Tha stuthan dà-mheudach, leithid graphene, tarraingeach an dà chuid airson tagraidhean leth-chonnsair àbhaisteach agus tagraidhean nascent ann an electronics sùbailte.Ach, tha neart àrd tensile graphene a’ leantainn gu briseadh sìos aig cuideam ìosal, ga fhàgail dùbhlanach brath a ghabhail air na feartan dealanach iongantach aige ann an electronics sìnte.Gus coileanadh sàr-mhath an urra ri cuideam de luchd-stiùiridh graphene follaiseach, chruthaich sinn nanoscrolls graphene eadar sreathan graphene cruachan, ris an canar scrollaichean multilayer graphene / graphene (MGGs).Fo chuideam, chuir cuid de scrollaichean drochaid thairis air na raointean sgapte de graphene gus lìonra percolating a chumail suas a leig le giùlan sàr-mhath aig ìrean àrda.Ghlèidh MGGs trilayer le taic air elastomers 65% den ghiùlan tùsail aca aig strain 100%, a tha ceart-cheàrnach ri stiùireadh sruth sruth, ach cha do ghlèidh filmichean trilayer de graphene gun nanoscrolls ach 25% den ghiùlan tòiseachaidh aca.Sheall transistor gualain sìnte a chaidh a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh MGGn mar electrodan tar-chuir de> 90% agus ghlèidh e 60% den toradh gnàthach tùsail aige aig strain 120% (co-shìnte ri stiùireadh còmhdhail cosgais).Dh’ fhaodadh na transistors gualain làn sìnte agus follaiseach seo comas a thoirt do optoelectronics so-ruigsinneach.
Tha electronics follaiseach so-ruigsinneach na raon a tha a’ sìor fhàs aig a bheil tagraidhean cudromach ann an siostaman bio-amalaichte adhartach (1, 2) a bharrachd air comas a bhith ag amalachadh le optoelectronics sìnte (3, 4) gus innealan-fuadain bog agus taisbeanaidhean a thoirt gu buil.Tha Graphene a’ nochdadh feartan fìor ion-mhiannaichte de thiugh atamach, follaiseachd àrd, agus seoltachd àrd, ach tha a bhuileachadh ann an tagraidhean sìnte air a bhacadh leis gu bheil e buailteach a bhith a’ sgàineadh aig gathan beaga.Le bhith a’ faighinn thairis air crìochan meacanaigeach graphene dh’ fhaodadh comas-gnìomh ùr a chomasachadh ann an innealan follaiseach a ghabhas leudachadh.
Tha feartan sònraichte graphene ga dhèanamh na thagraiche làidir airson an ath ghinealach de eleactraidean giùlain follaiseach (5, 6).An coimeas ris an stiùiriche follaiseach as cumanta, indium tin oxide [ITO;100 ohms / ceàrnagach (ceàrnagach) aig follaiseachd 90%], tha an aon mheasgachadh de dh 'aghaidh duilleag (125 ohms / ceàrnagach) agus follaiseachd (97.4%) (5) aig monolayer graphene air fhàs le tasgadh vapor ceimigeach (CVD).A bharrachd air an sin, tha sùbailteachd iongantach aig filmichean graphene an coimeas ri ITO (7).Mar eisimpleir, air substrate plastaig, faodar a ghiùlan a chumail eadhon airson radius lùbte lùbte cho beag ri 0.8 mm (8).Gus an coileanadh dealain aige mar stiùiriche sùbailte follaiseach a leasachadh, tha obraichean roimhe air stuthan tar-chinealach graphene a leasachadh le nanowires airgid aon-thaobhach (1D) no nanotubes gualain (CNTn) (9-11).A bharrachd air an sin, chaidh graphene a chleachdadh mar electrodes airson semiconductors heterostructural meud measgaichte (leithid 2D bulk Si, 1D nanowires / nanotubes, agus 0D quantum dot ) (12), transistors sùbailte, ceallan grèine, agus diodes sgaoileadh solais (LEDs) (13). -23).
Ged a tha graphene air toraidhean gealltanach a nochdadh airson electronics sùbailte, tha an cleachdadh ann an electronics sìnte air a chuingealachadh leis na feartan meacanaigeach aige (17, 24, 25);tha stiffness in-itealain de 340 N/m aig graphene agus modulus Young de 0.5 TPa (26).Chan eil an lìonra gualain-gualain làidir a’ toirt seachad uidheamachdan sgaoilidh lùtha airson strain gnìomhaichte agus mar sin bidh e furasta a sgàineadh aig cuideam nas lugha na 5%.Mar eisimpleir, chan urrainn dha graphene CVD air a ghluasad gu substrate elastagach polydimethylsiloxane (PDMS) ach a ghiùlan a chumail aig nas lugha na strain 6% (8).Tha àireamhachadh teòiridheach a’ sealltainn gum bu chòir crìonadh agus eadar-chluich eadar diofar shreathan an stiffness a lughdachadh gu làidir (26).Le bhith a’ cruachadh graphene ann an ioma-fhilleadh, thathas ag aithris gu bheil an graphene dà-no trilayer seo comasach a shìneadh gu strain 30%, a’ nochdadh atharrachadh an aghaidh 13 tursan nas lugha na atharrachadh monolayer graphene (27).Ach, tha an comas sìneadh seo fhathast gu math nas ìsle na an luchd-leantainn sìnteil as ùire (28, 29).
