Tha stuthan dà-thaobhach, leithid graphene, tarraingeach airson an dà chuid tagraidhean leth-chonnsachaidh àbhaisteach agus tagraidhean ùra ann an eileagtronaig sùbailte. Ach, tha neart tensile àrd graphene ag adhbhrachadh briseadh aig cuideam ìosal, ga dhèanamh dùbhlanach brath a ghabhail air na feartan dealain iongantach aige ann an eileagtronaig sìnte. Gus coileanadh sàr-mhath an urra ri cuideam a chomasachadh de stiùirichean graphene follaiseach, chruthaich sinn nano-scrollaichean graphene eadar sreathan graphene cruachta, ris an canar sgrollaichean graphene / graphene ioma-fhilleadh (MGGn). Fo chuideam, bha cuid de sgrollaichean a’ drochaid nan raointean briste de graphene gus lìonra sruthadh a chumail suas a leig le seoltachd sàr-mhath aig cuideaman àrda. Chùm MGGan trì-fhilleadh air an taic air elastomers 65% den t-seòltachd tùsail aca aig cuideam 100%, a tha ceart-cheàrnach ri stiùireadh sruthadh an t-srutha, ach chùm filmichean trì-fhilleadh de graphene às aonais nano-scrollaichean dìreach 25% den t-seòltachd tòiseachaidh aca. Sheall transistor làn-charboin sìnte a chaidh a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh MGGan mar electrodan tar-chuir de >90% agus ghlèidh e 60% den t-sruth thùsail aige aig 120% de dh’fhulangas (co-shìnte ri stiùireadh còmhdhail luchd). Dh’ fhaodadh na transistoran làn-charboin sìnte agus follaiseach seo optoelectronics sìnte sòlaimte a chomasachadh.
Tha eileagtronaig shoilleir shìnte na raon a tha a’ sìor fhàs aig a bheil tagraidhean cudromach ann an siostaman bith-aonaichte adhartach (1, 2) a bharrachd air a’ chomas a bhith ag amalachadh le optoelectronics shìnte (3, 4) gus innealan-fuadain bog agus taisbeanaidhean sòlaimte a thoirt gu buil. Tha feartan ion-mhiannaichte aig graphene de thiugh atamach, follaiseachd àrd, agus seoltachd àrd, ach tha a bhith ga chur an gnìomh ann an tagraidhean sìnte air a bhith air a bhacadh leis a’ chlaonadh a th’ aige sgàineadh aig sreathan beaga. Dh’ fhaodadh faighinn thairis air crìochan meacanaigeach graphene comas-gnìomh ùr a chomasachadh ann an innealan follaiseach shìnte.
Tha feartan sònraichte grafain ga dhèanamh na thagraiche làidir airson an ath ghinealach de electrodan giùlain follaiseach (5, 6). An coimeas ris an giùlan follaiseach as cumanta a thathas a’ cleachdadh, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/ceàrnagach (ceàrnagach) aig 90% follaiseachd], tha measgachadh coltach ri strì an aghaidh duilleig (125 ohms/ceàrnagach) agus follaiseachd (97.4%) aig grafain aon-fhilleadh a tha air fhàs le tasgadh smùid ceimigeach (CVD) (5). A bharrachd air an sin, tha sùbailteachd iongantach aig filmichean grafain an coimeas ri ITO (7). Mar eisimpleir, air fo-strat plastaig, faodar a ghiùlan a chumail eadhon airson radius lùbadh cho beag ri 0.8 mm (8). Gus a choileanadh dealain a leasachadh tuilleadh mar ghiùlan sùbailte follaiseach, tha obraichean roimhe air stuthan tar-chinealach grafain a leasachadh le nano-uèirichean airgid aon-thaobhach (1D) no nanotubes gualain (CNTn) (9–11). A bharrachd air sin, chaidh grafein a chleachdadh mar electrodan airson leth-sheoladairean heterostructarail measgaichte-mheudach (leithid Si mòr 2D, uèirichean/nano-tiùban 1D, agus dotagan cuantamach 0D) (12), transistors sùbailte, ceallan grèine, agus diodes a’ leigeil a-mach solas (LEDs) (13–23).
Ged a tha toraidhean gealltanach air a bhith aig grafain airson eileagtronaig sùbailte, tha a chleachdadh ann an eileagtronaig sìnte air a bhith cuibhrichte leis na feartan meacanaigeach aige (17, 24, 25); tha stiffness in-plèana de 340 N/m aig grafain agus modúl Young de 0.5 TPa (26). Chan eil an lìonra làidir carbon-carbon a’ toirt seachad uidheaman sgaoilidh lùtha sam bith airson deformachadh a chaidh a chur an sàs agus mar sin bidh e a’ sgàineadh gu furasta aig nas lugha na 5% deformachadh. Mar eisimpleir, chan urrainn dha grafain CVD a chaidh a ghluasad gu fo-strat elastagach polydimethylsiloxane (PDMS) a ghiùlan a chumail ach aig nas lugha na 6% deformachadh (8). Tha àireamhachadh teòiridheach a’ sealltainn gum bu chòir crùbadh agus eadar-chluich eadar diofar shreathan an stiffness a lughdachadh gu mòr (26). Le bhith a’ cruachadh grafain ann an iomadh sreath, thathar ag aithris gu bheil an grafain dà- no trì-fhilleadh seo sìnte gu 30% deformachadh, a’ nochdadh atharrachadh strì 13 tursan nas lugha na atharrachadh strì grafain aon-fhilleadh (27). Ach, tha an comas sìnte seo fhathast gu math nas ìsle na giùlan sìnte ùr-nodha (28, 29).
