अति पारदर्शी र तन्काउन मिल्ने ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरू

ग्राफिन जस्ता दुई-आयामी सामग्रीहरू, परम्परागत अर्धचालक अनुप्रयोगहरू र लचिलो इलेक्ट्रोनिक्समा नवजात अनुप्रयोगहरू दुवैको लागि आकर्षक छन्। यद्यपि, ग्राफिनको उच्च तन्य शक्तिले कम स्ट्रेनमा फ्र्याक्चर हुन्छ, जसले गर्दा स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोनिक्समा यसको असाधारण इलेक्ट्रोनिक गुणहरूको फाइदा उठाउन चुनौतीपूर्ण हुन्छ। पारदर्शी ग्राफिन कन्डक्टरहरूको उत्कृष्ट स्ट्रेन-निर्भर प्रदर्शन सक्षम गर्न, हामीले स्ट्याक्ड ग्राफिन तहहरू बीच ग्राफिन न्यानोस्क्रोलहरू सिर्जना गर्यौं, जसलाई बहु-तह ग्राफिन/ग्राफिन स्क्रोलहरू (MGGs) भनिन्छ। स्ट्रेन अन्तर्गत, केही स्क्रोलहरूले ग्राफिनको खण्डित डोमेनहरूलाई पुल बनाएर उच्च स्ट्रेनहरूमा उत्कृष्ट चालकता सक्षम पार्ने पर्कोलेटिंग नेटवर्क कायम राखे। इलास्टोमरहरूमा समर्थित ट्राइलेयर MGG ले १००% स्ट्रेनमा आफ्नो मूल चालकताको ६५% कायम राख्यो, जुन वर्तमान प्रवाहको दिशामा लम्बवत हुन्छ, जबकि न्यानोस्क्रोल बिना ग्राफिनको ट्राइलेयर फिल्महरूले आफ्नो सुरुवाती चालकताको २५% मात्र राख्यो। MGG हरूलाई इलेक्ट्रोडको रूपमा प्रयोग गरेर निर्मित स्ट्रेचेबल अल-कार्बन ट्रान्जिस्टरले ९०% भन्दा बढीको ट्रान्समिटेन्स प्रदर्शन गर्‍यो र १२०% स्ट्रेन (चार्ज ट्रान्सपोर्टको दिशाको समानान्तर) मा यसको मूल वर्तमान आउटपुटको ६०% कायम राख्यो। यी अत्यधिक स्ट्रेचेबल र पारदर्शी अल-कार्बन ट्रान्जिस्टरहरूले परिष्कृत स्ट्रेचेबल अप्टोइलेक्ट्रोनिक्सलाई सक्षम पार्न सक्छन्।
स्ट्रेचेबल पारदर्शी इलेक्ट्रोनिक्स एक बढ्दो क्षेत्र हो जसमा उन्नत बायोइन्टिग्रेटेड प्रणालीहरूमा महत्त्वपूर्ण अनुप्रयोगहरू छन् (१, २) साथै परिष्कृत नरम रोबोटिक्स र डिस्प्लेहरू उत्पादन गर्न स्ट्रेचेबल अप्टोइलेक्ट्रोनिक्स (३, ४) सँग एकीकृत गर्ने सम्भावना छ। ग्राफिनले आणविक मोटाई, उच्च पारदर्शिता र उच्च चालकताको अत्यधिक वांछनीय गुणहरू प्रदर्शन गर्दछ, तर स्ट्रेचेबल अनुप्रयोगहरूमा यसको कार्यान्वयन सानो स्ट्रेनमा क्र्याक हुने प्रवृत्तिले रोकेको छ। ग्राफिनको मेकानिकल सीमितताहरू पार गर्नाले स्ट्रेचेबल पारदर्शी उपकरणहरूमा नयाँ कार्यक्षमता सक्षम पार्न सक्छ।
ग्राफिनको अद्वितीय गुणहरूले यसलाई पारदर्शी चालक इलेक्ट्रोडहरूको अर्को पुस्ताको लागि बलियो उम्मेदवार बनाउँछ (५, ६)। सबैभन्दा बढी प्रयोग हुने पारदर्शी चालक, इन्डियम टिन अक्साइड [ITO; १०० ओम/वर्ग (वर्ग) ९०% पारदर्शितामा] सँग तुलना गर्दा, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) द्वारा उब्जाइएको मोनोलेयर ग्राफिनमा पाना प्रतिरोध (१२५ ओम/वर्ग) र पारदर्शिता (९७.४%) (५) को समान संयोजन हुन्छ। थप रूपमा, ITO (७) को तुलनामा ग्राफिन फिल्महरूमा असाधारण लचिलोपन हुन्छ। उदाहरणका लागि, प्लास्टिक सब्सट्रेटमा, यसको चालकता ०.८ मिमी (८) जति सानो वक्रताको झुकाउने त्रिज्याको लागि पनि कायम राख्न सकिन्छ। पारदर्शी लचिलो चालकको रूपमा यसको विद्युतीय कार्यसम्पादनलाई अझ बढाउन, अघिल्ला कार्यहरूले एक-आयामी (१D) सिल्भर न्यानोवायर वा कार्बन न्यानोट्यूब (CNTs) (९-११) सँग ग्राफिन हाइब्रिड सामग्रीहरू विकास गरेका छन्। यसबाहेक, ग्राफिनलाई मिश्रित आयामी हेटेरोस्ट्रक्चरल अर्धचालकहरू (जस्तै 2D बल्क Si, 1D न्यानोवायर/न्यानोट्यूबहरू, र 0D क्वान्टम डट्सहरू) (12), लचिलो ट्रान्जिस्टरहरू, सौर्य कोषहरू, र प्रकाश-उत्सर्जक डायोडहरू (LEDs) (13-23) को लागि इलेक्ट्रोडको रूपमा प्रयोग गरिएको छ।
यद्यपि ग्राफिनले लचिलो इलेक्ट्रोनिक्सको लागि आशाजनक नतिजाहरू देखाएको छ, स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोनिक्समा यसको प्रयोग यसको मेकानिकल गुणहरू (१७, २४, २५) द्वारा सीमित गरिएको छ; ग्राफिनमा ३४० N/m को इन-प्लेन कठोरता र ०.५ TPa (२६) को यंगको मोड्युलस छ। बलियो कार्बन-कार्बन नेटवर्कले लागू गरिएको स्ट्रेनको लागि कुनै पनि ऊर्जा अपव्यय संयन्त्र प्रदान गर्दैन र त्यसैले ५% भन्दा कम स्ट्रेनमा सजिलै क्र्याक हुन्छ। उदाहरणका लागि, पोलिडाइमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) लोचदार सब्सट्रेटमा स्थानान्तरण गरिएको CVD ग्राफिनले ६% भन्दा कम स्ट्रेनमा मात्र यसको चालकता कायम राख्न सक्छ (८)। सैद्धान्तिक गणनाले देखाउँछ कि विभिन्न तहहरू बीचको क्रम्पलिंग र अन्तरक्रियाले कठोरतालाई कडाईका साथ घटाउनु पर्छ (२६)। ग्राफिनलाई धेरै तहहरूमा स्ट्याक गरेर, यो द्वि-वा त्रि-तह ग्राफिन ३०% स्ट्रेनमा स्ट्रेचेबल छ, जसले मोनोलेयर ग्राफिन (२७) भन्दा १३ गुणा सानो प्रतिरोध परिवर्तन प्रदर्शन गर्दछ। यद्यपि, यो स्ट्रेचेबिलिटी अझै पनि अत्याधुनिक स्ट्रेचेबल c अनडक्टरहरू (२८, २९) भन्दा उल्लेखनीय रूपमा कम छ।