Tha transistors cudromach ann an tagraidhean sìnte oir tha iad a’ comasachadh leughadh mothachaidh sòlaimte agus mion-sgrùdadh chomharran (30, 31).Faodaidh transistors air PDMS le graphene multilayer mar dealanan stòr / drèana agus stuth seanail gnìomh dealain a chumail suas gu cuideam 5% (32), a tha gu math nas ìsle na an luach as ìsle a tha a dhìth (~ 50%) airson mothachairean sgrùdaidh slàinte so-ruigsinneach agus craiceann dealanach ( 33, 34).O chionn ghoirid, chaidh dòigh-obrach graphene kirigami a sgrùdadh, agus faodar an transistor le dealan electrolyte leaghaidh a shìneadh gu suas ri 240% (35).Ach, tha an dòigh seo a 'feumachdainn graphene crochte, a tha a' dèanamh iom-fhillte air a 'phròiseas saothrachaidh.
An seo, bidh sinn a’ coileanadh innealan graphene a tha gu math sìnte le bhith ag eadar-ghabhail scrollaichean graphene (~ 1 gu 20 μm fada, ~ 0.1 gu 1 μm de leud, agus ~ 10 gu 100 nm àrd) eadar sreathan graphene.Tha sinn a’ smaoineachadh gum faodadh na scrollaichean graphene sin slighean giùlain a thoirt seachad gus sgàinidhean a dhùnadh anns na duilleagan graphene, agus mar sin a’ cumail àrd-ghiùlan fo chuideam.Chan fheum na scrollaichean graphene synthesis no pròiseas a bharrachd;tha iad air an cruthachadh gu nàdarra tron phròiseas gluasaid fliuch.Le bhith a’ cleachdadh scrollaichean multilayer G / G (graphene / graphene) (MGGs) dealanan sìnte graphene (stòr / drèana agus geata) agus CNTn leth-chonnsair, bha e comasach dhuinn transistors gualain làn-fhollaiseach agus làn sìnte a nochdadh, a dh’ fhaodar a shìneadh gu 120 % strain (co-shìnte ri stiùireadh còmhdhail cosgais) agus cùm 60% den toradh gnàthach tùsail aca.Is e seo an transistor follaiseach stèidhichte air gualain gu ruige seo, agus tha e a’ toirt seachad sruth gu leòr gus LED neo-organach a dhràibheadh.
Gus dealanan graphene soilleir farsaing a dhèanamh comasach, thagh sinn graphene fàs CVD air Cu foil.Chaidh an Cu foil a chuir dheth ann am meadhan tiùb quartz CVD gus leigeil le graphene fàs air gach taobh, a’ cruthachadh structaran G / Cu / G.Gus graphene a ghluasad, chuir sinn còmhdach tana de poly (methyl methacrylate) (PMMA) an-toiseach gus aon taobh den graphene a dhìon, a dh ’ainmich sinn graphene topside (a chaochladh airson taobh eile an graphene), agus às deidh sin, an film slàn (PMMA / top graphene / Cu / graphene bun) air a bogadh ann am fuasgladh (NH4) 2S2O8 gus am foil Cu a thoirt air falbh.Tha e do-sheachanta gum bi sgàinidhean agus uireasbhaidhean air a’ graphene aig a’ bhonn às aonais còmhdach PMMA a leigeas le euchdan a dhol troimhe (36, 37).Mar a chithear ann am Fig. 1A, fo bhuaidh teannachadh uachdar, chaidh na raointean graphene a chaidh a leigeil ma sgaoil a-steach do scrollaichean agus an uairsin ceangailte ris an fhilm top-G/PMMA a bha air fhàgail.Faodar na scrollaichean top-G / G a ghluasad gu substrate sam bith, leithid SiO2 / Si, glainne, no polymer bog.Le bhith ag ath-aithris a’ phròiseas gluasaid seo grunn thursan air an aon fho-strat bheir sin structaran MGG.
(A) Dealbh sgeamach den mhodh saothrachaidh airson MGGn mar dealan sìnte.Rè an gluasad graphene, backside graphene air Cu foil chaidh a bhriseadh aig crìochan agus uireasbhaidhean, a roiligeadh suas ann an cumaidhean neo-riaghailteach, agus ceangailte gu teann air na filmichean àrda, a 'cruthachadh nanoscrolls.Tha an ceathramh cartùn a’ sealltainn structar cruaidh MGG.(B agus C) Feartan TEM àrd-rèiteachaidh de monolayer MGG, le fòcas air an monolayer graphene (B) agus an roinn scrollaidh (C), fa leth.Is e ìomhaigh meudachaidh ìosal a th’ ann an inset (B) a tha a’ sealltainn morf-eòlas iomlan monolayer MGGs air a’ ghriod TEM.Is e insets de (C) na pròifilean dian a chaidh a thogail air na 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 carbon K-iomall EEL leis na stùcan grafaigeach àbhaisteach π * agus σ * air an ainmeachadh.(E) Ìomhaigh AFM roinneil de scrollaichean monolayer G / G le ìomhaigh àirde air an loidhne dotagach buidhe.(F gu I) Microscopaidh optigeach agus ìomhaighean AFM s de trilayer G às aonais (F agus H) agus le scrollaichean (G agus I) air substrates SiO2 / Si 300-nm-tiugh, fa leth.Chaidh bileagan riochdachail agus wrinkles a chomharrachadh gus na h-eadar-dhealachaidhean aca a chomharrachadh.