Tha transistors cudromach ann an tagraidhean a ghabhas sìneadh oir tha iad a’ comasachadh leughadh mothachaidh agus mion-sgrùdadh chomharran iom-fhillte (30, 31). Faodaidh transistors air PDMS le graphene ioma-fhilleadh mar electrodan stòr/drèanaidh agus stuth seanail gnìomh dealain a chumail suas ri 5% deformachadh (32), a tha gu math nas ìsle na an luach as ìsle a tha a dhìth (~ 50%) airson mothachairean sgrùdaidh slàinte so-ghiùlain agus craiceann dealanach (33, 34). O chionn ghoirid, chaidh dòigh-obrach kirigami graphene a sgrùdadh, agus faodar an transistor air a gheata le electrolyte leaghaidh a shìneadh suas ri 240% (35). Ach, feumaidh an dòigh seo graphene crochte, a tha a’ dèanamh a’ phròiseas saothrachaidh nas iom-fhillte.
An seo, bidh sinn a’ coileanadh innealan grafaein a tha furasta an sìneadh le bhith a’ cur sgrolaichean grafaein (~1 gu 20 μm a dh'fhaid, ~0.1 gu 1 μm a leud, agus ~10 gu 100 nm a dh'àirde) eadar sreathan grafaein. Tha sinn a’ smaoineachadh gum faodadh na sgrolaichean grafaein seo slighean giùlain a thoirt seachad gus drochaid a thogail anns na siotaichean grafaein, agus mar sin a’ cumail suas giùlanachd àrd fo chuideam. Chan fheum na sgrolaichean grafaein co-chur no pròiseas a bharrachd; bidh iad air an cruthachadh gu nàdarrach rè a’ mhodh-obrachaidh gluasaid fliuch. Le bhith a’ cleachdadh sgrolaichean ioma-fhilleadh G/G (grafaein/grafaein) (MGGn), electrodan sìnte grafaein (stòr/drèanadh agus geata) agus CNTan leth-ghiùlain, bha sinn comasach air transistors uile-charboin a tha follaiseach agus furasta an sìneadh a nochdadh, a dh’ fhaodar a shìneadh gu 120% de chuideam (co-shìnte ri stiùireadh còmhdhail luchd) agus 60% den toradh sruth tùsail aca a chumail. Is e seo an transistor stèidhichte air charboin follaiseach as sìnte gu ruige seo, agus tha e a’ toirt seachad sruth gu leòr gus LED neo-organach a dhràibheadh.
Gus electrodan grafain sìnte follaiseach farsaing a chomasachadh, thagh sinn grafain fhàs ann an CVD air foil Cu. Chaidh am foil Cu a chrochadh ann am meadhan tiùb grian-chlach CVD gus leigeil le grafain fàs air gach taobh, a’ cruthachadh structaran G/Cu/G. Gus grafain a ghluasad, chuir sinn còmhdach tana de poly(methyl methacrylate) (PMMA) air an toiseach gus aon taobh den ghrafain a dhìon, ris an can sinn grafain taobh shuas (a chaochladh airson an taobh eile den ghrafain), agus às deidh sin, chaidh am film gu lèir (PMMA/grafain àrd/Cu/grafain bonn) a bogadh ann am fuasgladh (NH4)2S2O8 gus am foil Cu a ghràbhaladh air falbh. Bidh sgàinidhean agus uireasbhaidhean aig a’ ghrafain taobh shuas às aonais a’ chòmhdaich PMMA a leigeas le gràbhaladh dol troimhe (36, 37). Mar a chithear ann am Figear 1A, fo bhuaidh teannachadh uachdar, chaidh na raointean grafain a chaidh a leigeil ma sgaoil a roiligeadh suas ann an sgrolaichean agus às deidh sin ceangailte ris an fhilm G/PMMA àrd a bha air fhàgail. Dh’fhaodadh na sgrolaichean top-G/G a bhith air an gluasad gu fo-strat sam bith, leithid SiO2/Si, glainne, no polymer bog. Ma thèid am pròiseas gluasaid seo ath-aithris grunn thursan air an aon fho-strat, gheibhear structaran MGG.
(A) Dealbh sgemataigeach den phròiseas saothrachaidh airson MGGan mar electrod sìnte. Rè gluasad a’ ghrafain, chaidh cùl-ghrafain air foil Cu a bhriseadh aig crìochan agus uireasbhaidhean, a roiligeadh suas ann an cumaidhean neo-riaghailteach, agus a cheangal gu teann ris na filmichean àrda, a’ cruthachadh nanoscrollan. Tha an ceathramh cartùn a’ sealltainn structar cruachta MGG. (B agus C) Comharrachadh TEM àrd-rèiteachaidh de MGG monolayer, a’ cur fòcas air an grafain monolayer (B) agus an roinn sgrolaidh (C), fa leth. Tha cuir-a-steach (B) na ìomhaigh le meudachadh ìosal a’ sealltainn morf-eòlas iomlan MGGan monolayer air a’ ghriod TEM. Is e cuir-a-steach (C) na pròifilean dian a chaidh a thoirt air feadh nam bogsaichean ceart-cheàrnach a tha air an comharrachadh san ìomhaigh, far a bheil na h-astaran eadar na plèanaichean atamach 0.34 agus 0.41 nm. (D) Speactram EEL oir-K Carbon leis na stùcan grafaiteach π* agus σ* sònraichte air an comharrachadh. (E) Ìomhaigh AFM earrannach de sgrolaichean G/G monolayer le pròifil àirde air feadh na loidhne dotaichte buidhe. (F gu I) Miocroscopaidh optaigeach agus ìomhaighean AFM de thrì-fhilleadh G às aonais (F agus H) agus le sgrolaichean (G agus I) air fo-stratan SiO2/Si 300-nm de thighead, fa leth. Chaidh sgrolaichean agus rocaidean riochdachail a chomharrachadh gus na h-eadar-dhealachaidhean aca a shoilleireachadh.