स्ट्रेचेबल अनुप्रयोगहरूमा ट्रान्जिस्टरहरू महत्त्वपूर्ण हुन्छन् किनभने तिनीहरूले परिष्कृत सेन्सर रिडआउट र सिग्नल विश्लेषण सक्षम गर्छन् (३०, ३१)। स्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड र च्यानल सामग्रीको रूपमा बहु-तह ग्राफिन भएको PDMS मा ट्रान्जिस्टरहरूले ५% स्ट्रेन (३२) सम्म विद्युतीय कार्य कायम राख्न सक्छन्, जुन पहिरन योग्य स्वास्थ्य-निगरानी सेन्सरहरू र इलेक्ट्रोनिक छालाको लागि न्यूनतम आवश्यक मान (~५०%) भन्दा उल्लेखनीय रूपमा कम छ (३३, ३४)। हालै, ग्राफिन किरिगामी दृष्टिकोणको अन्वेषण गरिएको छ, र तरल इलेक्ट्रोलाइटद्वारा गेट गरिएको ट्रान्जिस्टरलाई २४०% सम्म फैलाउन सकिन्छ (३५)। यद्यपि, यो विधिलाई निलम्बित ग्राफिन चाहिन्छ, जसले निर्माण प्रक्रियालाई जटिल बनाउँछ।
यहाँ, हामी ग्राफिन तहहरू बीच ग्राफिन स्क्रोलहरू (~१ देखि २० μm लामो, ~०.१ देखि १ μm चौडा, र ~१० देखि १०० nm उचाइ) लाई अन्तर्क्रिया गरेर अत्यधिक स्ट्रेचेबल ग्राफिन उपकरणहरू प्राप्त गर्छौं। हामी परिकल्पना गर्छौं कि यी ग्राफिन स्क्रोलहरूले ग्राफिन पानाहरूमा दरारहरू पुल गर्न प्रवाहकीय मार्गहरू प्रदान गर्न सक्छन्, जसले गर्दा तनावमा उच्च चालकता कायम रहन्छ। ग्राफिन स्क्रोलहरूलाई अतिरिक्त संश्लेषण वा प्रक्रियाको आवश्यकता पर्दैन; तिनीहरू प्राकृतिक रूपमा भिजेको स्थानान्तरण प्रक्रियाको क्रममा बन्छन्। बहु-तह G/G (ग्राफिन/ग्राफिन) स्क्रोलहरू (MGGs) ग्राफिन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोडहरू (स्रोत/निकास र गेट) र अर्धचालक CNT हरू प्रयोग गरेर, हामी अत्यधिक पारदर्शी र अत्यधिक स्ट्रेचेबल अल-कार्बन ट्रान्जिस्टरहरू प्रदर्शन गर्न सक्षम भयौं, जुन १२०% स्ट्रेन (चार्ज ट्रान्सपोर्टको दिशाको समानान्तर) सम्म फैलाउन सकिन्छ र तिनीहरूको मूल वर्तमान आउटपुटको ६०% कायम राख्न सकिन्छ। यो अहिलेसम्मको सबैभन्दा स्ट्रेचेबल पारदर्शी कार्बन-आधारित ट्रान्जिस्टर हो, र यसले अजैविक LED चलाउन पर्याप्त प्रवाह प्रदान गर्दछ।
ठूलो क्षेत्र पारदर्शी स्ट्रेचेबल ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरू सक्षम पार्न, हामीले Cu पन्नीमा CVD-उब्जाइएको ग्राफिन छनौट गर्यौं। Cu पन्नीलाई CVD क्वार्ट्ज ट्यूबको केन्द्रमा निलम्बन गरिएको थियो ताकि दुबै छेउमा ग्राफिनको वृद्धि होस्, जसले G/Cu/G संरचनाहरू बनोस्। ग्राफिन स्थानान्तरण गर्न, हामीले पहिले ग्राफिनको एक छेउलाई सुरक्षित गर्न पोली (मिथाइल मेथाक्रिलेट) (PMMA) को पातलो तह स्पिन-लेप गर्यौं, जसलाई हामीले माथिल्लो भाग ग्राफिन नाम दियौं (ग्राफिनको अर्को छेउको लागि यसको विपरीत), र पछि, सम्पूर्ण फिल्म (PMMA/माथिल्लो ग्राफिन/Cu/तलको ग्राफिन) Cu पन्नीलाई हटाउन (NH4)2S2O8 घोलमा भिजाइयो। PMMA कोटिंग बिनाको तल्लो भागको ग्राफिनमा अनिवार्य रूपमा दरार र दोषहरू हुनेछन् जसले इचेन्टलाई भित्र पस्न अनुमति दिन्छ (36, 37)। चित्र 1A मा देखाइएझैं, सतह तनावको प्रभावमा, जारी गरिएको ग्राफिन डोमेनहरू स्क्रोलहरूमा रोल गरियो र पछि बाँकी शीर्ष-G/PMMA फिल्ममा जोडियो। माथिल्लो-G/G स्क्रोलहरू SiO2/Si, गिलास, वा नरम पोलिमर जस्ता कुनै पनि सब्सट्रेटमा स्थानान्तरण गर्न सकिन्छ। यो स्थानान्तरण प्रक्रियालाई एउटै सब्सट्रेटमा धेरै पटक दोहोर्याउँदा MGG संरचनाहरू प्राप्त हुन्छन्।
(A) स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोडको रूपमा MGG हरूको निर्माण प्रक्रियाको योजनाबद्ध चित्रण। ग्राफिन स्थानान्तरणको क्रममा, Cu पन्नीमा पछाडिको ग्राफिन सीमा र दोषहरूमा भाँचिएको थियो, मनमानी आकारहरूमा बेरिएको थियो, र माथिल्लो फिल्महरूमा कडा रूपमा जोडिएको थियो, जसले न्यानोस्क्रोलहरू बनाउँछ। चौथो कार्टुनले स्ट्याक्ड MGG संरचना चित्रण गर्दछ। (B र C) क्रमशः मोनोलेयर ग्राफिन (B) र स्क्रोल (C) क्षेत्रमा केन्द्रित मोनोलेयर MGG को उच्च-रिजोल्युसन TEM विशेषताहरू। (B) को इनसेट TEM ग्रिडमा मोनोलेयर MGG हरूको समग्र आकारविज्ञान देखाउने कम-म्याग्निफिकेशन छवि हो। (C) को इनसेटहरू छविमा संकेत गरिएका आयताकार बक्सहरूमा लिइएका तीव्रता प्रोफाइलहरू हुन्, जहाँ परमाणु विमानहरू बीचको दूरी ०.३४ र ०.४१ nm छन्। (D) कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम विशेषता ग्राफिक π* र σ* शिखरहरू लेबल गरिएको छ। (E) पहेंलो डटेड रेखाको साथ उचाइ प्रोफाइलको साथ मोनोलेयर G/G स्क्रोलहरूको खण्डीय AFM छवि। (F देखि I) क्रमशः (F र H) बिना र 300-nm-बाक्लो SiO2/Si सब्सट्रेटहरूमा स्क्रोलहरू (G र I) सहितको ट्राइलेयर G को अप्टिकल माइक्रोस्कोपी र AFM छविहरू। प्रतिनिधि स्क्रोलहरू र झुर्रियाँहरूलाई तिनीहरूको भिन्नताहरू हाइलाइट गर्न लेबल गरिएको थियो।
