหยุ่นกราฟีนแบบ G/G (กราฟีน/กราฟีน) สกรอลล์ (MGGs ) แบบหลายชั้น (แหล่งจ่าย/ท่อระบายและเกต) และ CNT สารกึ่งตัวนำ เราสามารถแสดงทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่มีความโปร่งใสสูงและยืดหยุ่นสูง ซึ่งสามารถยืดได้ถึง 120 % ความเครียด (ขนานกับทิศทางของการขนส่งประจุ) และคงไว้ 60 % ของเอาต์พุตปัจจุบันเดิมนี่คือทรานซิสเตอร์ที่ใช้คาร์บอนแบบโปร่งใสที่ยืดหยุ่นได้มากที่สุด และให้กระแสไฟเพียงพอที่จะขับ LED แบบอนินทรีย์
เพื่อให้สามารถใช้อิเล็กโทรดกราฟีนแบบยืดหยุ่นได้ในพื้นที่ขนาดใหญ่ เราจึงเลือกกราฟีนที่ปลูกด้วย CVD บนฟอยล์ Cuฟอยล์ Cu ถูกแขวนไว้ที่กึ่งกลางของหลอดควอตซ์ CVD เพื่อให้กราฟีนเติบโตทั้งสองด้าน ทำให้เกิดโครงสร้าง G/Cu/Gในการถ่ายโอนกราฟีน ก่อนอื่นเราจะเคลือบชั้นบาง ๆ ของโพลี (เมทิลเมทาคริเลต) (PMMA) เพื่อปกป้องกราฟีนด้านหนึ่ง ซึ่งเราตั้งชื่อกราฟีนท็อปไซด์ (ในทางกลับกันสำหรับอีกด้านหนึ่งของกราฟีน) และต่อมา ฟิล์มทั้งหมด (PMMA/กราฟีนบน/ลูกบาศ์ก/กราฟีนล่าง) ถูกแช่ในสารละลาย (NH4)2S2O8 เพื่อกัดเซาะฟอยล์ Cuกราฟีนด้านล่างที่ไม่มีการเคลือบ PMMA จะมีรอยแตกและข้อบกพร่องอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่ทำให้ตัวกัดสามารถทะลุผ่านได้ (36, 37)ดังที่แสดงไว้ในรูปที่ 1A ภายใต้ผลกระทบของแรงตึงผิว โดเมนกราฟีนที่ปล่อยออกมาจะม้วนขึ้นเป็นม้วนแล้วติดบนฟิล์ม G/PMMA ด้านบนที่เหลือสามารถถ่ายโอนสโครล G/G ระดับบนสุดไปยังซับสเตรตใดๆ เช่น SiO2/Si, แก้ว หรือโพลีเมอร์อ่อนการทำซ้ำขั้นตอนการถ่ายโอนนี้หลายครั้งบนซับสเตรตเดียวกันจะทำให้โครงสร้าง MGG
(A) ภาพประกอบแผนผังของขั้นตอนการผลิตสำหรับ MGGs เป็นอิเล็กโทรดแบบยืดได้ระหว่างการถ่ายโอนกราฟีน กราฟีนด้านหลังบนฟอยล์ Cu แตกออกตามขอบและจุดบกพร่อง ม้วนขึ้นเป็นรูปทรงตามอำเภอใจ และติดแน่นบนฟิล์มด้านบน ก่อตัวเป็นนาโนสโครลการ์ตูนเรื่องที่สี่แสดงโครงสร้าง MGG ที่ซ้อนกัน(B และ C) การกำหนดลักษณะ TEM ที่มีความละเอียดสูงของโมโนเลเยอร์ MGG โดยเน้นที่โมโนเลเยอร์กราฟีน (B) และบริเวณสกรอลล์ (C) ตามลำดับส่วนแทรกของ (B) เป็นภาพกำลังขยายต่ำซึ่งแสดงสัณฐานวิทยาโดยรวมของ MGG แบบโมโนเลเยอร์บนกริด TEMส่วนแทรกของ (C) คือโปรไฟล์ความเข้มตามกล่องสี่เหลี่ยมที่แสดงในภาพ โดยที่ระยะห่างระหว่างระนาบอะตอมคือ 0.34 ถึง 0.41 นาโนเมตร(D ) สเปกตรัม EEL ขอบคาร์บอน K ที่มีฉลากกราฟิติกเฉพาะ π* และ σ*(E) รูปภาพ AFM แบบแบ่งส่วนของ G/G แบบโมโนเลเยอร์ที่มีโปรไฟล์ความสูงตามแนวเส้นประสีเหลือง(F ถึง I) กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและภาพ AFM ของ trilayer G ที่ไม่มี (F และ H) และแบบมีสโครล (G และ I) บนพื้นผิว SiO2/Si ที่มีความหนา 300 นาโนเมตร ตามลำดับม้วนหนังสือและรอยย่นที่เป็นตัวแทนได้รับการติดฉลากเพื่อเน้นความแตกต่าง
เพื่อตรวจสอบว่าม้วนกระดาษม้วนเป็นกราฟีนในธรรมชาติ เราได้ทำการศึกษาสเปกโตรสโคปีแบบสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนแบบส่งผ่านที่มีความละเอียดสูง (TEM) และการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EEL) บนโครงสร้างการเลื่อนแบบโมโนเลเยอร์บน G/Gรูปที่ 1B แสดงโครงสร้างหกเหลี่ยมของกราฟีนชั้นเดียว และสิ่งที่ใส่เข้าไปคือลักษณะทางสัณฐานวิทยาโดยรวมของฟิล์มที่ปกคลุมอยู่บนรูคาร์บอนเดี่ยวของกริด TEMกราฟีนชั้นเดียวจะครอบคลุมส่วนใหญ่ของกริด และเกล็ดกราฟีนบางส่วนเมื่อมีวงแหวนหกเหลี่ยมหลายกองปรากฏขึ้น (รูปที่ 1B)เมื่อซูมเข้าไปในม้วนกระดาษทีละม้วน (รูปที่ 1C) เราสังเกตขอบตาข่ายกราไฟท์จำนวนมาก โดยมีระยะห่างตาข่ายอยู่ในช่วง 0.34 ถึง 0.41 นาโนเมตรการวัดเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าสะเก็ดถูกม้วนแบบสุ่มและไม่ใช่กราไฟท์ที่สมบูรณ์แบบ ซึ่งมีระยะห่างตาข่าย 0.34 นาโนเมตรในการซ้อนเลเยอร์ "ABAB"รูปที่ 1D แสดงสเปกตรัม EEL ขอบคาร์บอน K ซึ่งจุดสูงสุดที่ 285 eV มาจากวงโคจร π* และอีกช่วงหนึ่งอยู่ที่ประมาณ 290 eV เกิดจากการเปลี่ยนผ่านของวงโคจร σ*จะเห็นได้ว่าการยึดเกาะ sp2 มีผลเหนือโครงสร้างนี้ เป็นการยืนยันว่าสกรอลล์มีกราไฟท์สูง
ภาพกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการกระจายของกราฟีนนาโนสโครลใน MGG (รูปที่ 1, E ถึง G และมะเดื่อ S1 และ S2)ม้วนกระดาษจะสุ่มกระจายไปทั่วพื้นผิว และความหนาแน่นในระนาบจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของจำนวนชั้นที่ซ้อนกันม้วนกระดาษจำนวนมากพันกันเป็นปมและมีความสูงไม่เท่ากันในช่วง 10 ถึง 100 นาโนเมตรโดยมีความยาว 1 ถึง 20 ไมครอน และกว้าง 0.1 ถึง 1 ไมครอน ขึ้นอยู่กับขนาดของเกล็ดกราฟีนเริ่มต้นดังแสดงในรูปที่ 1 (H และ I) ม้วนกระดาษมีขนาดใหญ่กว่ารอยยับอย่างมาก ส่งผลให้มีส่วนต่อประสานที่หยาบกว่ามากระหว่างชั้นของกราฟีน
ในการวัดคุณสมบัติทางไฟฟ้า เรากำหนดรูปแบบฟิล์มกราฟีนที่มีหรือไม่มีโครงสร้างการเลื่อน และซ้อนชั้นลงในแถบกว้าง 300 ไมโครเมตร และยาว 2000 ไมโครเมตรโดยใช้โฟโตลิโทกราฟีความต้านทานสองหัววัดเป็นฟังก์ชันของความเครียดถูกวัดภายใต้สภาวะแวดล้อมการปรากฏตัวของสกรอลล์ลดความต้านทานของโมโนเลเยอร์ graphene ลง 80% โดยลดลงเพียง 2.2% ในการส่งผ่าน (รูปที่ S4)ซึ่งเป็นการยืนยันว่า nanoscrolls ซึ่งมีความหนาแน่นกระแสสูงถึง 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ) มีส่วนสนับสนุนทางไฟฟ้าที่ดีมากต่อ MGGในบรรดากราฟีนและ MGG แบบโมโน- ไบ- และไตรเลเยอร์ทั้งหมดนั้น MGG แบบไตรเลเยอร์มีความนำไฟฟ้าที่ดีที่สุดโดยมีความโปร่งใสเกือบ 90%เพื่อเปรียบเทียบกับแหล่งกราฟีนอื่น ๆ ที่รายงานในวรรณคดี เรายังวัดความต้านทานแผ่นสี่โพรบ (รูปที่ S5) และระบุว่าเป็นฟังก์ชันของการส่งผ่านที่ 550 นาโนเมตร (รูปที่ S6) ในรูปที่ 2AMGG แสดงค่าการนำไฟฟ้าและความโปร่งใสที่เปรียบเทียบได้หรือสูงกว่า แกรฟีนธรรมดาหลายชั้นที่ซ้อนเทียมและกราฟีนออกไซด์ที่ลดลง (RGO) (6, 8, 18)โปรดทราบว่าความต้านทานแผ่นของกราฟีนธรรมดาหลายชั้นที่ซ้อนกันแบบเทียมจากวรรณกรรมนั้นสูงกว่า MGG ของเราเล็กน้อย อาจเป็นเพราะสภาพการเติบโตที่ไม่เหมาะสมและวิธีการถ่ายโอน
(A) ความต้านทานแผ่นสี่โพรบเทียบกับการส่องผ่านที่ 550 นาโนเมตรสำหรับกราฟีนหลายประเภท โดยที่สี่เหลี่ยมสีดำหมายถึง MGG แบบโมโน- สอง และไตรเลเยอร์วงกลมสีแดงและสามเหลี่ยมสีน้ำเงินสอดคล้องกับกราฟีนธรรมดาหลายชั้นที่ปลูกบน Cu และ Ni จากการศึกษาของ Li et al(6) และ Kim et al.(8) ตามลำดับ และต่อมาโอนไปยัง SiO2/Si หรือควอตซ์และสามเหลี่ยมสีเขียวเป็นค่าสำหรับ RGO ที่ระดับการลดที่แตกต่างกันจากการศึกษาของ Bonaccorso et al.(18).(B และ C) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานปกติของ MGGs เดี่ยว สอง และสามชั้น และ G ตามฟังก์ชันของความเครียดในแนวตั้งฉาก (B) และขนาน (C) กับทิศทางของกระแสไหล(D) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานปกติของ bilayer G (สีแดง) และ MGG (สีดำ) ภายใต้ความเครียดแบบวนรอบโหลดได้ถึง 50% ของความเครียดในแนวตั้งฉาก(E) การเปลี่ยนแปลงความต้านทานปกติของ trilayer G (สีแดง) และ MGG (สีดำ) ภายใต้ความเครียดแบบวัฏจักรโหลดได้ถึง 90% ความเครียดแบบขนาน( F) การเปลี่ยนแปลงความจุปกติของ MGG แบบโมโน ไบ และไตรเลเยอร์ G และ bi- และไตรเลเยอร์เป็นฟังก์ชัน n ของความเครียดสิ่งที่ใส่เข้าไปคือโครงสร้างตัวเก็บประจุ โดยที่ซับสเตรตโพลีเมอร์คือ SEBS และชั้นอิเล็กทริกของโพลีเมอร์คือ SEBS ที่มีความหนา 2 ไมโครเมตร