Gus dearbhadh gu bheil na sgrolaichean air an dèanamh de ghraifein rolaichte ann an nàdar, rinn sinn sgrùdaidhean speactroscopaidh microscopaidh tar-chuir dealanach (TEM) àrd-rèiteachaidh agus speactroscopaidh call lùtha dealanach (EEL) air structaran sgrolaidh mullach-G/G monolayer. Tha Figear 1B a’ sealltainn structar sia-thaobhach ghraifein monolayer, agus tha an cuir-a-steach na mhoirfeòlas iomlan den fhilm còmhdaichte air toll gualain singilte den ghriod TEM. Tha an grafaein monolayer a’ dol thairis air a’ mhòr-chuid den ghriod, agus tha cuid de shligean ghraifein a’ nochdadh ann an làthair iomadh cruach de fhàinneachan sia-thaobhach (Figear 1B). Le bhith a’ zoomadh a-steach do sgrolaidh fa leth (Figear 1C), chunnaic sinn mòran de oirean laitís ghraifein, leis an astar laitís anns an raon 0.34 gu 0.41 nm. Tha na tomhais seo a’ moladh gu bheil na sgleagan air an roladh suas air thuaiream agus nach eil iad nan grafait foirfe, aig a bheil astar laitís de 0.34 nm ann an cruachadh sreathan “ABAB”. Tha Figear 1D a’ sealltainn speactram EEL oir-K charboin, far a bheil am bàrr aig 285 eV a’ tighinn bhon orbital π* agus am fear eile timcheall air 290 eV mar thoradh air gluasad an orbital σ*. Chithear gu bheil ceangal sp2 a’ faighinn làmh an uachdair san structar seo, a’ dearbhadh gu bheil na sgrolaichean gu math grafaiteach.
Tha ìomhaighean maicreasgopaidh optaigeach agus maicreasgopaidh feachd atamach (AFM) a’ toirt sealladh dhuinn air mar a tha nano-sgroilean grafaein air an sgaoileadh anns na MGGn (Figear 1, E gu G, agus figearan S1 agus S2). Tha na sgrolaichean air an sgaoileadh air thuaiream thairis air an uachdar, agus tha an dùmhlachd in-phlèana aca ag àrdachadh gu co-rèireach ris an àireamh de shreathan cruachta. Tha mòran sgrolaichean air an ceangal ri chèile ann an snaidhmeannan agus tha àirdean neo-chunbhalach aca anns an raon 10 gu 100 nm. Tha iad 1 gu 20 μm a dh'fhaid agus 0.1 gu 1 μm a leud, a rèir meudan nan sgoltagan grafaein tùsail aca. Mar a chithear ann am Figear 1 (H agus I), tha meudan mòran nas motha aig na sgrolaichean na na rocaidean, a’ leantainn gu eadar-aghaidh mòran nas garbh eadar sreathan grafaein.
Gus na feartan dealain a thomhas, rinn sinn pàtran air filmichean grafain le no às aonais structaran sgrolaidh agus cruachadh sreathan ann an stiallan 300-μm de leud agus 2000-μm de dh'fhaid a’ cleachdadh fotolithografaidh. Chaidh strì an dà-probe mar ghnìomh de strain a thomhas fo chumhachan àrainneachdail. Lùghdaich làthaireachd sgrolaidhean an strì airson grafain aon-fhilleadh le 80% le dìreach lùghdachadh 2.2% anns an tar-chuir (fig. S4). Tha seo a’ dearbhadh gu bheil nanoscrollan, aig a bheil dùmhlachd sruth àrd suas ri 5 × 107 A/cm2 (38, 39), a’ dèanamh tabhartas dealain glè dheimhinneach do na MGGn. Am measg a h-uile grafain lom aon-fhilleadh, dà-fhilleadh, agus trì-fhilleadh agus MGGn, tha an giùlan as fheàrr aig an MGG trì-fhilleadh le follaiseachd faisg air 90%. Gus coimeas a dhèanamh ri stòran eile de ghraiféin a chaidh aithris anns an litreachas, thomhais sinn cuideachd strì an aghaidh duilleag ceithir-proba (fig. S5) agus rinn sinn liosta dhiubh mar ghnìomh de thar-shoilleireachd aig 550 nm (fig. S6) ann am Fig. 2A. Tha MGG a’ sealltainn seoltachd agus follaiseachd co-chosmhail no nas àirde na grafaiféin lom ioma-fhilleadh cruachta gu saorga agus grafaiféin ocsaid lùghdaichte (RGO) (6, 8, 18). Thoir an aire gu bheil strì an aghaidh duilleag grafaiféin lom ioma-fhilleadh cruachta gu saorga bhon litreachas beagan nas àirde na strì an MGG againne, is dòcha air sgàth an suidheachaidhean fàis neo-leasaichte agus an dòigh gluasaid.
(A) Seasmhachd duilleag ceithir-proba an aghaidh tar-chuir aig 550 nm airson grunn sheòrsaichean de ghrafein, far a bheil ceàrnagan dubha a’ comharrachadh MGGan aon-, dà-, agus trì-fhilleadh; tha cearcallan dearga agus triantanan gorma a’ freagairt ri grafein lom ioma-fhilleadh air fhàs air Cu agus Ni bho sgrùdaidhean Li et al. (6) agus Kim et al. (8), fa leth, agus an uairsin air an gluasad gu SiO2/Si no grian-chlach; agus tha triantanan uaine nan luachan airson RGO aig diofar ìrean lughdachadh bho sgrùdadh Bonaccorso et al. (18). (B agus C) Atharrachadh strì àbhaisteach de MGGan aon-, dà- agus trì-fhilleadh agus G mar ghnìomh de dhealas ceart-cheàrnach (B) agus co-shìnte (C) ri stiùireadh sruthadh an t-srutha. (D) Atharrachadh strì àbhaisteach de dhà-fhilleadh G (dearg) agus MGG (dubh) fo luchdachadh dealas cearcallach suas ri 50% dealas ceart-cheàrnach. (E) Atharrachadh strì àbhaisteach de thrì-fhilleadh G (dearg) agus MGG (dubh) fo luchdachadh dealas cearcallach suas ri 90% dealas co-shìnte. (F) Atharrachadh comas àbhaisteach de G aon-, dà- agus trì-fhilleadh agus MGGan dà- agus trì-fhilleadh mar ghnìomh de dheformachadh. Is e an cuir-a-steach structar a’ chomasair, far a bheil an t-substrate polaimeir na SEBS agus an sreath dielectric polaimeir na SEBS 2-μm de thighead.