Gus dearbhadh gu bheil na scrollaichean air an roiligeadh le graphene ann an nàdar, rinn sinn sgrùdaidhean speactroscopaidh electron tar-chuir àrd-rùn (TEM) agus call lùth dealanach (EEL) air na structaran scrollaidh monolayer top-G / G.Tha Figear 1B a’ sealltainn structar sia-thaobhach graphene monolayer, agus tha an inset na morphology iomlan den fhilm air a chòmhdach air aon tholl gualain den ghriod TEM.Tha am monolayer graphene a 'dol thairis air a' mhòr-chuid den ghriod, agus tha cuid de bhratagan graphene an làthair ioma cruachan de fhàinneachan sia-thaobhach a 'nochdadh (Fig. 1B).Le bhith a’ gluasad a-steach gu scrolla fa-leth (Fig. 1C), chunnaic sinn tòrr iomaill leusair graphene, le farsaingeachd an leusair eadar 0.34 is 0.41 nm.Tha na tomhais sin a’ nochdadh gu bheil na flakes air an roiligeadh suas air thuaiream agus nach eil iad nan grafait foirfe, aig a bheil farsaingeachd de 0.34 nm ann an cruachadh còmhdach “ABAB”.Tha Figear 1D a’ sealltainn an speactram carbon K-iomall EEL, far a bheil an stùc aig 285 eV a’ tighinn bhon orbital π * agus am fear eile timcheall air 290 eV mar thoradh air gluasad an orbital σ *.Chithear gur e ceangal sp2 a tha làmh an uachdair san structar seo, a’ dearbhadh gu bheil na scrollaichean gu math grafaigeach.
Bidh ìomhaighean microscopaidh optigeach agus microscopy feachd atamach (AFM) a’ toirt sealladh dhuinn air cuairteachadh nanoscrolls graphene anns na MGGs (Fig. 1, E gu G, agus figean. S1 agus S2).Tha na scrollaichean air an cuairteachadh air thuaiream thairis air an uachdar, agus tha an dùmhlachd in-itealain aca ag àrdachadh a rèir an àireamh de shreathan air an cruachadh.Tha mòran scrollaichean ceangailte ri snaidhmean agus a’ taisbeanadh àirdean neo-èideadh anns an raon de 10 gu 100 nm.Tha iad 1 gu 20 μm de dh'fhaid agus 0.1 gu 1 μm de leud, a rèir meud nam flakes graphene tùsail aca.Mar a chithear ann am Fig. 1 (H agus I), tha meudan gu math nas motha aig na scrollaichean na na wrinkles, a’ leantainn gu eadar-aghaidh tòrr nas garbh eadar sreathan graphene.
Gus na feartan dealain a thomhas, rinn sinn pàtranan de fhilmichean graphene le no às aonais structaran scrollaidh agus còmhdach a’ cruachadh a-steach do stiallan 300-μm de leud agus 2000-μm-fada a’ cleachdadh photolithography.Chaidh strì an aghaidh dà-sgrùdadh mar ghnìomh strain a thomhas fo chumhachan àrainneachd.Lùghdaich làthaireachd scrollaichean an resistivity airson monolayer graphene le 80% le dìreach lùghdachadh 2.2% anns an tar-chuir (fig. S4).Tha seo a’ dearbhadh gu bheil nanoscrolls, aig a bheil dùmhlachd sruth àrd suas gu 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), a’ cur gu mòr ris na MGGn dealain.Am measg a h-uile graphene plain mono-, bi-, agus trilayer agus MGG, tha an giùlan as fheàrr aig an trilayer MGG le follaiseachd faisg air 90%.Gus coimeas a dhèanamh ri tobraichean graphene eile a chaidh aithris anns an litreachas, thomhais sinn cuideachd frith-rathaidean ceithir-deuchainn (fig. S5) agus liostaich sinn iad mar ghnìomh tar-chuir aig 550 nm (fig. S6) ann am Fig. 2A.Tha MGG a’ nochdadh giùlan agus follaiseachd coimeasach no nas àirde na graphene sìmplidh ioma-fhillte air a chruachadh gu h-ealanta agus graphene oxide lùghdaichte (RGO) (6, 8, 18).Thoir an aire gu bheil an aghaidh duilleag de graphene sìmplidh ioma-fhilleadh air a chruachadh gu h-ealanta bhon litreachas beagan nas àirde na an MGG againn, is dòcha air sgàth an suidheachadh fàis neo-leasaichte agus an dòigh gluasaid.
(A) Frithealadh duilleag ceithir-dearbhaidh an aghaidh tar-chuir aig 550 nm airson grunn sheòrsaichean de graphene, far a bheil ceàrnagan dubha a’ comharrachadh MGGn mono-, dà-, agus trilayer;tha cearcallan dearga agus triantanan gorm a’ freagairt ri graphene sìmplidh ioma-fhilleadh a chaidh fhàs air Cu agus Ni bho sgrùdaidhean Li et al.(6) agus Kim et al.(8), fa leth, agus an uairsin air a ghluasad gu SiO2 / Si no quartz;agus tha triantanan uaine nan luachan airson RGO aig diofar ìrean lughdachadh bho sgrùdadh Bonaccorso et al.(18).(B agus C) Atharrachadh an aghaidh àbhaisteach de mono-, dà- agus trilayer MGGs agus G mar ghnìomh de perpendicular (B) agus co-shìnte (C) strain gu stiùireadh sruth sruth.(D) Atharrachadh an aghaidh àbhaisteach de bilayer G (dearg) agus MGG (dubh) fo chuideam cearcallach a ’luchdachadh suas ri 50% cuideam ceart-cheàrnach.(E) Atharrachadh an aghaidh àbhaisteach de trilayer G (dearg) agus MGG (dubh) fo chuideam cearcallach a ’luchdachadh suas ri cuideam co-shìnte 90%.(F) Atharrachadh capacitance àbhaisteach de MGG mono-, dà- agus trilayer G agus dà- agus trilayer mar ghnìomh teannachaidh.Is e an inset an structar capacitor, far a bheil an substrate polymer SEBS agus is e an còmhdach dielectric polymer an SEBS 2-μm-tiugh.