ในการประเมินประสิทธิภาพที่ขึ้นกับความเครียดของ MGG เราได้ถ่ายโอนกราฟีนไปยังพื้นผิวเทอร์โมพลาสติก elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (กว้าง ~ 2 ซม. และยาว ~ 5 ซม.) และวัดค่าการนำไฟฟ้าเมื่อพื้นผิวถูกยืดออก (ดูวัสดุและวิธีการ) ทั้งตั้งฉากและขนานกับทิศทางการไหลของกระแส (รูปที่ 2, B และ C)พฤติกรรมทางไฟฟ้าที่ขึ้นกับความเครียดดีขึ้นด้วยการรวมตัวของนาโนสโครลและจำนวนชั้นกราฟีนที่เพิ่มขึ้นตัวอย่างเช่น เมื่อความเครียดตั้งฉากกับการไหลของกระแส สำหรับกราฟีนชั้นเดียว การเพิ่มสกรอลล์จะเพิ่มความเครียดที่การแตกด้วยไฟฟ้าจาก 5 เป็น 70%ความทนทานต่อความเครียดของกราฟีนแบบสามชั้นยังได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเปรียบเทียบกับกราฟีนแบบโมโนเลเยอร์ด้วย nanoscrolls ที่ความเครียดตั้งฉาก 100% ความต้านทานของโครงสร้าง MGG แบบสามชั้นเพิ่มขึ้นเพียง 50% เมื่อเทียบกับ 300% สำหรับกราฟีนแบบสามชั้นที่ไม่มีม้วนตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายใต้ภาระความเครียดแบบวนรอบสำหรับการเปรียบเทียบ (รูปที่ 2D) ความต้านทานของฟิล์มกราฟีน bilayer ธรรมดาเพิ่มขึ้นประมาณ 7.5 เท่าหลังจาก ~ 700 รอบที่ความเครียดในแนวตั้งฉาก 50% และยังคงเพิ่มขึ้นตามความเครียดในแต่ละรอบในทางกลับกัน ความต้านทานของ bilayer MGG เพิ่มขึ้นเพียง 2.5 เท่าหลังจาก ~ 700 รอบเท่านั้นการใช้ความเครียดมากถึง 90% ในทิศทางคู่ขนาน ความต้านทานของกราฟีนสามชั้นเพิ่มขึ้น ~100 เท่าหลังจาก 1,000 รอบในขณะที่ MGG สามชั้นมีเพียง ~8 เท่า (รูปที่ 2E)ผลการปั่นจักรยานจะแสดงในรูปที่เอส7ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามทิศทางความเครียดคู่ขนานนั้นเป็นเพราะการวางแนวของรอยร้าวนั้นตั้งฉากกับทิศทางของกระแสไหลความเบี่ยงเบนของความต้านทานระหว่างความเครียดในการขนถ่ายนั้นเกิดจากการคืนตัวของซับสเตรต SEBS elastomer แบบ viscoelasticความต้านทานที่เสถียรมากขึ้นของแถบ MGG ในระหว่างการปั่นจักรยานนั้นเกิดจากการมีม้วนกระดาษขนาดใหญ่ที่สามารถเชื่อมส่วนที่ร้าวของกราฟีน (ตามที่ AFM ครอบงำ) ช่วยรักษาเส้นทางการซึมผ่านก่อนหน้านี้มีการรายงานปรากฏการณ์การรักษาค่าการนำไฟฟ้าโดยเส้นทางซึมผ่านสำหรับโลหะร้าวหรือฟิล์มเซมิคอนดักเตอร์บนซับสเตรตอิลาสโตเมอร์ (40, 41)
ในการประเมินฟิล์มที่ใช้กราฟีนเหล่านี้เป็นขั้วไฟฟ้าเกทในอุปกรณ์ที่ยืดได้ เราได้ปิดชั้นกราฟีนด้วยชั้นไดอิเล็กตริก SEBS (หนา 2 ไมโครเมตร) และตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความจุไดอิเล็กตริกตามฟังก์ชันของความเครียด (ดูรูปที่ 2F และวัสดุเสริมสำหรับ รายละเอียด).เราสังเกตว่าความจุของอิเล็กโทรดกราฟีนโมโนเลเยอร์ธรรมดาและไบเลเยอร์ลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากสูญเสียค่าการนำไฟฟ้าในระนาบของกราฟีนในทางตรงกันข้าม ความจุที่ปิดล้อมโดย MGGs และกราฟีนแบบสามชั้นธรรมดาแสดงความจุที่เพิ่มขึ้นตามความเครียด ซึ่งคาดว่าเป็นเพราะความหนาของไดอิเล็กตริกที่ลดลงพร้อมกับความเครียดความจุที่เพิ่มขึ้นที่คาดไว้นั้นเข้ากันได้ดีมากกับโครงสร้าง MGG (รูปที่ S8)สิ่งนี้บ่งชี้ว่า MGG เหมาะเป็นเกตอิเล็กโทรดสำหรับทรานซิสเตอร์แบบยืดหดได้
เพื่อตรวจสอบเพิ่มเติมเกี่ยวกับบทบาทของ 1D graphene scroll ที่มีต่อความทนทานต่อความเครียดของการนำไฟฟ้าและควบคุมการแยกระหว่างชั้นของ graphene ได้ดีขึ้น เราใช้ CNT ที่เคลือบด้วยสเปรย์เพื่อแทนที่สโครลกราฟีน (ดู วัสดุเสริม)เพื่อเลียนแบบโครงสร้าง MGG เราฝาก CNT สามความหนาแน่น (นั่นคือ CNT1
(A ถึง C) ภาพ AFM ที่มีความหนาแน่นต่างกันสามระดับของ CNT (CNT1