स्क्रोलहरू रोल गरिएको ग्राफिन प्रकृतिमा छन् भनी प्रमाणित गर्न, हामीले मोनोलेयर टप-G/G स्क्रोल संरचनाहरूमा उच्च-रिजोल्युसन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (TEM) र इलेक्ट्रोन ऊर्जा हानि (EEL) स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययनहरू सञ्चालन गर्यौं। चित्र १B ले मोनोलेयर ग्राफिनको हेक्सागोनल संरचना देखाउँछ, र इनसेट TEM ग्रिडको एकल कार्बन प्वालमा ढाकिएको फिल्मको समग्र आकारविज्ञान हो। मोनोलेयर ग्राफिनले ग्रिडको धेरैजसो भाग फैलाउँछ, र हेक्सागोनल रिंगहरूको धेरै स्ट्याकहरूको उपस्थितिमा केही ग्राफिन फ्लेक्सहरू देखा पर्छन् (चित्र १B)। व्यक्तिगत स्क्रोल (चित्र १C) मा जुम गरेर, हामीले ०.३४ देखि ०.४१ nm को दायरामा जाली स्पेसिङको साथ ठूलो मात्रामा ग्राफिन जाली फ्रिन्जहरू अवलोकन गर्यौं। यी मापनहरूले सुझाव दिन्छन् कि फ्लेक्सहरू अनियमित रूपमा रोल गरिएका छन् र उत्तम ग्रेफाइट होइनन्, जसको "ABAB" तह स्ट्याकिङमा ०.३४ nm को जाली स्पेसिङ छ। चित्र १D ले कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम देखाउँछ, जहाँ २८५ eV मा शिखर π* कक्षीयबाट उत्पन्न हुन्छ र २९० eV वरपरको अर्को σ* कक्षीय संक्रमणको कारणले हुन्छ। यो संरचनामा sp2 बन्धन हावी भएको देख्न सकिन्छ, जसले स्क्रोलहरू अत्यधिक ग्राफिक छन् भनी प्रमाणित गर्दछ।
अप्टिकल माइक्रोस्कोपी र एटोमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) छविहरूले MGGs (चित्र १, E देखि G, र चित्र S१ र S२) मा ग्राफिन न्यानोस्क्रोलहरूको वितरणमा अन्तर्दृष्टि प्रदान गर्दछ। स्क्रोलहरू अनियमित रूपमा सतहमा वितरित हुन्छन्, र तिनीहरूको इन-प्लेन घनत्व स्ट्याक्ड तहहरूको संख्याको समानुपातिक रूपमा बढ्छ। धेरै स्क्रोलहरू गाँठोमा अल्झिएका हुन्छन् र १० देखि १०० nm को दायरामा गैर-एकरूप उचाइहरू प्रदर्शन गर्छन्। तिनीहरू १ देखि २० μm लामो र ०.१ देखि १ μm चौडा हुन्छन्, तिनीहरूको प्रारम्भिक ग्राफिन फ्लेक्सको आकारमा निर्भर गर्दछ। चित्र १ (H र I) मा देखाइए अनुसार, स्क्रोलहरूमा झुर्रियाँ भन्दा उल्लेखनीय रूपमा ठूला आकारहरू छन्, जसले ग्राफिन तहहरू बीचको इन्टरफेसलाई धेरै कडा बनाउँछ।
विद्युतीय गुणहरू मापन गर्न, हामीले फोटोलिथोग्राफी प्रयोग गरेर स्क्रोल संरचनाहरू र तह स्ट्याकिङ सहित वा बिना ग्राफिन फिल्महरू ढाँचाबद्ध गर्यौं। स्ट्रेनको प्रकार्यको रूपमा दुई-प्रोब प्रतिरोधहरू परिवेशको अवस्थामा मापन गरिएको थियो। स्क्रोलहरूको उपस्थितिले मोनोलेयर ग्राफिनको लागि प्रतिरोधकतालाई ८०% ले घटायो जसमा ट्रान्समिटेन्समा केवल २.२% कमी आयो (चित्र S4)। यसले पुष्टि गर्छ कि न्यानोस्क्रोलहरू, जसको उच्च वर्तमान घनत्व ५ × १०७ A/cm२ (३८, ३९) सम्म हुन्छ, ले MGG हरूमा धेरै सकारात्मक विद्युतीय योगदान दिन्छ। सबै मोनो-, द्वि-, र ट्रिलेयर प्लेन ग्राफिन र MGG हरू मध्ये, ट्रिलेयर MGG मा लगभग ९०% को पारदर्शिताको साथ उत्तम चालकता छ। साहित्यमा रिपोर्ट गरिएका ग्राफिनका अन्य स्रोतहरूसँग तुलना गर्न, हामीले चार-प्रोब पाना प्रतिरोधहरू (चित्र S5) पनि मापन गर्यौं र चित्र 2A मा 550 nm (चित्र S6) मा प्रसारणको प्रकार्यको रूपमा सूचीबद्ध गर्यौं। MGG ले कृत्रिम रूपमा स्ट्याक्ड बहु-स्तरीय प्लेन ग्राफिन र कम ग्राफिन अक्साइड (RGO) (6, 8, 18) भन्दा तुलनात्मक वा उच्च चालकता र पारदर्शिता देखाउँछ। ध्यान दिनुहोस् कि साहित्यबाट कृत्रिम रूपमा स्ट्याक्ड बहु-स्तरीय प्लेन ग्राफिनको पाना प्रतिरोधहरू हाम्रो MGG भन्दा थोरै बढी छन्, सम्भवतः तिनीहरूको अप्टिमाइज गरिएको वृद्धि अवस्था र स्थानान्तरण विधिको कारणले।
(A) धेरै प्रकारका ग्राफिनका लागि ५५० एनएममा ट्रान्समिटेन्स विरुद्ध चार-प्रोब शीट प्रतिरोधहरू, जहाँ कालो वर्गहरूले मोनो-, द्वि-, र त्रि-तह MGGs लाई जनाउँछन्; रातो घेरा र नीलो त्रिकोणहरू क्रमशः Li et al. (6) र Kim et al. (8) को अध्ययनबाट Cu र Ni मा उब्जाइएको बहु-तह सादा ग्राफिनसँग मेल खान्छ, र पछि SiO2/Si वा क्वार्ट्जमा स्थानान्तरण गरिन्छ; र हरियो त्रिकोणहरू Bonaccorso et al. (18) को अध्ययनबाट फरक घटाउने डिग्रीमा RGO को लागि मानहरू हुन्। (B र C) वर्तमान प्रवाहको दिशामा लम्बवत (B) र समानान्तर (C) स्ट्रेनको कार्यको रूपमा मोनो-, द्वि- र त्रि-तह MGGs र G को सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (D) चक्रीय स्ट्रेन अन्तर्गत द्वि-तह G (रातो) र MGG (कालो) को सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन ५०% लम्बवत स्ट्रेन लोड गर्दै। (E) चक्रीय स्ट्रेन अन्तर्गत त्रि-तह G (रातो) र MGG (कालो) को सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन ९०% समानान्तर स्ट्रेन लोड गर्दै। (F) स्ट्रेनको प्रकार्यको रूपमा मोनो-, द्वि- र त्रैतिक तह G र द्वि- र त्रैतिक तह MGG हरूको सामान्यीकृत क्यापेसिटन्स परिवर्तन। इनसेट क्यापेसिटर संरचना हो, जहाँ पोलिमर सब्सट्रेट SEBS हो र पोलिमर डाइइलेक्ट्रिक तह 2-μm-मोटो SEBS हो।