Gus measadh a dhèanamh air coileanadh an MGG a tha an urra ri deformachadh, ghluais sinn graphene gu fo-stratan teirmeaplastaig elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~2 cm de leud agus ~5 cm de dh'fhaid), agus chaidh an seoltachd a thomhas fhad 's a bha an t-fo-strat air a shìneadh (faic Stuthan agus Modhan) an dà chuid ceart-cheàrnach agus co-shìnte ri stiùireadh sruthadh an t-sruth (Figear 2, B agus C). Dh'fheabhsaich an giùlan dealain a tha an urra ri deformachadh le bhith a' toirt a-steach nanoscrolls agus a' meudachadh àireamhan de shreathan graphene. Mar eisimpleir, nuair a tha an deformachadh ceart-cheàrnach ri sruthadh an t-sruth, airson graphene monolayer, mheudaich cur-ris scrolls an deformachadh aig briseadh dealain bho 5 gu 70%. Tha fulangas deformachaidh an graphene trì-shreath cuideachd air a leasachadh gu mòr an taca ris a' graphene monolayer. Le nanoscrolls, aig 100% deformachadh ceart-cheàrnach, cha do dh'èirich strì an structar MGG trì-shreath ach 50%, an taca ri 300% airson graphene trì-shreath às aonais scrolls. Chaidh atharrachadh strì fo luchdachadh deformachaidh cearcallach a sgrùdadh. Airson coimeas (Figear 2D), mheudaich strì an fhilm graphene dà-fhilleadh sìmplidh mu 7.5 uiread an dèidh ~700 cearcall aig 50% de dh’fhilleadh ceart-cheàrnach agus chùm e ag àrdachadh le defhilleadh anns gach cearcall. Air an làimh eile, cha do mheudaich strì MGG dà-fhilleadh ach mu 2.5 uiread an dèidh ~700 cearcall. Le bhith a’ cur suas ri 90% defhilleadh air an t-slighe co-shìnte, mheudaich strì graphene trì-fhilleadh ~100 uiread an dèidh 1000 cearcall, ach chan eil e ach ~8 uiread ann an MGG trì-fhilleadh (Figear 2E). Tha toraidhean rothaireachd air an sealltainn ann am figear S7. Tha an àrdachadh coimeasach nas luaithe ann an strì air an t-slighe defhilleadh co-shìnte air sgàth gu bheil treòrachadh nan sgàinidhean ceart-cheàrnach ri stiùireadh sruthadh an t-srutha. Tha an diall strì rè luchdachadh is dì-luchdachadh defhilleadh mar thoradh air ath-bheothachadh viscoelastic fo-strat elastomer SEBS. Tha an strì nas seasmhaiche de na stiallan MGG rè rothaireachd mar thoradh air làthaireachd sgrolaichean mòra as urrainn drochaid a dhèanamh thairis air na pàirtean sgàinte den graphene (mar a chithear le AFM), a’ cuideachadh le bhith a’ cumail suas slighe sruthadh. Chaidh an iongantas seo de chumail suas seoltachd le slighe sreabhach aithris roimhe seo airson filmichean meatailt no leth-chonnsachaidh sgàinte air fo-stratan elastomer (40, 41).
Gus na filmichean stèidhichte air grafain seo a mheasadh mar electrodan geata ann an innealan sìnte, chòmhdaich sinn an sreath grafain le sreath dielectric SEBS (2 μm de thighead) agus rinn sinn sgrùdadh air an atharrachadh ann an comas dielectric mar ghnìomh deformachaidh (faic Figear 2F agus na Stuthan a bharrachd airson mion-fhiosrachadh). Chunnaic sinn gun do lùghdaich comasan le electrodan grafain monolayer agus dà-layer sìmplidh gu luath air sgàth call seoltachd in-plèana grafain. An coimeas ri sin, sheall comasan air an geatadh le MGGn a bharrachd air grafain trì-layer sìmplidh àrdachadh ann an comas le deformachadh, rud a thathar an dùil air sgàth lùghdachadh ann an tighead dielectric le deformachadh. Bha an àrdachadh ris a bheil dùil ann an comas a’ freagairt gu math ri structar MGG (figear S8). Tha seo a’ nochdadh gu bheil MGG freagarrach mar electrod geata airson transistors sìnte.