Gus coileanadh an MGG a tha an urra ri cuideam a mheasadh, ghluais sinn graphene gu substrates elastomer thermoplastic styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~ 2 cm de leud agus ~ 5 cm a dh’ fhaid), agus chaidh an giùlan a thomhas mar a chaidh an substrate a shìneadh. (faic Stuthan agus Dòighean) an dà chuid ceart-cheàrnach agus co-shìnte ri stiùireadh sruth sruth (Fig. 2, B agus C).Thàinig piseach air giùlan dealain a bha an urra ri cuideam le bhith a’ toirt a-steach nanoscrolls agus barrachd sreathan de graphene.Mar eisimpleir, nuair a tha cuideam ceart-cheàrnach ri sruthadh gnàthach, airson monolayer graphene, le bhith a’ cur scrollaichean a-steach mheudaich an cuideam aig briseadh dealain bho 5 gu 70%.Tha fulangas strain an graphene trilayer cuideachd air a leasachadh gu mòr an taca ris an monolayer graphene.Le nanoscrolls, aig cuideam ceart-cheàrnach 100%, cha do mheudaich strì structar trilayer MGG ach 50%, an coimeas ri 300% airson graphene trilayer gun scrollaichean.Chaidh sgrùdadh a dhèanamh air atharrachadh an aghaidh fo luchdachadh cuideam cearcallach.Airson coimeas a dhèanamh (Fig. 2D), mheudaich an aghaidh film graphene bilayer soilleir mu 7.5 uair às deidh ~ 700 cearcall aig 50% perpendicular strain agus air a chumail suas le cuideam anns gach cearcall.Air an làimh eile, cha do mheudaich an aghaidh MGG bilayer ach mu 2.5 uair às deidh ~ 700 cearcall.Le bhith a’ cur cuideam suas ri 90% air an taobh co-shìnte, mheudaich strì an aghaidh graphene trilayer ~ 100 uair às deidh 1000 cearcall, ach chan eil e ach ~8 tursan ann an trilayer MGG (Fig. 2E).Tha toraidhean rothaireachd air an sealltainn ann am fige.S7.Tha an àrdachadh an ìre mhath nas luaithe ann an strì air an t-slighe strain co-shìnte air sgàth gu bheil stiùireadh sgàinidhean ceart-cheàrnach ri stiùireadh sruthadh sruth.Tha an gluasad an aghaidh rè cuideam luchdachadh is luchdachadh sìos mar thoradh air faighinn air ais viscoelastic de substrate elastomer SEBS.Tha an strì nas seasmhaiche de na stiallan MGG aig àm rothaireachd mar thoradh air gu bheil scrollaichean mòra ann a dh’ fhaodas na pàirtean sgàinte den graphene a dhùnadh (mar a tha e follaiseach le AFM), a’ cuideachadh le bhith a’ cumail slighe sìolachaidh.Thathas air aithris roimhe seo air an iongantas seo de bhith a’ cumail giùlan tro shlighe sìolachaidh airson filmichean meatailt sgàinte no semiconductor air substrates elastomer (40, 41).
Gus measadh a dhèanamh air na filmichean sin stèidhichte air graphene mar dealanan geata ann an innealan sìnte, chòmhdaich sinn an còmhdach graphene le còmhdach dielectric SEBS (2 μm tiugh) agus rinn sinn sùil air an atharrachadh capacitance dielectric mar ghnìomh srann (faic Fig. 2F agus na Stuthan Leasachail airson mion-fhiosrachadh).Chunnaic sinn gun lughdaich comasan le dealanan monolayer sìmplidh agus bilayer graphene gu sgiobalta air sgàth call giùlan graphene a-staigh.An coimeas ri sin, sheall comasan le MGGn a bharrachd air graphene trilayer sìmplidh àrdachadh ann an comas le cuideam, ris a bheil dùil mar thoradh air lughdachadh ann an tiugh dielectric le cuideam.Bha an àrdachadh ris an robh dùil ann an comas a’ maidseadh gu math ri structar MGG (fig. S8).Tha seo a’ nochdadh gu bheil MGG freagarrach mar electrod geata airson transistors sìnte.