MGG को स्ट्रेन-निर्भर कार्यसम्पादन मूल्याङ्कन गर्न, हामीले ग्राफिनलाई थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर स्टाइरीन-इथिलीन-बुटाडियन-स्टाइरीन (SEBS) सब्सट्रेटहरू (~२ सेमी चौडा र ~५ सेमी लामो) मा स्थानान्तरण गर्यौं, र सब्सट्रेटलाई लम्बवत र प्रवाहको दिशामा समानान्तर दुवै रूपमा फैलाउँदा (सामग्री र विधिहरू हेर्नुहोस्) चालकता मापन गरियो (चित्र २, B र C)। न्यानोस्क्रोलहरू समावेश गर्दा र ग्राफिन तहहरूको संख्या बढ्दै जाँदा स्ट्रेन-निर्भर विद्युतीय व्यवहारमा सुधार भयो। उदाहरणका लागि, जब स्ट्रेन वर्तमान प्रवाहमा लम्बवत हुन्छ, मोनोलेयर ग्राफिनको लागि, स्क्रोलहरूको थपले विद्युतीय ब्रेकेजमा स्ट्रेनलाई ५ देखि ७०% सम्म बढायो। मोनोलेयर ग्राफिनको तुलनामा ट्राइलेयर ग्राफिनको स्ट्रेन सहिष्णुता पनि उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको छ। न्यानोस्क्रोलहरूसँग, १००% लम्बवत स्ट्रेनमा, ट्राइलेयर MGG संरचनाको प्रतिरोध केवल ५०% ले मात्र बढ्यो, स्क्रोल बिना ट्राइलेयर ग्राफिनको लागि ३००% को तुलनामा। चक्रीय स्ट्रेन लोडिङ अन्तर्गत प्रतिरोध परिवर्तनको अनुसन्धान गरिएको थियो। तुलनाको लागि (चित्र २D), ५०% लम्बवत स्ट्रेनमा ~७०० चक्र पछि प्लेन बाइलेयर ग्राफिन फिल्मको प्रतिरोध लगभग ७.५ गुणा बढ्यो र प्रत्येक चक्रमा स्ट्रेनसँगै बढ्दै गयो। अर्कोतर्फ, बाइलेयर MGG को प्रतिरोध ~७०० चक्र पछि लगभग २.५ गुणा मात्र बढ्यो। समानान्तर दिशामा ९०% सम्म स्ट्रेन लागू गर्दा, ट्राइलेयर ग्राफिनको प्रतिरोध १००० चक्र पछि ~१०० गुणा बढ्यो, जबकि ट्राइलेयर MGG मा यो केवल ~८ गुणा हुन्छ (चित्र २E)। साइकल चलाउने परिणामहरू चित्र S७ मा देखाइएका छन्। समानान्तर स्ट्रेन दिशामा प्रतिरोधमा अपेक्षाकृत छिटो वृद्धि हुनुको कारण क्र्याकहरूको अभिमुखीकरण वर्तमान प्रवाहको दिशामा लम्बवत हुनु हो। स्ट्रेन लोड गर्ने र अनलोड गर्ने क्रममा प्रतिरोधको विचलन SEBS इलास्टोमर सब्सट्रेटको भिस्कोइलास्टिक रिकभरीको कारणले हो। साइकल चलाउँदा MGG स्ट्रिपहरूको अधिक स्थिर प्रतिरोध ठूला स्क्रोलहरूको उपस्थितिको कारणले हुन्छ जसले ग्राफिनको फुटेका भागहरूलाई पुल गर्न सक्छ (AFM द्वारा अवलोकन गरिएको रूपमा), जसले पर्कोलेटिंग मार्ग कायम राख्न मद्दत गर्दछ। पर्कोलेटिंग मार्गद्वारा चालकता कायम राख्ने यो घटना पहिले इलास्टोमर सब्सट्रेटहरूमा फुटेका धातु वा अर्धचालक फिल्महरूको लागि रिपोर्ट गरिएको छ (40, 41)।
स्ट्रेचेबल उपकरणहरूमा गेट इलेक्ट्रोडको रूपमा यी ग्राफिन-आधारित फिल्महरूको मूल्याङ्कन गर्न, हामीले ग्राफिन तहलाई SEBS डाइइलेक्ट्रिक तह (२ μm बाक्लो) ले ढाक्यौं र स्ट्रेनको कार्यको रूपमा डाइइलेक्ट्रिक क्यापेसिटन्स परिवर्तनको निगरानी गर्यौं (विवरणहरूको लागि चित्र २F र पूरक सामग्रीहरू हेर्नुहोस्)। हामीले अवलोकन गर्यौं कि प्लेन मोनोलेयर र बाइलेयर ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरूसँग क्यापेसिटन्सहरू ग्राफिनको इन-प्लेन चालकता गुमाउने कारणले द्रुत रूपमा घट्यो। यसको विपरित, MGGs र प्लेन ट्राइलेयर ग्राफिनद्वारा गेट गरिएका क्यापेसिटन्सहरूले स्ट्रेनसँग क्यापेसिटन्सको वृद्धि देखाए, जुन स्ट्रेनसँग डाइइलेक्ट्रिक मोटाईमा कमीको कारणले अपेक्षित छ। क्यापेसिटन्समा अपेक्षित वृद्धि MGG संरचना (चित्र S8) सँग धेरै राम्रोसँग मेल खायो। यसले संकेत गर्दछ कि MGG स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरहरूको लागि गेट इलेक्ट्रोडको रूपमा उपयुक्त छ।
विद्युतीय चालकताको स्ट्रेन सहिष्णुतामा 1D ग्राफिन स्क्रोलको भूमिकाको थप अनुसन्धान गर्न र ग्राफिन तहहरू बीचको पृथकीकरणलाई राम्रोसँग नियन्त्रण गर्न, हामीले ग्राफिन स्क्रोलहरू प्रतिस्थापन गर्न स्प्रे-लेपित CNTs प्रयोग गर्यौं (पूरक सामग्रीहरू हेर्नुहोस्)। MGG संरचनाहरूको नक्कल गर्न, हामीले CNTs को तीन घनत्वहरू जम्मा गर्यौं (अर्थात्, CNT1
(A देखि C) CNTs को तीन फरक घनत्वहरूको AFM छविहरू (CNT1)
स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोनिक्सको लागि इलेक्ट्रोडको रूपमा तिनीहरूको क्षमतालाई अझ बुझ्नको लागि, हामीले स्ट्रेन अन्तर्गत MGG र G-CNT-G को आकारहरूको व्यवस्थित रूपमा अनुसन्धान गर्यौं। अप्टिकल माइक्रोस्कोपी र स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोपी (SEM) प्रभावकारी विशेषता विधिहरू होइनन् किनभने दुवैमा रङ कन्ट्रास्टको कमी हुन्छ र SEM इलेक्ट्रोन स्क्यानिङको समयमा छवि कलाकृतिहरूको अधीनमा हुन्छ जब ग्राफिन पोलिमर सब्सट्रेटहरूमा हुन्छ (चित्र S9 र S10)। स्ट्रेन अन्तर्गत ग्राफिन सतहलाई स्थितिमा अवलोकन गर्न, हामीले धेरै पातलो (~0.1 मिमी बाक्लो) र लोचदार SEBS सब्सट्रेटहरूमा स्थानान्तरण गरेपछि ट्राइलेयर MGGs र प्लेन ग्राफिनमा AFM मापनहरू सङ्कलन गर्यौं। स्थानान्तरण