Gus tuilleadh rannsachaidh a dhèanamh air àite sgrolaidh grafain 1D air fulangas deformachaidh giùlain dealain agus smachd nas fheàrr a chumail air an dealachadh eadar sreathan grafain, chleachd sinn CNTan còmhdaichte le spraeadh gus na sgrolaidhean grafain a chur nan àite (faic Stuthan a bharrachd). Gus structaran MGG aithris, thaisg sinn trì dùmhlachdan de CNTan (is e sin, CNT1
(A gu C) Ìomhaighean AFM de thrì dùmhlachdan eadar-dhealaichte de CNTan (CNT1
Gus tuigse nas fheàrr fhaighinn air an comas mar electrodan airson electronics a ghabhas sìneadh, rinn sinn sgrùdadh siostamach air morf-eòlasan MGG agus G-CNT-G fo chuideam. Chan eil microscopy optigeach agus microscopy sganaidh electron (SEM) nan dòighean èifeachdach airson caractarachadh leis gu bheil dìth eadar-dhealachaidh dath anns an dà chuid agus tha SEM fo ùmhlachd do artaifeactan ìomhaigh rè sganadh electron nuair a tha graphene air fo-stratan polymer (figearan S9 agus S10). Gus uachdar graphene fo chuideam fhaicinn in situ, chruinnich sinn tomhais AFM air MGGan trì-fhilleadh agus graphene lom às deidh dhaibh gluasad gu fo-stratan SEBS glè thana (~ 0.1 mm de thighead) agus elastagach. Air sgàth nan lochdan intrinsic ann an graphene CVD agus milleadh taobh a-muigh rè a’ phròiseas gluasaid, bidh sgàinidhean air an gineadh gu do-sheachanta air a’ graphene fo chuideam, agus le barrachd cuideim, dh’fhàs na sgàinidhean nas dùmhaile (Figear 4, A gu D). A rèir structar cruachadh nan electrodan stèidhichte air carbon, tha na sgàinidhean a’ nochdadh morf-eòlasan eadar-dhealaichte (figear S11) (27). Tha dùmhlachd raon sgàineadh (air a mhìneachadh mar raon sgàineadh/raon mion-sgrùdaichte) de ghraiféin ioma-fhilleadh nas lugha na dùmhlachd ghraiféin aon-fhilleadh às dèidh deformachadh, a tha a rèir àrdachadh ann an seoltachd dealain airson MGGn. Air an làimh eile, thathas gu tric a’ faicinn sgrolaichean a’ drochaid nan sgàinidhean, a’ toirt seachad slighean giùlain a bharrachd anns an fhilm deformaichte. Mar eisimpleir, mar a tha air a chomharrachadh san ìomhaigh de Fhigear 4B, chaidh sgrol farsaing thairis air sgàineadh anns an MGG trì-fhilleadh, ach cha deach sgrol fhaicinn anns a’ ghraiféin lom (Figear 4, E gu H). San aon dòigh, bha CNTn cuideachd a’ drochaid nan sgàinidhean ann an graféin (figear S11). Tha geàrr-chunntas air dùmhlachd raon sgàineadh, dùmhlachd raon sgrolaidh, agus garbh-chruth nam filmichean ann am Fhigear 4K.
(A gu H) Dealbhan AFM in situ de sgrolaichean trì-fhilleadh G/G (A gu D) agus structaran trì-fhilleadh G (E gu H) air elastomer SEBS glè thana (~0.1 mm de thighead) aig 0, 20, 60, agus 100% deformachadh. Tha sgàinidhean agus sgrolaichean riochdachail air an comharrachadh le saighdean. Tha na h-ìomhaighean AFM uile ann an sgìre de 15 μm × 15 μm, a’ cleachdadh an aon bhàr sgèile dath ris an leubail. (I) Geoimeatraidh samhlachaidh de electrodan grafain aon-fhilleadh pàtranach air an t-substrate SEBS. (J) Mapa cumadh samhlachaidh den phrìomh dheformachadh logarithmach as àirde anns a’ ghrafain aon-fhilleadh agus an t-substrate SEBS aig 20% deformachadh taobh a-muigh. (K) Coimeas eadar dùmhlachd raon sgàineadh (colbh dearg), dùmhlachd raon sgrolaidh (colbh buidhe), agus garbh-uachdar (colbh gorm) airson diofar structaran grafain.
Nuair a thèid na filmichean MGG a shìneadh, tha dòigh chudromach a bharrachd ann leis am faod na sgrolaichean drochaid a thogail thairis air raointean sgàinte de ghraiféin, a’ cumail suas lìonra a tha a’ sruthadh a-mach. Tha na sgrolaichean ghraiféin gealltanach leis gum faod iad a bhith deichean de mhicromheatairean a dh'fhaid agus mar sin comasach air sgàinidhean a dhùnadh a tha mar as trice suas ri sgèile mhicromheatair. A bharrachd air an sin, leis gu bheil na sgrolaichean air an dèanamh suas de ioma-fhilleadh de ghraiféin, thathar an dùil gum bi strì an aghaidh ìosal aca. An coimeas ri sin, tha feum air lìonraidhean CNT an ìre mhath dùmhail (tar-chuir nas ìsle) gus comas drochaid giùlain coimeasach a thoirt seachad, leis gu bheil CNTn nas lugha (mar as trice beagan mhicromheatairean a dh'fhaid) agus nas lugha giùlain na sgrolaichean. Air an làimh eile, mar a chithear ann am figear S12, ged a bhios an graféin a’ sgàineadh nuair a bhios e a’ sìneadh gus gabhail ri cuideam, chan eil na sgrolaichean a’ sgàineadh, a’ nochdadh gum faodadh an tè mu dheireadh a bhith a’ sleamhnachadh air a’ ghraiféin a tha fon talamh. Is coltach gur e an adhbhar nach eil iad a’ sgàineadh an structar roiligeadh suas, air a dhèanamh suas de iomadh sreath de ghraiféin (~1 gu 20 μm a dh'fhaid, ~0.1 gu 1 μm a leud, agus ~10 gu 100 nm a dh'àirde), aig a bheil modulas èifeachdach nas àirde na an grafaiféin aon-fhilleadh. Mar a chaidh aithris le Green agus Hersam (42), faodaidh lìonraidhean CNT meatailteach (trast-thomhas tiùba de 1.0 nm) strì an aghaidh ìosal duilleag <100 ohms/sq a choileanadh a dh’ aindeoin an strì an aghaidh ceangail mhòir eadar CNTan. A’ beachdachadh gu bheil leud de 0.1 gu 1 μm aig na sgrolaichean grafaiféin againn agus gu bheil raointean conaltraidh mòran nas motha aig na sgrolaichean G/G na CNTan, cha bu chòir an strì an aghaidh conaltraidh agus an raon conaltraidh eadar grafaiféin agus sgrolaichean grafaiféin a bhith nan factaran cuibhrichte gus seoltachd àrd a chumail suas.