Gus tuilleadh sgrùdaidh a dhèanamh air àite an scrollaidh graphene 1D air fulangas cuideam giùlan dealain agus smachd nas fheàrr a chumail air an dealachadh eadar sreathan graphene, chleachd sinn CNTs le còmhdach spraeraidh gus na scrollaichean graphene a chuir an àite (faic Stuthan Leasachail).Gus atharrais a dhèanamh air structaran MGG, thaisg sinn trì dùmhlachd de CNTn (is e sin, CNT1
(A gu C) Ìomhaighean AFM de thrì diofar dhùmhlachd CNT (CNT1
Gus barrachd tuigse fhaighinn air an comas mar electrodes airson electronics sìnte, rinn sinn sgrùdadh eagarach air morf-eòlasan MGG agus G-CNT-G fo chuideam.Chan eil microscopy optigeach agus sganadh microscopy dealanach (SEM) nan dòighean comharrachaidh èifeachdach leis gu bheil an dà chuid dìth eadar-dhealachadh dath agus tha SEM fo ùmhlachd stuthan ìomhaigh rè sganadh dealanach nuair a tha graphene air substrates polymer (figs. S9 agus S10).Gus sùil a thoirt air uachdar graphene fo chuideam, chruinnich sinn tomhasan AFM air MGGs trilayer agus graphene sìmplidh às deidh dhuinn gluasad gu substrates SEBS tana (~ 0.1 mm tiorma) agus elastagach.Mar thoradh air na h-uireasbhaidhean gnèitheach ann an CVD graphene agus milleadh taobh a-muigh tron phròiseas gluasaid, tha e do-sheachanta gu bheil sgàinidhean air an cruthachadh air a’ graphene le cuideam, agus le barrachd cuideam, dh’ fhàs na sgàinidhean nas dùmhail (Fig. 4, A gu D).A rèir structar cruachan nan electrodan stèidhichte air gualain, tha na sgàinidhean a 'nochdadh diofar morphologies (fig. S11) (27).Tha dùmhlachd sgìre crack (air a mhìneachadh mar raon sgàineadh / raon sgrùdaichte) de graphene multilayer nas ìsle na an ìre de monolayer graphene às deidh strain, a tha co-chòrdail ris an àrdachadh ann an seoltachd dealain airson MGGn.Air an làimh eile, thathas gu tric a’ coimhead air scrollaichean gus na sgàinidhean a dhùnadh, a’ toirt seachad slighean giùlain a bharrachd anns an fhilm le cuideam.Mar eisimpleir, mar a chaidh a chomharrachadh ann an ìomhaigh Fig. 4B, chaidh scroll farsaing thairis air sgàineadh anns an trilayer MGG, ach cha deach scroll fhaicinn anns a’ ghrafene shìmplidh (Fig. 4, E gu H).San aon dòigh , chuir CNTn casg air na sgàinidhean ann an graphene (fig. S11).Tha geàrr-chunntas ann am Fig.
(A gu H) Ìomhaighean AFM in situ de scrollaichean G / G trilayer (A gu D) agus structaran trilayer G (E gu H) air elastomer SEBS gu math tana (~ 0.1 mm tiorma) aig 0, 20, 60, agus 100 % srian.Tha sgàinidhean riochdachail agus scrollaichean air an comharrachadh le saighdean.Tha na h-ìomhaighean AFM gu lèir ann an raon de 15 μm × 15 μm, a’ cleachdadh an aon bhàr sgèile dath mar a tha air a chomharrachadh.(I) Geoimeatraidh atharrais air dealanan graphene monolayer le pàtran air substrate SEBS.(J) Mapa contour atharrais den phrìomh shreath logarithmach as àirde anns an monolayer graphene agus an substrate SEBS aig cuideam taobh a-muigh 20%.(K) Coimeas eadar dùmhlachd sgìre sgàineadh (colbh dearg), dùmhlachd sgìre scrollaidh (colbh buidhe), agus garbh uachdar (colbh gorm) airson diofar structaran graphene.
Nuair a thèid na filmichean MGG a shìneadh, tha inneal cudromach a bharrachd ann gus an urrainn dha na scrollaichean raointean sgàinte de graphene a dhùnadh, a’ cumail lìonra percolating.Tha na scrollaichean graphene gealltanach leis gum faod iad a bhith deichean de mhicrimeters de dh’ fhaid agus mar sin comasach air sgàinidhean a thogail a tha mar as trice suas ri sgèile micrometer.A bharrachd air an sin, leis gu bheil na scrollaichean air an dèanamh suas de ioma-fhilleadh de graphene, thathas an dùil gum bi neart ìosal aca.An coimeas ri sin, tha feum air lìonraidhean CNT a tha 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 mhicrometers de dh’ fhaid) agus nas giùlain na scrollaichean.Air an làimh eile, mar a chithear ann am fige.S12, fhad ‘s a bhios an graphene a’ sgàineadh fhad ‘s a tha iad a’ sìneadh gus gabhail ri cuideam, chan eil na scrollaichean a ’sgàineadh, a’ nochdadh gum faodadh an tè mu dheireadh a bhith a ’sleamhnachadh air a’ graphene bunaiteach.Tha e coltach gur e an adhbhar nach bi iad a’ sgàineadh mar thoradh air an structar rollaichte, air a dhèanamh suas de iomadh sreathan de graphene (~ 1 gu 2 0 μm fada, ~ 0.1 gu 1 μm de leud, agus ~ 10 gu 100 nm àrd), aig a bheil modulus èifeachdach nas àirde na an graphene aon-fhillte.Mar a chaidh aithris le Green agus Hersam (42), faodaidh lìonraidhean CNT meitabileach (trast-thomhas tiùb de 1.0 nm) strì an aghaidh duilleag ìosal <100 ohms/sq a choileanadh a dh’ aindeoin an aghaidh mòr snaim eadar CNTn.Leis gu bheil leudan 0.1 gu 1 μm aig na scrollaichean graphene againn agus gu bheil raointean conaltraidh tòrr nas motha aig na scrollaichean G / G na CNTn, cha bu chòir an aghaidh conaltraidh agus an raon conaltraidh eadar scrollaichean graphene agus graphene a bhith a’ cuingealachadh factaran gus àrd-ghiùlain a chumail suas.