प्रक्रियाको क्रममा CVD ग्राफिनमा आन्तरिक दोषहरू र बाह्य क्षतिको कारणले गर्दा, स्ट्रेन गरिएको ग्राफिनमा दरारहरू अनिवार्य रूपमा उत्पन्न हुन्छन्, र बढ्दो तनावको साथ, दरारहरू घना हुँदै जान्छन् (चित्र 4, A देखि D)। कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोडहरूको स्ट्याकिङ संरचनामा निर्भर गर्दै, दरारहरूले फरक आकारहरू प्रदर्शन गर्छन् (चित्र S11) (27)। बहु-तह ग्राफिनको दरार क्षेत्र घनत्व (दरार क्षेत्र/विश्लेषण गरिएको क्षेत्रको रूपमा परिभाषित) स्ट्रेन पछि मोनोलेयर ग्राफिन भन्दा कम हुन्छ, जुन MGG हरूको लागि विद्युतीय चालकतामा वृद्धिसँग मिल्दोजुल्दो छ। अर्कोतर्फ, स्ट्रेन गरिएको फिल्ममा थप चालक मार्गहरू प्रदान गर्दै, दरारहरू पुल गर्न स्क्रोलहरू प्रायः अवलोकन गरिन्छ। उदाहरणका लागि, चित्र 4B को छविमा लेबल गरिएझैं, त्रि-तह MGG मा दरारमाथि फराकिलो स्क्रोल पार गरिएको थियो, तर सादा ग्राफिनमा कुनै स्क्रोल अवलोकन गरिएको थिएन (चित्र 4, E देखि H)। त्यस्तै गरी, CNT हरूले ग्राफिनमा दरारहरू पनि पुल गरे (चित्र S11)। दरार क्षेत्र घनत्व, स्क्रोल क्षेत्र घनत्व, र फिल्महरूको खस्रोपन चित्र 4K मा संक्षेप गरिएको छ।
(A देखि H) ०, २०, ६०, र १००% स्ट्रेनमा धेरै पातलो SEBS (~०.१ मिमी बाक्लो) इलास्टोमरमा ट्राइलेयर G/G स्क्रोलहरू (A देखि D) र ट्राइलेयर G संरचनाहरू (E देखि H) को इन सिटू AFM छविहरू। प्रतिनिधि क्र्याकहरू र स्क्रोलहरू तीरहरूले औंल्याइएको छ। सबै AFM छविहरू १५ μm × १५ μm को क्षेत्रमा छन्, लेबल गरिएको समान रङ स्केल बार प्रयोग गरेर। (I) SEBS सब्सट्रेटमा ढाँचाबद्ध मोनोलेयर ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरूको सिमुलेशन ज्यामिति। (J) २०% बाह्य स्ट्रेनमा मोनोलेयर ग्राफिन र SEBS सब्सट्रेटमा अधिकतम प्रमुख लघुगणकीय स्ट्रेनको सिमुलेशन समोच्च नक्सा। (K) विभिन्न ग्राफिन संरचनाहरूको लागि क्र्याक क्षेत्र घनत्व (रातो स्तम्भ), स्क्रोल क्षेत्र घनत्व (पहेंलो स्तम्भ), र सतह खुरदरापन (नीलो स्तम्भ) को तुलना।
जब MGG फिल्महरू तन्काइन्छ, त्यहाँ एउटा महत्त्वपूर्ण अतिरिक्त संयन्त्र हुन्छ जसले स्क्रोलहरूले ग्राफिनको फुटेका क्षेत्रहरूलाई पुल गर्न सक्छन्, जसले गर्दा पर्कोलेटिंग नेटवर्क कायम रहन्छ। ग्राफिन स्क्रोलहरू आशाजनक छन् किनभने तिनीहरू दशौं माइक्रोमिटर लम्बाइका हुन सक्छन् र त्यसैले सामान्यतया माइक्रोमिटर स्केलसम्मका दरारहरूलाई पुल गर्न सक्षम छन्। यसबाहेक, स्क्रोलहरूमा ग्राफिनका बहु-तहहरू हुन्छन्, तिनीहरूमा कम प्रतिरोध हुने अपेक्षा गरिन्छ। तुलनात्मक रूपमा, तुलनात्मक रूपमा घना (कम ट्रान्समिटेन्स) CNT नेटवर्कहरूलाई तुलनात्मक प्रवाहकीय ब्रिजिङ क्षमता प्रदान गर्न आवश्यक छ, किनकि CNT हरू साना हुन्छन् (सामान्यतया केही माइक्रोमिटर लम्बाइमा) र स्क्रोलहरू भन्दा कम प्रवाहकीय हुन्छन्। अर्कोतर्फ, चित्र S12 मा देखाइएझैं, जबकि स्ट्रेन समायोजन गर्न स्ट्रेचिङको क्रममा ग्राफिन क्र्याक हुन्छ, स्क्रोलहरू क्र्याक हुँदैनन्, जसले संकेत गर्दछ कि पछिल्लो अन्तर्निहित ग्राफिनमा स्लाइड भइरहेको हुन सक्छ। तिनीहरू फुट्नुको कारण सम्भवतः ग्राफिनका धेरै तहहरू (~१ देखि २० μm लामो, ~०.१ देखि १ μm चौडा, र ~१० देखि १०० nm उचाइ) मिलेर बनेको रोल-अप संरचनाको कारणले हुन सक्छ, जसमा एकल-तह ग्राफिन भन्दा उच्च प्रभावकारी मोड्युलस छ। ग्रीन र हर्सम (४२) द्वारा रिपोर्ट गरिए अनुसार, धातु CNT नेटवर्कहरू (१.० nm को ट्यूब व्यास) ले CNT हरू बीच ठूलो जंक्शन प्रतिरोधको बावजुद कम पाना प्रतिरोध <१०० ohms/वर्ग प्राप्त गर्न सक्छ। हाम्रा ग्राफिन स्क्रोलहरूको चौडाइ ०.१ देखि १ μm छ र G/G स्क्रोलहरूमा CNT हरू भन्दा धेरै ठूलो सम्पर्क क्षेत्रहरू छन् भन्ने कुरालाई ध्यानमा राख्दै, ग्राफिन र ग्राफिन स्क्रोलहरू बीचको सम्पर्क प्रतिरोध र सम्पर्क क्षेत्र उच्च चालकता कायम राख्न सीमित कारकहरू हुनु हुँदैन।
ग्राफिनमा SEBS सब्सट्रेट भन्दा धेरै उच्च मोड्युलस छ। यद्यपि ग्राफिन इलेक्ट्रोडको प्रभावकारी मोटाई सब्सट्रेटको भन्दा धेरै कम छ, ग्राफिनको कठोरता यसको मोटाईको तुलनामा सब्सट्रेटको तुलनामा तुलनात्मक छ (43, 44), जसले गर्दा मध्यम कठोर-टापु प्रभाव हुन्छ। हामीले SEBS सब्सट्रेटमा 1-nm-बाक्लो ग्राफिनको विकृति सिमुलेट गर्यौं (विवरणहरूको लागि पूरक सामग्रीहरू हेर्नुहोस्)। सिमुलेशन परिणामहरू अनुसार, जब 20% स्ट्रेन SEBS सब्सट्रेटमा बाह्य रूपमा लागू गरिन्छ, ग्राफिनमा औसत स्ट्रेन ~6.6% हुन्छ (चित्र 4J र चित्र S13D), जुन प्रयोगात्मक अवलोकनहरूसँग मेल खान्छ (चित्र S13 हेर्नुहोस्)। हामीले अप्टिकल माइक्रोस्कोपी प्रयोग गरेर ढाँचाबद्ध ग्राफिन र सब्सट्रेट क्षेत्रहरूमा स्ट्रेनको तुलना गर्यौं र सब्सट्रेट क्षेत्रमा स्ट्रेन ग्राफिन क्षेत्रमा स्ट्रेनको कम्तिमा दोब्बर भएको पायौं। यसले संकेत गर्दछ कि ग्राफिन इलेक्ट्रोड ढाँचाहरूमा लागू गरिएको स्ट्रेन उल्लेखनीय रूपमा सीमित हुन सक्छ, SEBS को शीर्षमा ग्राफिन कडा टापुहरू बनाउँछ (26, 43, 44)।