Tha modúl mòran nas àirde aig a’ ghrafain na tha aig an t-substrate SEBS. Ged a tha tiughas èifeachdach an electrode ghrafain mòran nas ìsle na tiughas an t-substrate, tha stiffness a’ ghrafain iomadaichte leis an tiughas aige co-chosmhail ri tiughas an t-substrate (43, 44), agus mar thoradh air sin tha buaidh meadhanach eilean cruaidh ann. Rinn sinn atharrais air deformachadh ghrafain 1-nm de thighead air substrate SEBS (faic Stuthan a bharrachd airson mion-fhiosrachadh). A rèir thoraidhean an t-samhlachaidh, nuair a thèid 20% de dh’fhulangas a chuir air an t-substrate SEBS gu taobh a-muigh, tha an deformachadh cuibheasach anns a’ ghrafain ~6.6% (Figear 4J agus figear S13D), a tha a rèir beachdan deuchainneach (faic figear S13). Rinn sinn coimeas eadar an deformachadh anns na roinnean grafain agus substrate le pàtran a’ cleachdadh microsgopaidh optigeach agus fhuair sinn a-mach gu robh an deformachadh anns an roinn substrate co-dhiù dà uair an deformachadh anns an roinn ghrafain. Tha seo a’ nochdadh gum faodadh an deformachadh a chuirear air pàtrain electrode ghrafain a bhith air a chuingealachadh gu mòr, a’ cruthachadh eileanan cruaidh grafain air mullach SEBS (26, 43, 44).
Mar sin, tha e coltach gu bheil dà phrìomh dhòigh-obrach a’ comasachadh comas electrodan MGG gus seoltachd àrd a chumail suas fo chuideam àrd: (i) Faodaidh na sgrolaichean drochaid a dhèanamh eadar roinnean neo-cheangailte gus slighe sruthadh seoltachd a chumail suas, agus (ii) faodaidh na siotaichean grafain ioma-fhilleadh/elastomer sleamhnachadh thairis air a chèile, agus mar thoradh air sin bidh nas lugha de chuideam air electrodan grafain. Airson iomadh sreath de ghrafain gluasaid air elastomer, chan eil na sreathan ceangailte gu làidir ri chèile, agus dh’ fhaodadh sin sleamhnachadh mar fhreagairt do chuideam (27). Mheudaich na sgrolaichean cuideachd garbh-chruth nan sreathan grafain, a dh’ fhaodadh cuideachadh le bhith ag àrdachadh an dealachaidh eadar sreathan grafain agus mar sin a’ comasachadh sleamhnachadh nan sreathan grafain.
Tha innealan uile-charboin air an sireadh gu dìoghrasach air sgàth cosgais ìseal agus toradh àrd. Nar cùis-ne, chaidh transistors uile-charboin a dhèanamh a’ cleachdadh geata graphene aig a’ bhonn, conaltradh stòr/drèanaidh graphene aig a’ mhullach, leth-chonnsair CNT seòrsachaichte, agus SEBS mar dielectric (Figear 5A). Mar a chithear ann am Figear 5B, tha inneal uile-charboin le CNTan mar an stòr/drèanadh agus an geata (inneal aig a’ bhonn) nas neo-shoilleire na an inneal le electrodan graphene (inneal aig a’ mhullach). Tha seo air sgàth gu bheil feum aig lìonraidhean CNT air tiugh nas motha agus, mar thoradh air sin, tar-chuir optigeach nas ìsle gus strì an aghaidh duilleag a choileanadh coltach ri strì an aghaidh graphene (figear S4). Tha Figear 5 (C agus D) a’ sealltainn lùban gluasaid is toraidh riochdachail ro shìneadh airson transistor air a dhèanamh le electrodan MGG dà-fhilleadh. Bha leud is fad an t-sianail den transistor gun shìneadh 800 agus 100 μm, fa leth. Tha an co-mheas on/off a chaidh a thomhas nas motha na 103 le sruthan on is off aig ìrean 10−5 agus 10−8 A, fa leth. Tha an lùb toraidh a’ sealltainn rèimean loidhneach is sàthaichte air leth freagarrach le eisimeileachd shoilleir air bholtaids a’ gheata, a’ nochdadh conaltradh air leth freagarrach eadar CNTan agus electrodan grafaein (45). Chaidh an aghaidh conaltraidh le electrodan grafaein fhaicinn nas ìsle na an aghaidh le film Au air a ghalachadh (faic figear S14). Tha gluasadachd sàthaichte an transistor sìnte mu 5.6 cm2/Vs, coltach ris an fheadhainn aig na h-aon transistors CNT air an seòrsachadh le polymer air fo-stratan Si cruaidh le SiO2 300-nm mar shreath dielectric. Tha tuilleadh leasachaidh ann an gluasadachd comasach le dùmhlachd tiùba leasaichte agus seòrsachan eile de thiùban (46).
(A) Sgeama de transistor sìnte stèidhichte air grafain. SWNTan, nanotuban gualain aon-bhalla. (B) Dealbh de na transistors sìnte air an dèanamh de electrodan grafain (gu h-àrd) agus electrodan CNT (gu h-ìosal). Tha an diofar ann am follaiseachd gu soilleir follaiseach. (C agus D) Lùban gluasaid is toraidh an transistor stèidhichte air grafain air SEBS ron deformachadh. (E agus F) Lùban gluasaid, sruth air is dheth, co-mheas air/dheth, agus gluasadachd an transistor stèidhichte air grafain aig diofar dheformachaidhean.
Nuair a chaidh an inneal follaiseach, uile-charboin a shìneadh san t-slighe co-shìnte ri stiùireadh còmhdhail a’ chosgais, cha robh mòran crìonadh ri fhaicinn suas ri 120% deformachadh. Rè an sìneadh, lùghdaich an gluasad gu leantainneach bho 5.6 cm2/Vs aig 0% deformachadh gu 2.5 cm2/Vs aig 120% deformachadh (Figear 5F). Rinn sinn coimeas cuideachd ri coileanadh an transistor airson diofar fhaid seanail (faic clàr S1). Gu sònraichte, aig deformachadh cho mòr ri 105%, bha co-mheas àrd on/off (>103) agus gluasad (>3 cm2/Vs) aig na transistors sin uile fhathast. A bharrachd air an sin, rinn sinn geàrr-chunntas air an obair o chionn ghoirid air transistors uile-charboin (faic clàr S2) (47–52). Le bhith a’ leasachadh saothrachadh innealan air elastomers agus a’ cleachdadh MGGan mar cheanglaichean, tha na transistors uile-charboin againn a’ sealltainn deagh choileanadh a thaobh gluasad agus hysteresis a bharrachd air a bhith gu math sìnte.