Tha modulus mòran nas àirde aig an graphene na an substrate SEBS.Ged a tha tiugh èifeachdach an electrod graphene mòran nas ìsle na an t-substrate, tha stiffness amannan graphene an coimeas ri tiugh an t-substrate (43, 44), a’ leantainn gu buaidh meadhanach teann-eilean.Rinn sinn atharrais air deformachadh graphene 1-nm-tiugh air substrate SEBS (faic Stuthan Leasachail airson mion-fhiosrachadh).A rèir toraidhean an atharrais, nuair a thèid strain 20% a chuir air substrate SEBS air an taobh a-muigh , is e an cuideam cuibheasach anns a’ graphene ~ 6.6% (Fig. 4J agus fig. S13D), a tha co-chòrdail ri beachdan deuchainneach (faic fig. S13). .Rinn sinn coimeas eadar an cuideam anns na roinnean le pàtran graphene agus substrate a’ cleachdadh microscopy optigeach agus lorg sinn gu robh an cuideam ann an roinn an t-substrate co-dhiù dà uair nas motha na an ìre ann an roinn graphene.Tha seo a’ nochdadh gum faodadh an cuideam a chuirear air pàtrain electrode graphene a bhith air a chuingealachadh gu mòr, a’ cruthachadh eileanan stiff graphene a bharrachd air SEBS (26, 43, 44).
Mar sin, tha e coltach gu bheil comas electrodes MGG gus seoltachd àrd a chumail fo chuideam àrd air a chomasachadh le dà phrìomh uidheamachd: (i) Faodaidh na scrollaichean drochaidean a dhèanamh eadar roinnean neo-cheangailte gus slighe sìolachaidh giùlain a chumail, agus (ii) faodaidh na duilleagan graphene multilayer / elastomer sleamhnachadh. thairis air a chèile, a’ leantainn gu cuideam nas lugha air electrodan graphene.Airson grunn shreathan de graphene air a ghluasad air elastomer, chan eil na sreathan ceangailte gu làidir ri chèile, a dh ’fhaodadh sleamhnachadh mar fhreagairt air cuideam (27).Mheudaich na scrollaichean cuideachd garbh nan sreathan graphene, a dh’ fhaodadh cuideachadh le bhith ag àrdachadh an dealachaidh eadar sreathan graphene agus mar sin a ’comasachadh sleamhnachadh nan sreathan graphene.
Thathas gu dealasach a’ leantainn innealan gualain air sgàth cosgais ìosal agus gluasad àrd.Anns a’ chùis againn, chaidh transistors gualain a dhèanamh le bhith a’ cleachdadh geata graphene aig a’ bhonn, prìomh thobar graphene/conaltradh drèana, semiconductor CNT eagraichte, agus SEBS mar dielectric (Fig. 5A).Mar a chithear ann am Fig. 5B, tha inneal uile-charbon le CNTn mar an stòr/drain agus geata (inneal bun) nas neo-shoilleir na an inneal le dealanan graphene (inneal àrd).Tha seo air sgàth gu bheil lìonraidhean CNT a’ feumachdainn tiugh nas motha agus, mar thoradh air sin, tar-chuir optigeach nas ìsle gus dìonan duilleag coltach ris an fheadhainn aig graphene (fig. S4).Tha Figear 5 (C agus D) a’ sealltainn tar-chuir riochdachail agus lùban toraidh ro strain airson transistor air a dhèanamh le dealanan MGG bilayer.B’ e leud an t-seanail agus fad an transistor gun srian 800 agus 100 μm, fa leth.Tha an co-mheas air / dheth air a thomhas nas àirde na 103 le sruthan air agus dheth aig ìrean 10−5 agus 10−8 A, fa leth.Tha an lùb toraidh a’ nochdadh rèiteachaidhean sreathach agus sùghaidh air leth math le eisimeileachd soilleir air bholtadh geata, a’ nochdadh deagh cheangal eadar CNTn agus dealanan graphene (45).Bhathas den bheachd gu robh an aghaidh conaltraidh le electrodan graphene nas ìsle na an aghaidh film Au air a ghluasad (faic fig. S14).Tha gluasad sùghaidh an transistor sìnte timcheall air 5.6 cm2 / Vs, coltach ris an fhear aig na h-aon transistors CNT a tha air an rèiteachadh le polymer air substrates Si cruaidh le 300-nm SiO2 mar shreath dielectric.Tha e comasach tuilleadh leasachaidh a dhèanamh air gluasad le dùmhlachd tiùba làn-leasaichte agus seòrsachan eile de phìoban (46).
(A) Sgeama transistor sìnte stèidhichte air graphene.SWNTs, nanotubes gualain aon-bhalla.(B) Dealbh de na transistors sìnte air an dèanamh le electrodan graphene (mullach) agus dealanan CNT (bonn).Tha an eadar-dhealachadh ann an soilleireachd follaiseach.(C agus D) Cur thairis agus lùban toraidh den transistor stèidhichte air graphene air SEBS mus cuir thu cuideam.(E agus F) Cuir thairis lùban, air agus dheth sruth, co-mheas air / dheth, agus gluasad an transistor stèidhichte air graphene aig diofar shreathan.