त्यसकारण, उच्च तनावमा उच्च चालकता कायम राख्न MGG इलेक्ट्रोडहरूको क्षमता सम्भवतः दुई प्रमुख संयन्त्रहरूद्वारा सक्षम हुन्छ: (i) स्क्रोलहरूले विच्छेदित क्षेत्रहरूलाई प्रवाहकीय पर्कोलेसन मार्ग कायम राख्न पुल गर्न सक्छन्, र (ii) बहु-तह ग्राफिन पानाहरू/इलास्टोमर एकअर्कामाथि चिप्लन सक्छन्, जसले गर्दा ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरूमा तनाव कम हुन्छ। इलास्टोमरमा स्थानान्तरित ग्राफिनका धेरै तहहरूको लागि, तहहरू एकअर्कासँग बलियो रूपमा जोडिएका हुँदैनन्, जुन तनावको प्रतिक्रियामा स्लाइड हुन सक्छ (27)। स्क्रोलहरूले ग्राफिन तहहरूको खस्रोपन पनि बढाए, जसले ग्राफिन तहहरू बीचको विभाजन बढाउन मद्दत गर्न सक्छ र त्यसैले ग्राफिन तहहरूको स्लाइडिङ सक्षम पार्छ।
कम लागत र उच्च थ्रुपुटको कारणले गर्दा सबै-कार्बन उपकरणहरू उत्साहपूर्वक पछ्याइन्छ। हाम्रो अवस्थामा, सबै-कार्बन ट्रान्जिस्टरहरू तल्लो ग्राफिन गेट, माथिल्लो ग्राफिन स्रोत/ड्रेन सम्पर्क, क्रमबद्ध CNT अर्धचालक, र SEBS लाई डाइइलेक्ट्रिकको रूपमा प्रयोग गरेर बनाइएको थियो (चित्र 5A)। चित्र 5B मा देखाइएझैं, स्रोत/ड्रेन र गेट (तल्लो उपकरण) को रूपमा CNTs भएको सबै-कार्बन उपकरण ग्राफिन इलेक्ट्रोड (शीर्ष उपकरण) भएको उपकरण भन्दा बढी अपारदर्शी हुन्छ। यो किनभने CNT नेटवर्कहरूलाई ठूलो मोटाई चाहिन्छ र फलस्वरूप, ग्राफिन (चित्र S4) जस्तै पाना प्रतिरोधहरू प्राप्त गर्न कम अप्टिकल ट्रान्समिटेन्स चाहिन्छ। चित्र 5 (C र D) ले द्विलेयर MGG इलेक्ट्रोडहरूबाट बनेको ट्रान्जिस्टरको लागि स्ट्रेन अघि प्रतिनिधि स्थानान्तरण र आउटपुट वक्रहरू देखाउँछ। अनस्ट्रेन गरिएको ट्रान्जिस्टरको च्यानल चौडाइ र लम्बाइ क्रमशः 800 र 100 μm थियो। मापन गरिएको अन/अफ अनुपात क्रमशः 10−5 र 10−8 A को स्तरमा अन र अफ करेन्टहरूसँग 103 भन्दा बढी छ। आउटपुट कर्भले स्पष्ट गेट-भोल्टेज निर्भरता सहित आदर्श रेखीय र संतृप्ति व्यवस्थाहरू प्रदर्शन गर्दछ, जसले CNTs र ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरू बीचको आदर्श सम्पर्कलाई संकेत गर्दछ (45)। ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरूसँगको सम्पर्क प्रतिरोध वाष्पीकृत Au फिल्मको तुलनामा कम देखिएको थियो (चित्र S14 हेर्नुहोस्)। स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरको संतृप्ति गतिशीलता लगभग 5.6 cm2/Vs छ, जुन 300-nm SiO2 लाई डाइलेक्ट्रिक तहको रूपमा कठोर Si सब्सट्रेटहरूमा उही पोलिमर-क्रमबद्ध CNT ट्रान्जिस्टरहरूको जस्तै हो। अनुकूलित ट्यूब घनत्व र अन्य प्रकारका ट्यूबहरू (46) सँग गतिशीलतामा थप सुधार सम्भव छ।
(A) ग्राफिन-आधारित स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरको योजना। SWNTs, एकल-भित्ता कार्बन न्यानोट्यूबहरू। (B) ग्राफिन इलेक्ट्रोड (माथि) र CNT इलेक्ट्रोड (तल) बाट बनेका स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरहरूको तस्बिर। पारदर्शितामा भिन्नता स्पष्ट रूपमा देखिने छ। (C र D) स्ट्रेन अघि SEBS मा ग्राफिन-आधारित ट्रान्जिस्टरको स्थानान्तरण र आउटपुट कर्भहरू। (E र F) विभिन्न स्ट्रेनहरूमा ग्राफिन-आधारित ट्रान्जिस्टरको स्थानान्तरण कर्भहरू, चालू र बन्द वर्तमान, चालू/बन्द अनुपात, र गतिशीलता।
जब पारदर्शी, सबै-कार्बन उपकरणलाई चार्ज ट्रान्सपोर्ट दिशाको समानान्तर दिशामा तन्काइएको थियो, न्यूनतम १२०% स्ट्रेनसम्मको गिरावट देखियो। स्ट्रेचिङको क्रममा, गतिशीलता ०% स्ट्रेनमा ५.६ cm2/Vs बाट १२०% स्ट्रेनमा २.५ cm2/Vs मा निरन्तर घट्यो (चित्र ५F)। हामीले विभिन्न च्यानल लम्बाइहरूको लागि ट्रान्जिस्टर प्रदर्शनको तुलना पनि गर्यौं (तालिका S1 हेर्नुहोस्)। उल्लेखनीय रूपमा, १०५% जति ठूलो स्ट्रेनमा, यी सबै ट्रान्जिस्टरहरूले अझै पनि उच्च अन/अफ अनुपात (>१०३) र गतिशीलता (>३ cm2/Vs) प्रदर्शन गरे। थप रूपमा, हामीले सबै-कार्बन ट्रान्जिस्टरहरूमा हालैका सबै कामहरू संक्षेपित गर्यौं (तालिका S2 हेर्नुहोस्) (४७-५२)। इलास्टोमरहरूमा उपकरण निर्माणलाई अनुकूलन गरेर र MGGs लाई सम्पर्कको रूपमा प्रयोग गरेर, हाम्रा सबै-कार्बन ट्रान्जिस्टरहरूले गतिशीलता र हिस्टेरेसिसको साथै अत्यधिक स्ट्रेचेबलको सन्दर्भमा राम्रो प्रदर्शन देखाउँछन्।