Mar chur an sàs den transistor làn-shoilleir agus sìnte, chleachd sinn e gus smachd a chumail air suidseachadh LED (Figear 6A). Mar a chithear ann am Figear 6B, chithear an LED uaine gu soilleir tron inneal làn-charboin sìnte a tha suidhichte dìreach os a chionn. Ged a tha e a’ sìneadh gu ~100% (Figear 6, C agus D), chan eil dian solais an LED ag atharrachadh, a tha a rèir coileanadh an transistor a chaidh a mhìneachadh gu h-àrd (faic film S1). Is e seo a’ chiad aithisg air aonadan smachd sìnte air an dèanamh a’ cleachdadh electrodan grafain, a’ sealltainn comas ùr airson eileagtronaig sìnte grafain.
(A) Cuairt transistor gus LED a dhràibheadh. GND, talamh. (B) Dealbh den transistor làn-charboin sìnte agus follaiseach aig 0% deformachadh air a chuir suas os cionn LED uaine. (C) Tha an transistor làn-charboin follaiseach agus sìnte a thathar a’ cleachdadh gus an LED atharrachadh ga chuir suas os cionn an LED aig 0% (clì) agus ~100% deformachadh (deas). Tha saighdean geala a’ comharrachadh mar chomharran buidhe air an inneal gus an t-atharrachadh astar a tha ga shìneadh a shealltainn. (D) Sealladh taobh den transistor sìnte, leis an LED air a phutadh a-steach don elastomer.
Mar cho-dhùnadh, tha sinn air structar graphene giùlain follaiseach a leasachadh a chumas seoltachd àrd fo chuideaman mòra mar electrodan sìnte, air a chomasachadh le nanoscrollan graphene eadar sreathan graphene cruachta. Faodaidh na structaran electrode MGG dà- agus trì-fhilleadh seo air elastomer 21 agus 65%, fa leth, den t-seòltachd deformachaidh 0% aca a chumail aig deformachadh cho àrd ri 100%, an taca ri call iomlan de sheòltachd aig deformachadh 5% airson electrodan graphene monolayer àbhaisteach. Tha na slighean giùlain a bharrachd de scrollaichean graphene a bharrachd air an eadar-obrachadh lag eadar na sreathan a chaidh a ghluasad a’ cur ri seasmhachd seoltachd nas fheàrr fo chuideam. Chuir sinn an structar graphene seo an sàs cuideachd gus transistors sìnte uile-charboin a dhèanamh. Gu ruige seo, is e seo an transistor stèidhichte air graphene as sìnte leis an follaiseachd as fheàrr gun a bhith a’ cleachdadh buckling. Ged a chaidh an sgrùdadh seo a dhèanamh gus graphene a chomasachadh airson electronics sìnte, tha sinn den bheachd gun gabh an dòigh-obrach seo a leudachadh gu stuthan 2D eile gus electronics 2D sìnte a chomasachadh.
Chaidh grafain CVD farsaingeachd mhòr fhàs air foill Cu crochte (99.999%; Alfa Aesar) fo chuideam cunbhalach de 0.5 mtorr le 50–SCCM (ceudameatair ciùbach àbhaisteach gach mionaid) CH4 agus 20–SCCM H2 mar ro-ruithearan aig 1000°C. Bha gach taobh den foil Cu còmhdaichte le grafain aon-fhilleadh. Chaidh sreath tana de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) a shnìomh-chòmhdach air aon taobh den foil Cu, a’ cruthachadh structar foil PMMA/G/Cu/G. às dèidh sin, chaidh am film gu lèir a bogadh ann am fuasgladh 0.1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] airson timcheall air 2 uair a thìde gus am foil Cu a thoirt air falbh. Rè a’ phròiseis seo, reub an grafain cùil gun dìon an toiseach air feadh crìochan a’ ghràin agus an uairsin chaidh a roiligeadh suas ann an sgrolaichean air sgàth teannachadh uachdar. Chaidh na sgrolaichean a cheangal ris an fhilm grafain àrd le taic PMMA, a’ cruthachadh sgrolaichean PMMA/G/G. Às dèidh sin, chaidh na filmichean a nighe ann an uisge dì-ionichte grunn thursan agus an cur air fo-strat targaid, leithid SiO2/Si cruaidh no fo-strat plastaig. Cho luath ‘s a thiormaich am film ceangailte air an fho-strat, chaidh an sampall a bogadh ann an acetone, 1:1 acetone/IPA (deoch-isopropyl), agus IPA airson 30 diogan gach fear gus PMMA a thoirt air falbh. Chaidh na filmichean a theasachadh aig 100°C airson 15 mionaidean no an cumail ann am falamh thar oidhche gus an t-uisge glaiste a thoirt air falbh gu tur mus deach sreath eile de sgroladh G/G a ghluasad air. B’ e an ceum seo a bh’ ann casg a chuir air film graphene bho bhith a’ dealachadh bhon fho-strat agus dèanamh cinnteach à còmhdach iomlan de MGGn nuair a chaidh sreath giùlain PMMA a leigeil ma sgaoil.