เพื่อให้เข้าใจถึงความสามารถของพวกเขาในฐานะอิเล็กโทรดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้ เราได้ทำการตรวจสอบสัณฐานวิทยาของ MGG และ G-CNT-G ภายใต้ความเครียดอย่างเป็นระบบกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ไม่ใช่วิธีการจำแนกลักษณะที่มีประสิทธิผล เนื่องจากทั้งสองไม่มีคอนทราสต์ของสีและ SEM อาจมีสิ่งประดิษฐ์ของภาพในระหว่างการสแกนอิเล็กตรอนเมื่อกราฟีนอยู่บนพื้นผิวโพลีเมอร์ (รูปที่ S9 และ S10)ในการสังเกตพื้นผิวกราฟีนภายใต้ความเครียดในแหล่งกำเนิด เรารวบรวมการวัด AFM บน MGG สามชั้นและกราฟีนธรรมดาหลังจากถ่ายโอนไปยังพื้นผิว SEBS ที่บางมาก (หนา ~ 0.1 มม.) และยืดหยุ่นเนื่องจากข้อบกพร่องที่แท้จริงในกราฟีน CVD และความเสียหายภายนอกระหว่างกระบวนการถ่ายโอน รอยแตกจึงเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้บนกราฟีนที่ตึงเครียด และเมื่อความเครียดเพิ่มขึ้น รอยแตกก็จะหนาแน่นขึ้น (รูปที่ 4, A ถึง D)ขึ้นอยู่กับโครงสร้างการเรียงซ้อนของอิเล็กโทรดที่มีคาร์บอนเป็นส่วนประกอบความหนาแน่นของพื้นที่รอยแตก (กำหนดเป็นพื้นที่รอยแตก/พื้นที่วิเคราะห์) ของกราฟีนหลายชั้นจะน้อยกว่ากราฟีนชั้นเดียวหลังความเครียด ซึ่งสอดคล้องกับค่าการนำไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นสำหรับ MGGในทางกลับกัน ม้วนกระดาษมักจะถูกมองว่าเชื่อมรอยร้าว ทำให้มีทางเดินที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มเติมในฟิล์มที่ตึงตัวอย่างเช่น ตามที่ระบุในภาพของรูปที่ 4B สกรอลล์แบบกว้างข้ามรอยร้าวใน MGG สามชั้น แต่ไม่พบสกรอลล์ในกราฟีนธรรมดา (รูปที่ 4, E ถึง H)ในทำนองเดียวกัน CNTs ยังเชื่อมรอยร้าวในกราฟีน (รูปที่ S11)ความหนาแน่นของพื้นที่รอยแตก ความหนาแน่นของพื้นที่เลื่อน และความหยาบของฟิล์มได้สรุปไว้ในรูปที่ 4K
(A ถึง H) ภาพ AFM ในแหล่งกำเนิดของการเลื่อน G/G แบบสามชั้น (A ถึง D) และโครงสร้าง G แบบสามชั้น (E ถึง H) บนยาง SEBS ที่บางมาก (หนา ~0.1 มม.) ที่ 0, 20, 60 และ 100 % ความเครียด.รอยแตกและสกรอลล์ที่เป็นตัวแทนนั้นชี้ด้วยลูกศรรูปภาพ AFM ทั้งหมดอยู่ในพื้นที่ 15 µm × 15 µm โดยใช้แถบสเกลสีเดียวกับป้ายกำกับ(I) เรขาคณิตจำลองของอิเล็กโทรดกราฟีนชั้นเดียวที่มีลวดลายบนซับสเตรต SEBS(J) แผนที่จำลองการจำลองความเครียดลอการิทึมหลักสูงสุดในโมโนเลเยอร์กราฟีนและซับสเตรต SEBS ที่ความเครียดภายนอก 20%(K) การเปรียบเทียบความหนาแน่นของพื้นที่รอยแตก (คอลัมน์สีแดง) ความหนาแน่นของพื้นที่เลื่อน (คอลัมน์สีเหลือง) และความขรุขระของพื้นผิว (คอลัมน์สีน้ำเงิน) สำหรับโครงสร้างกราฟีนต่างๆ
เมื่อฟิล์ม MGG ถูกยืดออก มีกลไกเพิ่มเติมที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งที่ม้วนฟิล์มสามารถเชื่อมบริเวณที่แตกร้าวของกราฟีน เพื่อรักษาเครือข่ายที่ซึมผ่านได้สกรอลล์กราฟีนมีแนวโน้มที่ดีเนื่องจากมีความยาวหลายสิบไมโครเมตร จึงสามารถเชื่อมรอยแตกที่โดยทั่วไปแล้วจะมีขนาดไม่เกินไมโครเมตรนอกจากนี้ เนื่องจากม้วนกระดาษประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้น จึงคาดว่าจะมีความต้านทานต่ำในการเปรียบเทียบ เครือข่าย CNT ที่ค่อนข้างหนาแน่น (การส่งผ่านข้อมูลต่ำกว่า) จำเป็นสำหรับความสามารถในการเชื่อมโยงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่เปรียบเทียบกันได้ เนื่องจาก CNT มีขนาดเล็กกว่า (โดยทั่วไปแล้วจะมีความยาวไม่กี่ไมโครเมตร) และมีความนำไฟฟ้าน้อยกว่าสโครลในทางกลับกัน ดังแสดงในรูปที่S12 ในขณะที่กราฟีนแตกระหว่างการยืดเพื่อรองรับความเครียด สกรอลล์ไม่แตก ซึ่งบ่งชี้ว่าอย่างหลังอาจเลื่อนบนกราฟีนที่อยู่ข้างใต้สาเหตุที่ไม่แตกร้าวน่าจะเกิดจากโครงสร้างที่รีดขึ้นซึ่งประกอบด้วยกราฟีนหลายชั้น (ยาว ~ 1 ถึง 2 0 ไมโครเมตร กว้าง ~0.1 ถึง 1 ไมโครเมตร และสูงประมาณ 10 ถึง 100 นาโนเมตร) ซึ่งมี โมดูลัสที่มีประสิทธิภาพสูงกว่ากราฟีนชั้นเดียวตามที่รายงานโดย Green และ Hersam (42) เครือข่าย CNT ที่เป็นโลหะ (เส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 1.0 นาโนเมตร) สามารถให้ความต้านทานของแผ่นงานต่ำได้ <100 โอห์ม/ตร.ม. แม้ว่าจะมีความต้านทานทางแยกขนาดใหญ่ระหว่าง CNTเมื่อพิจารณาว่าสโครล graphene ของเรามีความกว้าง 0.1 ถึง 1 μm และสกรอลล์ G/G มีพื้นที่สัมผัสที่ใหญ่กว่า CNT มาก ความต้านทานการสัมผัสและพื้นที่สัมผัสระหว่างสโครล graphene และ graphene ไม่ควรจำกัดปัจจัยในการคงค่าการนำไฟฟ้าสูง