पूर्ण पारदर्शी र स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरको प्रयोगको रूपमा, हामीले यसलाई LED को स्विचिङ नियन्त्रण गर्न प्रयोग गर्यौं (चित्र 6A)। चित्र 6B मा देखाइए अनुसार, हरियो LED माथि राखिएको स्ट्रेचेबल अल-कार्बन उपकरण मार्फत स्पष्ट रूपमा देख्न सकिन्छ। ~100% (चित्र 6, C र D) सम्म स्ट्रेच गर्दा, LED प्रकाशको तीव्रता परिवर्तन हुँदैन, जुन माथि वर्णन गरिएको ट्रान्जिस्टर प्रदर्शनसँग मेल खान्छ (चलचित्र S1 हेर्नुहोस्)। यो ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरू प्रयोग गरेर बनाइएको स्ट्रेचेबल नियन्त्रण एकाइहरूको पहिलो रिपोर्ट हो, जसले ग्राफिन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोनिक्सको लागि नयाँ सम्भावना प्रदर्शन गर्दछ।
(A) LED चलाउन ट्रान्जिस्टरको सर्किट। GND, ग्राउन्ड। (B) हरियो LED माथि ०% स्ट्रेनमा राखिएको स्ट्रेचेबल र पारदर्शी पूर्ण-कार्बन ट्रान्जिस्टरको तस्बिर। (C) LED स्विच गर्न प्रयोग गरिने पूर्ण-कार्बन पारदर्शी र स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टर LED माथि ०% (बायाँ) र ~१००% स्ट्रेन (दायाँ) मा राखिएको छ। सेतो तीरहरूले उपकरणमा पहेँलो मार्करहरू देखाउँछन् जसले गर्दा दूरी परिवर्तन फैलिएको देखाउँछ। (D) इलास्टोमरमा LED धकेलिएको स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरको साइड दृश्य।
निष्कर्षमा, हामीले एउटा पारदर्शी प्रवाहकीय ग्राफिन संरचना विकास गरेका छौं जसले ठूला स्ट्रेनहरू अन्तर्गत स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोडहरूको रूपमा उच्च चालकता कायम राख्छ, जुन स्ट्याक्ड ग्राफिन तहहरू बीच ग्राफिन न्यानोस्क्रोलहरूद्वारा सक्षम पारिएको छ। इलास्टोमरमा यी द्वि-र त्रि-तह MGG इलेक्ट्रोड संरचनाहरूले सामान्य मोनोलेयर ग्राफिन इलेक्ट्रोडहरूको लागि ५% स्ट्रेनमा चालकताको पूर्ण क्षतिको तुलनामा १००% सम्मको उच्च स्ट्रेनमा तिनीहरूको ०% स्ट्रेन चालकताको क्रमशः २१ र ६५% कायम राख्न सक्छन्। ग्राफिन स्क्रोलहरूको अतिरिक्त प्रवाहकीय मार्गहरू साथै स्थानान्तरित तहहरू बीचको कमजोर अन्तरक्रियाले स्ट्रेन अन्तर्गत उच्च चालकता स्थिरतामा योगदान पुर्‍याउँछ। हामीले यो ग्राफिन संरचनालाई सबै-कार्बन स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरहरू निर्माण गर्न थप लागू गर्यौं। अहिलेसम्म, यो बकलिंग प्रयोग नगरी उत्तम पारदर्शिताको साथ सबैभन्दा स्ट्रेचेबल ग्राफिन-आधारित ट्रान्जिस्टर हो। यद्यपि हालको अध्ययन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोनिक्सको लागि ग्राफिन सक्षम गर्न सञ्चालन गरिएको थियो, हामी विश्वास गर्छौं कि यो दृष्टिकोण स्ट्रेचेबल 2D इलेक्ट्रोनिक्स सक्षम गर्न अन्य 2D सामग्रीहरूमा विस्तार गर्न सकिन्छ।
ठूलो क्षेत्रफलको CVD ग्राफिनलाई ०.५ मिटरको निरन्तर दबाबमा निलम्बित Cu फोइलहरू (९९.९९९%; अल्फा एसर) मा उब्जाइएको थियो जसमा १०००°C मा ५०–SCCM (मानक घन सेन्टिमिटर प्रति मिनेट) CH4 र २०–SCCM H2 पूर्ववर्तीको रूपमा थियो। Cu फोइलको दुबै छेउ मोनोलेयर ग्राफिनले ढाकिएको थियो। PMMA (२००० rpm; A4, माइक्रोकेम) को पातलो तह Cu फोइलको एक छेउमा स्पिन-लेप गरिएको थियो, जसले PMMA/G/Cu फोइल/G संरचना बनायो। त्यसपछि, सम्पूर्ण फिल्मलाई Cu फोइललाई खोद्नको लागि लगभग २ घण्टाको लागि ०.१ M अमोनियम पर्सल्फेट [(NH4)2S2O8] घोलमा भिजाइएको थियो। यस प्रक्रियाको क्रममा, असुरक्षित पछाडिको ग्राफिन पहिले अन्नको सीमानामा च्यातियो र त्यसपछि सतह तनावको कारणले स्क्रोलहरूमा घुमाइयो। स्क्रोलहरू PMMA-समर्थित माथिल्लो ग्राफिन फिल्ममा जोडिएको थियो, जसले PMMA/G/G स्क्रोलहरू बनायो। पछि फिल्महरूलाई धेरै पटक डिआयोनाइज्ड पानीमा धोइयो र कठोर SiO2/Si वा प्लास्टिक सब्सट्रेट जस्ता लक्षित सब्सट्रेटमा राखियो। सब्सट्रेटमा संलग्न फिल्म सुक्ने बित्तिकै, नमूनालाई क्रमशः एसीटोन, १:१ एसीटोन/IPA (आइसोप्रोपाइल अल्कोहल), र IPA मा ३० सेकेन्डको लागि भिजाइयो। फिल्महरूलाई १५ मिनेटको लागि १००°C मा तताइएको थियो वा G/G स्क्रोलको अर्को तहमा स्थानान्तरण गर्नु अघि फँसेको पानीलाई पूर्ण रूपमा हटाउन रातभर भ्याकुममा राखिएको थियो। यो चरण सब्सट्रेटबाट ग्राफिन फिल्मको अलगावबाट बच्न र PMMA वाहक तहको रिलीजको समयमा MGGs को पूर्ण कभरेज सुनिश्चित गर्न थियो।
MGG संरचनाको आकारविज्ञान अप्टिकल माइक्रोस्कोप (Leica) र स्क्यानिङ इलेक्ट्रोन माइक्रोस्कोप (1 kV; FEI) प्रयोग गरेर अवलोकन गरिएको थियो। G स्क्रोलहरूको विवरण अवलोकन गर्न ट्यापिङ मोडमा एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (Nanoscope III, डिजिटल उपकरण) सञ्चालन गरिएको थियो। फिल्म पारदर्शितालाई पराबैंगनी-दृश्य स्पेक्ट्रोमिटर (Agilent Cary 6000i) द्वारा परीक्षण गरिएको थियो। स्ट्रेन वर्तमान प्रवाहको लम्ब दिशामा हुँदा परीक्षणहरूको लागि, फोटोलिथोग्राफी र O2 प्लाज्मा ग्राफिन संरचनाहरूलाई स्ट्रिपहरूमा ढाँचा गर्न प्रयोग गरिएको थियो (~300 μm चौडा र ~2000 μm लामो), र Au (50 nm) इलेक्ट्रोडहरू लामो छेउको दुबै छेउमा छाया मास्क प्रयोग गरेर थर्मल रूपमा जम्मा गरिएको थियो। त्यसपछि ग्राफिन स्ट्रिपहरूलाई SEBS इलास्टोमर (~२ सेमी चौडा