Nuair a chaidh an inneal follaiseach, uile-gualain a shìneadh chun an taobh co-shìnte ris an stiùireadh còmhdhail cosgais, chaidh glè bheag de mhilleadh fhaicinn suas ri cuideam 120%.Rè sìneadh, chaidh an gluasad sìos gu leantainneach bho 5.6 cm2/Vs aig strain 0% gu 2.5 cm2 / Vs aig strain 120% (Fig. 5F).Rinn sinn coimeas cuideachd air coileanadh transistor airson diofar fhaid seanail (faic clàr S1).Gu sònraichte, aig cuideam cho mòr ri 105%, bha na transistors sin uile fhathast a’ taisbeanadh co-mheas àrd air / dheth (> 103) agus gluasad (> 3 cm2 / Vs).A bharrachd air an sin, thug sinn geàrr-chunntas air an obair a rinn sinn o chionn ghoirid air transistors uile-gualain (faic clàr S2) (47–52).Le bhith a’ dèanamh an fheum as fheàrr de dh’ innealan air elastomers agus a’ cleachdadh MGGn mar luchd-ceangail, tha na transistors uile-gualain againn a’ nochdadh deagh choileanadh a thaobh gluasad agus hysteresis a bharrachd air a bhith gu math sìnte.
Mar chleachdadh air an transistor làn fhollaiseach agus sìnte, chleachd sinn e airson smachd a chumail air tionndadh LED (Fig. 6A).Mar a chithear ann am Fig. 6B, chithear an LED uaine gu soilleir tron inneal gualain so-sìnte a tha air a chuir dìreach gu h-àrd.Fhad 'sa tha e a' sìneadh gu ~100% (Fig. 6, C agus D), chan eil an dian solais LED ag atharrachadh, a tha co-chòrdail ri coileanadh an transistor a chaidh a mhìneachadh gu h-àrd (faic film S1).Is e seo a’ chiad aithisg air aonadan smachd sìnte a chaidh a dhèanamh a’ cleachdadh electrodes graphene, a’ nochdadh comas ùr airson electronics sìnte le graphene.
(A) Cuairt transistor gus LED a dhràibheadh.GND, talamh.(B) Dealbh den transistor gualain sìnte agus follaiseach aig strain 0% air a chuir suas os cionn LED uaine.(C) Tha an transistor uile-gualain follaiseach agus sìnte a chleachdar gus an LED a thionndadh ga chuir suas os cionn an LED aig 0% (clì) agus ~ strain 100% (deas).Bidh saighdean geal a’ comharrachadh mar na comharran buidhe air an inneal gus sealltainn an atharrachadh astar a thathas a’ sìneadh.(D) Sealladh taobh den transistor sìnte, leis an LED air a phutadh a-steach don elastomer.
Ann an co-dhùnadh, tha sinn air structar graphene giùlain follaiseach a leasachadh a chumas seoltachd àrd fo shreathan mòra mar eleactrothan sìnte, air a chomasachadh le nanoscrolls graphene eadar sreathan graphene cruachan.Faodaidh na structaran dealanach MGG dà- agus trilayer seo air elastomer 21 agus 65%, fa leth, de na giùlain strain 0% aca a chumail aig cuideam cho àrd ri 100%, an coimeas ri call iomlan de ghiùlan aig cuideam 5% airson electrodes 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 giùlain nas fheàrr fo chuideam.Chuir sinn an structar graphene seo an sàs ann a bhith a’ dèanamh transistors sìnte uile-gualain.Gu ruige seo, is e seo an transistor stèidhichte air graphene as sìmplidh leis an soilleireachd as fheàrr gun a bhith a’ cleachdadh buckling.Ged a chaidh an sgrùdadh làithreach a dhèanamh gus graphene a dhèanamh airson electronics sìnte, tha sinn den bheachd gun gabh an dòigh-obrach seo a leudachadh gu stuthan 2D eile gus electronics 2D sìnte a dhèanamh comasach.
Chaidh graphene CVD sgìre mhòr fhàs air foils 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-ruitheadairean aig 1000 ° C.Bha gach taobh den chu foil còmhdaichte le monolayer graphene.Chaidh sreath tana de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) a chòmhdach le snìomh air aon taobh den Cu foil, a ’cruthachadh structar PMMA / G / Cu foil / G.às deidh sin, chaidh am film gu lèir a bogadh ann am fuasgladh 0.1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] airson timcheall air 2 uair gus an Cu foil a thoirt air falbh.Tron phròiseas seo, reub an graphene backside gun dìon an-toiseach air crìochan a’ ghràin agus an uairsin air a roiligeadh suas gu scrollaichean air sgàth teannachadh uachdar.Chaidh na scrollaichean a cheangal ris an fhilm graphene àrd le taic PMMA, a’ cruthachadh scrollaichean PMMA / G / G.Chaidh na filmichean an uairsin a nighe ann an uisge deionized grunn thursan agus an cur air substrate targaid, leithid SiO2 / Si cruaidh no substrate plastaig.Cho luath ‘s a thiormaich am film ceangailte air an t-substrate, chaidh an sampall a bogadh ann an sreath ann an acetone, 1: 1 acetone / IPA (alcool isopropyl), agus IPA airson 30 s 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 tron oidhche gus an uisge glaiste a thoirt air falbh gu tur mus deach sreath eile de scroll G / G a ghluasad air.Bha an ceum seo gus film graphene a sheachnadh bhon t-substrate agus dèanamh cinnteach à làn chòmhdach de MGGn nuair a chaidh còmhdach giùlan PMMA a leigeil ma sgaoil.