กราฟีนมีโมดูลัสที่สูงกว่าสารตั้งต้น SEBS มากแม้ว่าความหนาที่มีประสิทธิภาพของอิเล็กโทรดกราฟีนจะต่ำกว่าพื้นผิวมาก แต่ความแข็งของกราฟีนคูณกับความหนาของกราฟีนนั้นเทียบได้กับพื้นผิวของกราฟีน (43, 44) ส่งผลให้เกิดผลกระทบจากเกาะแข็งปานกลางเราจำลองการเสียรูปของกราฟีนหนา 1 นาโนเมตรบนซับสเตรต SEBS (ดูรายละเอียดในวัสดุเพิ่มเติม)จากผลการจำลอง เมื่อความเครียด 20% ถูกนำไปใช้กับพื้นผิว SEBS ภายนอก ความเครียดเฉลี่ยในกราฟีนคือ ~6.6% (รูปที่ 4J และรูปที่ S13D) ซึ่งสอดคล้องกับการสังเกตการทดลอง (ดูรูปที่ S13) .เราเปรียบเทียบความเครียดในบริเวณกราฟีนที่มีลวดลายและพื้นผิวที่มีลวดลายโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง และพบว่าความเครียดในบริเวณพื้นผิวมีความเครียดอย่างน้อยสองเท่าในบริเวณกราฟีนสิ่งนี้บ่งชี้ว่าความเครียดที่ใช้กับรูปแบบอิเล็กโทรดของกราฟีนอาจถูกจำกัดอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เกิดเกาะที่แข็งของกราฟีนบน SEBS (26, 43, 44)
ดังนั้น ความสามารถของอิเล็กโทรด MGG ในการคงค่าการนำไฟฟ้าสูงภายใต้ความเครียดสูงน่าจะเปิดใช้งานโดยกลไกหลักสองประการ: (i) สกรอลล์สามารถเชื่อมบริเวณที่ตัดการเชื่อมต่อเพื่อรักษาเส้นทางการซึมผ่านของสื่อกระแสไฟฟ้า และ (ii) แผ่นกราฟีนหลายชั้น/อีลาสโตเมอร์อาจเลื่อน ทับกันส่งผลให้ความเครียดบนอิเล็กโทรดกราฟีนลดลงสำหรับกราฟีนที่ถ่ายโอนหลายชั้นบนอีลาสโตเมอร์ ชั้นจะไม่ยึดติดกันอย่างแน่นหนา ซึ่งอาจเลื่อนไปตามความเครียด (27)สกรอลล์ยังเพิ่มความหยาบของชั้นกราฟีน ซึ่งอาจช่วยเพิ่มการแยกระหว่างชั้นกราฟีน และทำให้ชั้นกราฟีนเลื่อนได้
อุปกรณ์คาร์บอนทั้งหมดมีความกระตือรือร้นเนื่องจากมีต้นทุนต่ำและปริมาณงานสูงในกรณีของเรา ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยใช้กราไฟท์เกทด้านล่าง แหล่งกราไฟท์/หน้าสัมผัสท่อระบายน้ำด้านบน เซมิคอนดักเตอร์ CNT ที่คัดแยก และ SEBS เป็นไดอิเล็กตริก ( รูปที่ 5A)ดังแสดงในรูปที่ 5B อุปกรณ์คาร์บอนทั้งหมดที่มี CNTs เป็นแหล่ง/ท่อระบายและเกต (อุปกรณ์ด้านล่าง) จะทึบแสงมากกว่าอุปกรณ์ที่มีอิเล็กโทรดกราฟีน (อุปกรณ์บน)ทั้งนี้เนื่องจากเครือข่าย CNT ต้องการความหนาที่มากขึ้นและส่งผลให้มีการส่งผ่านแสงที่ต่ำกว่าเพื่อให้ได้ความต้านทานของแผ่นงานคล้ายกับกราฟีน (รูปที่ S4)รูปที่ 5 (C และ D) แสดงกราฟการถ่ายโอนและเอาต์พุตที่เป็นตัวแทนก่อนความเครียดสำหรับทรานซิสเตอร์ที่สร้างด้วยอิเล็กโทรด MGG แบบ bilayerความกว้างและความยาวของช่องสัญญาณของทรานซิสเตอร์ที่ไม่ผ่านการกรองคือ 800 และ 100 μm ตามลำดับอัตราส่วนการเปิด/ปิดที่วัดได้นั้นมากกว่า 103 โดยมีกระแสเปิดและปิดที่ระดับ 10−5 และ 10−8 A ตามลำดับเส้นกราฟเอาท์พุตแสดงกฎเกณฑ์เชิงเส้นและ sa ที่เหมาะสมที่สุดด้วยการพึ่งพาแรงดันเกทที่ชัดเจน ซึ่งบ่งชี้ถึงการสัมผัสในอุดมคติระหว่าง CNT และอิเล็กโทรดกราฟีน (45)ความต้านทานการสัมผัสกับอิเล็กโทรดกราฟีนนั้นต่ำกว่าความต้านทานของฟิล์ม Au ที่ระเหยได้ (ดูรูปที่ S14)ความคล่องตัวของความอิ่มตัวของทรานซิสเตอร์แบบยืดหดได้อยู่ที่ประมาณ 5.6 cm2/Vs ซึ่งคล้ายกับทรานซิสเตอร์ CNT ที่เรียงลำดับด้วยโพลีเมอร์ตัวเดียวกันบนพื้นผิว Si แบบแข็งที่มี SiO2 300 นาโนเมตรเป็นชั้นอิเล็กทริกการปรับปรุงเพิ่มเติมในการเคลื่อนย้ายเป็นไปได้ด้วยความหนาแน่นของท่อที่ปรับให้เหมาะสมและท่อประเภทอื่นๆ (46)