Chaidh morf-eòlas structar MGG fhaicinn le bhith a’ cleachdadh miocroscop optaigeach (Leica) agus miocroscop sganaidh dealanach (1 kV; FEI). Chaidh miocroscop feachd atamach (Nanoscope III, Digital Instrument) obrachadh ann am modh tapadh gus mion-fhiosrachadh nan sgrolaichean G fhaicinn. Chaidh follaiseachd film a dhearbhadh le speactrometer ultraviolet-faicsinneach (Agilent Cary 6000i). Airson nan deuchainnean nuair a bha an deformachadh air feadh stiùireadh ceart-cheàrnach sruthadh an t-sruth, chaidh fotolithografaidh agus plasma O2 a chleachdadh gus structaran grafain a phàtranachadh ann an stiallan (~300 μm de leud agus ~2000 μm de dh'fhaid), agus chaidh electrodan Au (50 nm) a thasgadh gu teirmeach le bhith a’ cleachdadh masgaichean sgàil aig gach ceann den taobh fhada. Chaidh na stiallan grafain an uairsin a chur an conaltradh ri elastomer SEBS (~2 cm de leud agus ~5 cm de dh'fhaid), leis an ais fhada de na stiallan co-shìnte ri taobh goirid SEBS agus an uairsin gaothadh BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) agus gallium indium eutectic (EGaIn) mar cheanglaichean dealain. Airson deuchainnean deformachaidh co-shìnte, chaidh structaran grafain gun phàtran (~5 × 10 mm) a ghluasad gu fo-stratan SEBS, le aisean fada co-shìnte ri taobh fada an t-substrate SEBS. Airson an dà chùis, chaidh an G (às aonais sgrolaichean G)/SEBS gu lèir a shìneadh air taobh fada an elastomer ann an inneal làimhe, agus in situ, thomhais sinn na h-atharrachaidhean strì aca fo dheformachadh air stèisean sgrùdaidh le anailisiche leth-chonnsachaidh (Keithley 4200-SCS).
Chaidh na transistors uile-charboin a bha gu math sìnte agus follaiseach air fo-strat elastagach a dhèanamh leis na modhan a leanas gus casg a chuir air milleadh fuasglaiche organach air an dielectric polymer agus an fo-strat. Chaidh structaran MGG a ghluasad gu SEBS mar electrodan geata. Gus sreath dielectric polymer film tana aonfhoirmeil fhaighinn (2 μm de thighead), chaidh fuasgladh toluene SEBS (80 mg / ml) a shnìomh-chòmhdach air fo-strat SiO2 / Si atharraichte le octadecyltrichlorosilane (OTS) aig 1000 rpm airson 1 mionaid. Faodar am film dielectric tana a ghluasad gu furasta bhon uachdar OTS hydrophobic chun an fo-strat SEBS còmhdaichte leis a’ ghrafein ullaichte. Dh’ fhaodadh capacitor a dhèanamh le bhith a’ tasgadh electrode mullaich meatailt-leaghaidh (EGaIn; Sigma-Aldrich) gus an comas a dhearbhadh mar ghnìomh de strain a’ cleachdadh meatair LCR (inductance, capacitance, resistance) (Agilent). Bha am pàirt eile den transistor air a dhèanamh suas de CNTan leth-ghiùlain air an seòrsachadh le polymer, a’ leantainn nan modhan a chaidh aithris roimhe (53). Chaidh na dealanan stòr/drèanaidh le pàtran a dhèanamh air fo-stratan SiO2/Si cruaidh. Às dèidh sin, chaidh an dà phàirt, dielectric/G/SEBS agus CNTs/G/SiO2/Si le pàtran, a lannachadh ri chèile, agus a bogadh ann am BOE gus an t-fo-strat SiO2/Si cruaidh a thoirt air falbh. Mar sin, chaidh na transistors làn fhollaiseach agus sìnte a dhèanamh. Chaidh an deuchainn dealain fo chuideam a dhèanamh air suidheachadh sìnte làimhe mar an dòigh a chaidh ainmeachadh roimhe.
Tha stuth a bharrachd airson an artaigil seo ri fhaighinn aig http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
figear S1. Dealbhan maicreasgopaidh optaigeach de MGG aon-fhilleadh air fo-stratan SiO2/Si aig diofar mheudachaidhean.
figear S4. Coimeas eadar strì an aghaidh agus tar-chuir dà-dhuilleag-proba @550 nm de ghraifein lom aon-, dà- agus trì-fhilleadh (ceàrnagan dubha), MGG (cearcaill dhearg), agus CNTan (triantan gorm).
figear S7. Atharrachadh àbhaisteach ann an aghaidh MGGan aon- is dà-fhilleadh (dubh) agus G (dearg) fo luchd deformachaidh cearcallach ~1000 suas gu deformachadh co-shìnte 40 agus 90%, fa leth.
figear S10. Ìomhaigh SEM de MGG trì-fhilleadh air elastomer SEBS an dèidh sìneadh, a’ sealltainn crois sgrolaidh fhada thairis air grunn sgàinidhean.
figear S12. Ìomhaigh AFM de MGG trì-fhilleadh air elastomer SEBS glè thana aig 20% deformachaidh, a’ sealltainn gun deach sgrìoban thairis air sgàineadh.
clàr S1. Gluasadachd MGG dà-fhilleadh – transistoran nanotube gualain aon-bhalla aig diofar fhaid seanail ro agus às dèidh strain.
Is e seo artaigil fosgailte a tha air a sgaoileadh fo chumhachan ceadachas Creative Commons Attribution-NonCommercial, a leigeas le cleachdadh, sgaoileadh agus ath-riochdachadh ann am meadhan sam bith, fhad ‘s nach eil an cleachdadh a thig às a sin airson buannachd mhalairteach agus fhad ‘s a tha an obair thùsail air a luaidh gu ceart.
NÒTA: Cha bhith sinn ag iarraidh do sheòladh puist-d ach gus am bi fios aig an neach dha bheil thu a’ moladh na duilleige gu robh thu airson gun fhaiceadh iad e, agus nach e post-sgudail a th’ ann. Cha bhith sinn a’ glacadh seòladh puist-d sam bith.
’S e ceist a tha seo airson deuchainn a dhèanamh a bheil thu nad neach-tadhail daonna no nach eil agus gus casg a chur air cuir a-steach spama fèin-ghluasadach.
Le Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Raibeart Mac na Ceàrdaich, Zhenan Bao
Le Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Raibeart Mac na Ceàrdaich, Zhenan Bao
© 2021 Comann Ameireagaidh airson Adhartachadh Saidheans. Gach còir glèidhte. Tha AAAS na chom-pàirtiche de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef agus COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Àm puist: 28 Faoilleach 2021