Chaidh morf-eòlas structar MGG fhaicinn a’ cleachdadh miocroscop optigeach (Leica) agus miocroscop dealanach sganaidh (1 kV; FEI).Chaidh miocroscop feachd atamach (Nanoscope III, Ionnsramaid Didseatach) obrachadh ann am modh tapadh gus sùil a thoirt air mion-fhiosrachadh nan scrollaichean G.Chaidh follaiseachd film a dhearbhadh le spectrometer ultraviolet-fhaicsinneach (Agilent Cary 6000i).Airson na deuchainnean nuair a bha an cuideam a rèir stiùireadh ceart-cheàrnach an t-sruth srutha, chaidh photolithography agus plasma O2 a chleachdadh gus structaran graphene a dhealbhadh gu stiallan (~ 300 μm de leud agus ~ 2000 μm de dh'fhaid), agus chaidh dealanan Au (50 nm) a thasgadh gu teirmeach a’ cleachdadh. masgaichean dubhar aig gach ceann den taobh fhada.Chaidh na stiallan graphene an uairsin a chuir an conaltradh ri elastomer SEBS (~ 2 cm de leud agus ~ 5 cm a dh’ fhaid), le axis fhada nan stiallan co-shìnte ri taobh ghoirid SEBS air a leantainn le BOE (eth buffered oxide) (HF: H2O). 1: 6) spealadh agus eutectic gallium indium (EGaIn) mar cheangalaichean dealain.Airson deuchainnean strain co-shìnte, chaidh structaran graphene gun phàtran (~ 5 × 10 mm) a ghluasad gu substrates SEBS, le tuaghan fada co-shìnte ri taobh fhada substrate SEBS.Airson an dà chùis, chaidh an G gu lèir (às aonais scrollaichean G) / SEBS a shìneadh air taobh fhada an elastomer ann an inneal làimhe, agus an àite sin, thomhais sinn na h-atharrachaidhean strì aca fo chuideam air stèisean probe le anailisiche leth-chonnsair (Keithley 4200). -SCS).
Chaidh na transistors gualain làn sìnte agus follaiseach air substrate elastagach a dhèanamh leis na modhan a leanas gus milleadh fuasglaidh organach den polymer dielectric agus substrate a sheachnadh.Chaidh structaran MGG a ghluasad gu SEBS mar dealanan geata.Gus còmhdach dielectric polymer film tana èideadh (2 μm tiugh) fhaighinn, chaidh fuasgladh SEBS toluene (80 mg / ml) a chòmhdach le snìomh air substrate octadecyltrichlorosilane (OTS) - SiO2 / Si atharraichte aig 1000 rpm airson 1 min.Faodar am film dielectric tana a ghluasad gu furasta bho uachdar hydrophobic OTS gu substrate SEBS air a chòmhdach leis an graphene mar a chaidh ullachadh.Dh’ fhaodadh capacitor a bhith air a dhèanamh le bhith a’ tasgadh dealan-mheatailt leaghaidh (EGaIn; Sigma-Aldrich) gus faighinn a-mach an comas mar ghnìomh srann a’ cleachdadh meatair LCR (inntrigeadh, capacitance, strì) (Agilent).Bha am pàirt eile den transistor air a dhèanamh suas de CNTn semiconducting seòrsa polymer, a’ leantainn nam modhan a chaidh aithris roimhe (53).Chaidh na dealanan stòr / drèanaidh le pàtran a dhèanamh air fo-stratan cruaidh SiO2 / Si.Às deidh sin, chaidh an dà phàirt, dielectric / G / SEBS agus CNTs / G / SiO2 / Si le pàtran, a lannachadh ri chèile, agus am bogadh ann am BOE gus an t-substrate teann SiO2 / Si 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 sìneadh làimhe mar an dòigh a chaidh ainmeachadh.
Tha stuth a bharrachd airson an artaigil seo ri fhaighinn aig http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fige.S1.Ìomhaighean microscopy optigeach de monolayer MGG air substrates SiO2 / Si aig diofar mheudan.
fige.S4.Coimeas eadar strì an aghaidh duilleag dà-dheuchainn agus tar-chuir @550 nm de graphene plain mono-, dà- agus trilayer (ceàrnagan dubha), MGG (cearcallan dearga), agus CNTn (triantan gorm).
fige.S7.Atharrachadh an aghaidh àbhaisteach de MGGs mono- agus bilayer (dubh) agus G (dearg) fo ~ 1000 strain cearcallach a ’luchdachadh suas ri 40 agus 90% strain co-shìnte, fa leth.
fige.S10.Ìomhaigh SEM de trilayer MGG air SEBS elastomer às deidh cuideam, a’ sealltainn crois scrollaidh fada thairis air grunn sgàinidhean.
fige.S12.Ìomhaigh AFM de trilayer MGG air elastomer SEBS gu math tana aig strain 20%, a’ sealltainn gun deach scrolla thairis air sgàineadh.
clàr S1.Gluasadan transistors nanotube gualain dà-thaobhach MGG - balla singilte aig diofar fhaid seanail ro agus às deidh strain.
Is e artaigil ruigsinneachd fosgailte a tha seo air a chuairteachadh fo chumhachan cead Creative Commons Attribution-NonCommercial, a tha a’ ceadachadh cleachdadh, cuairteachadh, agus ath-riochdachadh ann am meadhan sam bith, fhad ‘s nach eil an cleachdadh mar thoradh air airson buannachd malairteach agus cho fad‘ s a tha an obair thùsail ceart. air a ghairm.
NOTA: Chan iarr sinn ach do sheòladh puist-d gus am bi fios aig an neach a tha thu a’ moladh na duilleige gu robh thu airson gum faiceadh iad i, agus nach e post sgudail a th’ ann.Cha bhith sinn a’ glacadh seòladh puist-d sam bith.
Tha a’ cheist seo airson deuchainn a bheil thu nad neach-tadhail daonna no nach eil agus gus casg a chuir air tagraidhean spam 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.Còraichean uile glèidhte.Tha AAAS na chom-pàirtiche de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef agus COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Ùine puist: Faoilleach-28-2021