(A) แบบแผนของทรานซิสเตอร์แบบยืดได้ที่ใช้กราฟีนSWNTs ท่อนาโนคาร์บอนผนังด้านเดียว(B) รูปถ่ายของทรานซิสเตอร์แบบยืดได้ที่ทำจากอิเล็กโทรดกราฟีน (บน) และอิเล็กโทรด CNT (ด้านล่าง)ความโปร่งใสแตกต่างกันอย่างเห็นได้ชัด( C และ D) กราฟการถ่ายโอนและเอาต์พุตของทรานซิสเตอร์แบบกราฟีนบน SEBS ก่อนความเครียด(E และ F) กราฟถ่ายโอน กระแสเปิดและปิด อัตราส่วนการเปิด/ปิด และการเคลื่อนที่ของทรานซิสเตอร์แบบกราฟีนที่สายพันธุ์ต่างๆ
เมื่ออุปกรณ์โปร่งใสที่เป็นคาร์บอนทั้งหมดถูกยืดออกในทิศทางขนานกับทิศทางการขนส่งประจุ การเสื่อมสภาพน้อยที่สุดถูกสังเกตพบถึงความเครียดสูงสุด 120%ในระหว่างการยืดกล้ามเนื้อ ความคล่องตัวลดลงอย่างต่อเนื่องจาก 5.6 cm2/Vs ที่ความเครียด 0% เป็น 2.5 cm2/ Vs ที่ความเครียด 120% (รูปที่ 5F)นอกจากนี้เรายังเปรียบเทียบประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์สำหรับความยาวช่องสัญญาณต่างๆ (ดูตาราง S1)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อมีความเครียดมากถึง 105% ทรานซิสเตอร์ทั้งหมดเหล่านี้ยังคงมีอัตราส่วนการเปิด/ปิดสูง ( >103) และความคล่องตัว (>3 cm2/Vs)นอกจากนี้เรายังสรุปงานล่าสุดทั้งหมดเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมด (ดูตาราง S2) (47–52)ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตอุปกรณ์บนอีลาสโตเมอร์และการใช้ MGG เป็นหน้าสัมผัส ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดของเราแสดงประสิทธิภาพที่ดีในแง่ของความคล่องตัวและฮิสเทรีซิสตลอดจนการยืดหยุ่นสูง
ในการประยุกต์ใช้ทรานซิสเตอร์ที่โปร่งใสและยืดได้เต็มที่ เราจึงใช้มันเพื่อควบคุมการสลับของ LED (รูปที่ 6A)ดังแสดงในรูปที่ 6B ไฟ LED สีเขียวสามารถมองเห็นได้ชัดเจนผ่านอุปกรณ์คาร์บอนทั้งหมดที่ยืดได้ซึ่งวางไว้ด้านบนโดยตรงในขณะที่ขยายไปถึง ~100% (รูปที่ 6, C และ D) ความเข้มของแสง LED จะไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งสอดคล้องกับประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ที่อธิบายไว้ข้างต้น (ดูภาพยนตร์ S1)นี่เป็นรายงานฉบับแรกของชุดควบคุมแบบยืดได้ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้อิเล็กโทรดกราฟีน ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ใหม่สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นของกราฟีน
(A) วงจรของทรานซิสเตอร์เพื่อขับ LEDGND, กราวด์.(B) รูปถ่ายของทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดแบบยืดได้และโปร่งใสที่ความเครียด 0% ซึ่งติดตั้งอยู่เหนือ LED สีเขียว(C) ทรานซิสเตอร์แบบโปร่งใสและยืดหยุ่นทั้งหมดที่ใช้เปลี่ยน LED ถูกติดตั้งเหนือ LED ที่ 0% (ซ้าย) และความเครียด ~100% (ขวา)ลูกศรสีขาวชี้ไปที่เครื่องหมายสีเหลืองบนอุปกรณ์เพื่อแสดงการเปลี่ยนแปลงระยะทางที่กำลังยืดออก(D) มุมมองด้านข้างของทรานซิสเตอร์แบบยืด โดย LED ดันเข้าไปในอีลาสโตเมอร์
โดยสรุป เราได้พัฒนาโครงสร้างกราฟีนที่เป็นสื่อนำไฟฟ้าที่โปร่งใสซึ่งคงค่าการนำไฟฟ้าสูงภายใต้ความเครียดขนาดใหญ่เป็นอิเล็กโทรดที่ยืดได้ ซึ่งเปิดใช้งานโดยนาโนสโครลของกราฟีนระหว่างชั้นกราฟีนที่ซ้อนกันโครงสร้างอิเล็กโทรด MGG แบบ bi- และ trilayer เหล่านี้บนอีลาสโตเมอร์สามารถรักษาค่าการนำไฟฟ้าของความเครียด 0% ได้ 21 และ 65% ตามลำดับที่ความเครียดสูงถึง 100% เมื่อเทียบกับการสูญเสียค่าการนำไฟฟ้าโดยสมบูรณ์ที่ความเครียด 5% สำหรับอิเล็กโทรดกราฟีนแบบโมโนเลเยอร์ทั่วไป .