र ~५ सेमी लामो) सँग सम्पर्कमा राखियो, स्ट्रिपहरूको लामो अक्ष SEBS को छोटो छेउसँग समानान्तर थियो र त्यसपछि BOE (बफर गरिएको अक्साइड इच) (HF:H2O १:६) इचिङ र युटेक्टिक ग्यालियम इन्डियम (EGaIn) लाई विद्युतीय सम्पर्कको रूपमा प्रयोग गरियो। समानान्तर स्ट्रेन परीक्षणहरूको लागि, SEBS सब्सट्रेटहरूमा अनप्याटर्न गरिएको ग्राफिन स्ट्रक्चरहरू (~५ × १० मिमी) स्थानान्तरण गरियो, SEBS सब्सट्रेटको लामो छेउसँग समानान्तर लामो अक्षहरू सहित। दुवै अवस्थामा, सम्पूर्ण G (G स्क्रोल बिना)/SEBS लाई म्यानुअल उपकरणमा इलास्टोमरको लामो छेउमा फैलाइएको थियो, र स्थितिमा, हामीले अर्धचालक विश्लेषक (Keithley 4200-SCS) को साथ प्रोब स्टेशनमा तनाव अन्तर्गत तिनीहरूको प्रतिरोध परिवर्तनहरू मापन गर्यौं।
पोलिमर डाइइलेक्ट्रिक र सब्सट्रेटको जैविक विलायक क्षतिबाट बच्नको लागि लोचदार सब्सट्रेटमा अत्यधिक स्ट्रेचेबल र पारदर्शी अल-कार्बन ट्रान्जिस्टरहरू निम्न प्रक्रियाहरूद्वारा बनाइएका थिए। MGG संरचनाहरूलाई SEBS मा गेट इलेक्ट्रोडको रूपमा स्थानान्तरण गरिएको थियो। एक समान पातलो-फिल्म पोलिमर डाइइलेक्ट्रिक तह (२ μm बाक्लो) प्राप्त गर्न, SEBS टोल्युइन (८० mg/ml) घोललाई १ मिनेटको लागि १००० rpm मा अक्टाडेसिलट्रिक्लोरोसिलेन (OTS)-परिमार्जित SiO2/Si सब्सट्रेटमा स्पिन-लेप गरिएको थियो। पातलो डाइइलेक्ट्रिक फिल्मलाई हाइड्रोफोबिक OTS सतहबाट तयार पारिएको ग्राफिनले ढाकिएको SEBS सब्सट्रेटमा सजिलै स्थानान्तरण गर्न सकिन्छ। LCR (इन्डक्टन्स, क्यापेसिटन्स, प्रतिरोध) मिटर (एजिलेन्ट) प्रयोग गरेर स्ट्रेनको प्रकार्यको रूपमा क्यापेसिटन्स निर्धारण गर्न तरल-धातु (EGaIn; सिग्मा-एल्ड्रिच) शीर्ष इलेक्ट्रोड जम्मा गरेर क्यापेसिटर बनाउन सकिन्छ। ट्रान्जिस्टरको अर्को भागमा पहिले रिपोर्ट गरिएका प्रक्रियाहरू पछ्याउँदै पोलिमर-क्रमबद्ध अर्धचालक CNTs समावेश थिए (५३)। ढाँचाबद्ध स्रोत/निकास इलेक्ट्रोडहरू कठोर SiO2/Si सब्सट्रेटहरूमा बनाइएका थिए। त्यसपछि, दुई भागहरू, डाइइलेक्ट्रिक/G/SEBS र CNTs/ढाँचाबद्ध G/SiO2/Si, एकअर्कासँग ल्यामिनेट गरिएका थिए, र कठोर SiO2/Si सब्सट्रेट हटाउन BOE मा भिजाइएका थिए। यसरी, पूर्ण पारदर्शी र स्ट्रेचेबल ट्रान्जिस्टरहरू बनाइएका थिए। माथि उल्लेखित विधिको रूपमा म्यानुअल स्ट्रेचिङ सेटअपमा स्ट्रेन अन्तर्गत विद्युतीय परीक्षण गरिएको थियो।
यस लेखको लागि पूरक सामग्री http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 मा उपलब्ध छ।
चित्र S1. विभिन्न म्याग्निफिकेसनहरूमा SiO2/Si सब्सट्रेटहरूमा मोनोलेयर MGG को अप्टिकल माइक्रोस्कोपी छविहरू।
चित्र S4. मोनो-, द्वि- र त्रि-तह प्लेन ग्राफिन (कालो वर्ग), MGG (रातो घेरा), र CNTs (नीलो त्रिकोण) को ५५० nm मा दुई-प्रोब शीट प्रतिरोध र ट्रान्समिटेन्सको तुलना।
चित्र S7. क्रमशः ४० र ९०% समानान्तर स्ट्रेन लोड गर्दै ~१००० चक्रीय स्ट्रेन अन्तर्गत मोनो- र द्विस्तरीय MGGs (कालो) र G (रातो) को सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन।
चित्र S10. स्ट्रेन पछि SEBS इलास्टोमरमा ट्राइलेयर MGG को SEM छवि, धेरै दरारहरूमा लामो स्क्रोल क्रस देखाउँदै।
चित्र S12. २०% स्ट्रेनमा धेरै पातलो SEBS इलास्टोमरमा ट्राइलेयर MGG को AFM छवि, जसले देखाउँछ कि एउटा स्क्रोल दरारमाथि पार भएको छ।
तालिका S1. स्ट्रेन अघि र पछि विभिन्न च्यानल लम्बाइहरूमा द्विस्तरीय MGG-एकल-पर्खाल कार्बन नानोट्यूब ट्रान्जिस्टरहरूको गतिशीलता।
यो क्रिएटिभ कमन्स एट्रिब्युसन-गैर-वाणिज्यिक इजाजतपत्रको सर्तहरू अन्तर्गत वितरण गरिएको खुला-पहुँच लेख हो, जसले कुनै पनि माध्यममा प्रयोग, वितरण र पुनरुत्पादनलाई अनुमति दिन्छ, जबसम्म परिणामस्वरूप प्रयोग व्यावसायिक लाभको लागि होइन र मूल कामलाई उचित रूपमा उद्धृत गरिएको छ।
नोट: हामी तपाईंको इमेल ठेगाना केवल यसकारण मात्र अनुरोध गर्छौं ताकि तपाईंले पृष्ठ सिफारिस गरिरहनुभएको व्यक्तिलाई थाहा होस् कि तपाईंले पृष्ठ हेर्न चाहनुभएको थियो, र यो जंक मेल होइन। हामी कुनै पनि इमेल ठेगाना कैद गर्दैनौं।
यो प्रश्न तपाईं मानव आगन्तुक हुनुहुन्छ कि हुनुहुन्न भनेर परीक्षण गर्न र स्वचालित स्पाम सबमिशनहरू रोक्नको लागि हो।
नान लिउ, एलेक्स चोरटोस, टिंग लेई, लिहुआ जिन, तेहो रोय किम, वोन-ग्यु बे, चेन्क्सिन झू, सिहोंग वांग, राफेल पफटनर, सियान चेन, रोबर्ट सिन्क्लेयर, जेनान बाओ द्वारा
नान लिउ, एलेक्स चोरटोस, टिंग लेई, लिहुआ जिन, तेहो रोय किम, वोन-ग्यु बे, चेन्क्सिन झू, सिहोंग वांग, राफेल पफटनर, सियान चेन, रोबर्ट सिन्क्लेयर, जेनान बाओ द्वारा
© २०२१ अमेरिकन एसोसिएशन फर द एडभान्समेन्ट अफ साइन्स। सबै अधिकार सुरक्षित। AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef र COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 को साझेदार हो।