เส้นทางที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มเติมของตัวเลื่อนกราฟีนรวมถึงปฏิกิริยาที่อ่อนแอระหว่างชั้นที่ถ่ายโอนนั้นมีส่วนช่วยให้ความเสถียรในการนำไฟฟ้าที่เหนือกว่าภายใต้ความเครียดเรายังใช้โครงสร้างกราฟีนนี้เพื่อสร้างทรานซิสเตอร์ที่ยืดได้แบบคาร์บอนทั้งหมดจนถึงตอนนี้ นี่คือทรานซิสเตอร์ที่ใช้กราฟีนที่ยืดหยุ่นได้มากที่สุด โดยมีความโปร่งใสดีที่สุดโดยไม่ต้องใช้การโก่งงอแม้ว่าการศึกษาในปัจจุบันได้ดำเนินการเพื่อเปิดใช้กราฟีนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหดได้ แต่เราเชื่อว่าวิธีการนี้สามารถขยายไปยังวัสดุ 2D อื่นๆ เพื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 2D แบบยืดได้
กราฟีน CVD ในพื้นที่ขนาดใหญ่ปลูกบนฟอยล์ Cu แบบแขวน (99.999%; Alfa Aesar) ภายใต้แรงดันคงที่ 0.5 mtorr โดยมี 50–SCCM (ลูกบาศก์เซนติเมตรมาตรฐานต่อนาที) CH4 และ 20–SCCM H2 เป็นสารตั้งต้นที่ 1,000 °Cทั้งสองด้านของฟอยล์ Cu ถูกปกคลุมด้วยกราฟีนโมโนเลเยอร์ชั้นบาง ๆ ของ PMMA (2000 รอบต่อนาที; A4, Microchem) ถูกเคลือบด้วยการหมุนที่ด้านหนึ่งของฟอยล์ Cu ทำให้เกิดโครงสร้างฟอยล์ PMMA/G/Cu/Gต่อมา ฟิล์มทั้งหมดถูกแช่ในสารละลายแอมโมเนียมเพอร์ซัลเฟต 0.1 โมลาร์ [(NH4)2S2O8] สารละลายประมาณ 2 ชั่วโมง ประมาณ 2 ชั่วโมงเพื่อลอกฟอยล์ Cu ออกในระหว่างกระบวนการนี้ กราฟีนด้านหลังที่ไม่มีการป้องกันจะฉีกตามแนวขอบของเกรนก่อน แล้วจึงม้วนเป็นม้วนเนื่องจากแรงตึงผิวสกรอลล์ติดอยู่บนฟิล์มกราฟีนบนที่รองรับ PMMA ซึ่งสร้างสกรอลล์ PMMA/G/Gต่อมาล้างฟิล์มในน้ำปราศจากไอออนหลาย ๆ ครั้งและวางบนพื้นผิวเป้าหมาย เช่น SiO2 / Si แข็งหรือพื้นผิวพลาสติกทันทีที่ฟิล์มที่ติดอยู่แห้งบนซับสเตรต ตัวอย่างที่แช่ในอะซิโตนตามลำดับ อะซิโตน/IPA 1:1 (ไอโซโพรพิลแอลกอฮอล์) และ IPA เป็นเวลา 30 วินาทีเพื่อขจัด PMMAฟิล์มถูกให้ความร้อนที่ 100°C เป็นเวลา 15 นาทีหรือเก็บไว้ในสุญญากาศข้ามคืนเพื่อขจัดน้ำที่ขังอยู่ออกให้หมดก่อนที่อีกชั้นหนึ่งของสกรอลล์ G/G จะถูกถ่ายโอนไปยังมันขั้นตอนนี้เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ฟิล์มกราฟีนหลุดออกจากซับสเตรต และรับประกันว่า MGG จะครอบคลุมเต็มที่ในระหว่างการปล่อยชั้นพาหะ PMMA
สัณฐานวิทยาของโครงสร้าง MGG สังเกตได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (Leica) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (1 kV; FEI)กล้องจุลทรรศน์แรงปรมาณู (Nanoscope III, Digital Instrument) ทำงานในโหมดการแตะเพื่อสังเกตรายละเอียดของสกรอลล์ Gความโปร่งใสของฟิล์มได้รับการทดสอบโดยเครื่องสเปกโตรมิเตอร์ที่มองเห็นด้วยรังสีอัลตราไวโอเลต (Agilent Cary 6000i)สำหรับการทดสอบเมื่อความเครียดเป็นไปตามทิศทางตั้งฉากของกระแสไหล โฟโตลิโทกราฟีและพลาสมา O2 ถูกใช้เพื่อสร้างรูปแบบโครงสร้างกราฟีนเป็นแถบ (กว้าง ~ 300 ไมโครเมตร และยาว ~ 2000 ไมโครเมตร) และอิเล็กโทรด Au (50 นาโนเมตร) ถูกสะสมด้วยความร้อนโดยใช้ มาสก์เงาที่ปลายทั้งสองด้านด้านยาวจากนั้น แถบกราฟีนจะสัมผัสกับยาง SEBS (กว้าง ~2 ซม. และยาว ~5 ซม.) โดยให้แกนยาวของแถบขนานไปกับด้านสั้นของ SEBS ตามด้วย BOE (การกัดบัฟเฟอร์ออกไซด์) (HF:H2O 1:6) การแกะสลักและยูเทคติกแกลเลียมอินเดียม (EGaIn) เป็นหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าสำหรับการทดสอบความเครียดแบบขนาน โครงสร้างกราฟีนที่ไม่มีลวดลาย (~5 × 10 มม.) ถูกถ่ายโอนไปยังซับสเตรต SEBS โดยมีแกนยาวขนานกับด้านยาวของซับสเตรต SEBSสำหรับทั้งสองกรณี G (ไม่มี G scrolls)/SEBS ทั้งหมดถูกยืดไปตามด้านยาวของอีลาสโตเมอร์ในเครื่องมือแบบแมนนวล และในแหล่งกำเนิด เราวัดการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายใต้ความเครียดบนสถานีโพรบด้วยเครื่องวิเคราะห์เซมิคอนดักเตอร์ (Keithley 4200) -SCS).
ทรานซิสเตอร์คาร์บอนทั้งหมดที่ยืดได้สูงและโปร่งใสบนซับสเตรตแบบยืดหยุ่นถูกประดิษฐ์ขึ้นโดยขั้นตอนต่อไปนี้เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของตัวทำละลายอินทรีย์ของพอลิเมอร์ไดอิเล็กทริกและซับสเตรตโครงสร้าง MGG ถูกถ่ายโอนไปยัง SEBS เป็นเกตอิเล็กโทรดเพื่อให้ได้ชั้นไดอิเล็กตริกโพลีเมอร์แบบฟิล์มบางที่สม่ำเสมอ (ความหนา 2 ไมโครเมตร) สารละลาย SEBS โทลูอีน (80 มก./มล.) ถูกเคลือบด้วยการหมุนบนสารตั้งต้น SiO2/Si ที่ดัดแปลงออกทาเดซิลไตรคลอโรซิเลน (OTS) ที่ 1,000 รอบต่อนาที เป็นเวลา 1 นาทีฟิล์มอิเล็กทริกแบบบางสามารถถ่ายโอนได้อย่างง่ายดายจากพื้นผิว OTS ที่ไม่ชอบน้ำไปยังพื้นผิว SEBS ที่เคลือบด้วยกราฟีนที่เตรียมไว้ตัวเก็บประจุสามารถทำได้โดยการใส่อิเล็กโทรดบนสุดของโลหะเหลว (EGaIn; Sigma-Aldrich) เพื่อกำหนดความจุตามฟังก์ชันของความเครียดโดยใช้เครื่องวัด LCR (ตัวเหนี่ยวนำ ความจุ ความต้านทาน) (Agilent)ส่วนอื่น ๆ ของทรานซิสเตอร์ประกอบด้วย CNT สารกึ่งตัวนำที่จัดเรียงด้วยโพลีเมอร์ตามขั้นตอนที่รายงานไว้ก่อนหน้านี้ (53)อิเล็กโทรดแหล่งกำเนิด/ท่อระบายที่มีลวดลายถูกประดิษฐ์ขึ้นบนซับสเตรต SiO2/Si แบบแข็งต่อจากนั้น สองส่วน คือ ไดอิเล็กตริก/G/SEBS และ CNTs/ลวดลาย G/SiO2/Si ที่มีลวดลาย ถูกเคลือบติดกัน และแช่ใน BOE เพื่อขจัดซับสเตรต SiO2/Si แบบแข็งดังนั้นทรานซิสเตอร์ที่โปร่งใสและยืดหยุ่นได้จึงถูกประดิษฐ์ขึ้นการทดสอบทางไฟฟ้าภายใต้ความเครียดได้ดำเนินการโดยใช้การตั้งค่าการยืดแบบแมนนวลตามวิธีการดังกล่าว
เนื้อหาเพิ่มเติมสำหรับบทความนี้มีอยู่ที่ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
รูปที่.เอส1ภาพไมโครสโคปแบบออปติคัลของโมโนเลเยอร์ MGG บนพื้นผิว SiO2/Si ที่มีกำลังขยายต่างกัน
รูปที่.S4.การเปรียบเทียบความต้านทานและการส่งผ่านข้อมูลแบบแผ่นสองโพรบที่ 550 นาโนเมตรของกราฟีนธรรมดาแบบโมโน ไบ และไตรเลเยอร์ (สี่เหลี่ยมสีดำ) MGG (วงกลมสีแดง) และ CNT (สามเหลี่ยมสีน้ำเงิน)
รูปที่.เอส7การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานปกติของ MGG แบบโมโนและไบเลเยอร์ (สีดำ) และ G (สีแดง) ที่อยู่ภายใต้ ~1000 ไซคลิกความเครียดที่โหลดได้ถึง 40 และ 90% ของความเครียดแบบขนานตามลำดับ
รูปที่.S10.ภาพ SEM ของ MGG แบบสามชั้นบนยาง SEBS หลังจากความเครียด ซึ่งแสดงให้เห็นการเลื่อนแบบยาวข้ามรอยแตกหลายจุด
รูปที่.ส12.ภาพ AFM ของ MGG สามชั้นบนยาง SEBS ที่บางมากที่ความเครียด 20% ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสกรอลล์ข้ามผ่านรอยแตก
ตาราง S1การเคลื่อนที่ของ bilayer MGG–ทรานซิสเตอร์คาร์บอนนาโนทิวบ์ผนังด้านเดียวที่ความยาวช่องสัญญาณต่างกันก่อนและหลังความเครียด
นี่เป็นบทความที่เข้าถึงได้ซึ่งเผยแพร่ภายใต้เงื่อนไขของสัญญาอนุญาต Creative Commons Attribution-NonCommercial ซึ่งอนุญาตให้ใช้ แจกจ่าย และทำซ้ำในสื่อใดๆ ได้ ตราบใดที่การใช้ผลลัพธ์ไม่ได้เพื่อประโยชน์ทางการค้า และให้งานต้นฉบับนั้นถูกต้อง อ้าง
หมายเหตุ: เราขอเพียงที่อยู่อีเมลของคุณเพื่อให้คนที่คุณแนะนำเพจรู้ว่าคุณต้องการให้พวกเขาเห็น และไม่ใช่เมลขยะเราไม่ได้บันทึกที่อยู่อีเมลใด ๆ
คำถามนี้มีขึ้นเพื่อทดสอบว่าคุณเป็นผู้เยี่ยมชมที่เป็นมนุษย์หรือไม่ และเพื่อป้องกันการส่งสแปมอัตโนมัติ
โดย 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
โดย 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 สมาคมอเมริกันเพื่อความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์สงวนลิขสิทธิ์.AAAS เป็นพันธมิตรของ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef และ COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548
โพสต์เวลา: 28 มกราคม-2021