ულტრაგამჭვირვალე და გაჭიმვადი გრაფენის ელექტროდები

ორგანზომილებიანი მასალები, როგორიცაა გრაფენი, მიმზიდველია როგორც ტრადიციული ნახევარგამტარული აპლიკაციებისთვის, ასევე მოქნილ ელექტრონიკაში ახლადშექმნილი აპლიკაციებისთვის. თუმცა, გრაფენის მაღალი დაჭიმვის სიმტკიცე იწვევს მსხვრევას დაბალი დეფორმაციის დროს, რაც ართულებს მისი არაჩვეულებრივი ელექტრონული თვისებების გამოყენებას გაჭიმვად ელექტრონიკაში. გამჭვირვალე გრაფენის გამტარების დეფორმაციაზე დამოკიდებული შესანიშნავი მუშაობის უზრუნველსაყოფად, ჩვენ შევქმენით გრაფენის ნანოსკორპუსები დაწყობილ გრაფენის ფენებს შორის, რომლებსაც მრავალშრიანი გრაფენი/გრაფენის სპირალები (MGG) ეწოდება. დეფორმაციის დროს, ზოგიერთმა სპირალმა გრაფენის ფრაგმენტირებულ დომენებს შორის ხიდი დააკავშირა, რათა შეენარჩუნებინა ფილტრაციული ქსელი, რომელიც უზრუნველყოფდა შესანიშნავ გამტარობას მაღალი დეფორმაციის დროს. ელასტომერებზე დაყრდნობით დამაგრებულმა სამშრიანმა MGG-ებმა შეინარჩუნა თავდაპირველი გამტარობის 65% 100%-იანი დეფორმაციის დროს, რაც პერპენდიკულარულია დენის ნაკადის მიმართულების მიმართ, მაშინ როდესაც ნანოსკორპუსების გარეშე გრაფენის სამშრიანმა ფირებმა შეინარჩუნა საწყისი გამტარობის მხოლოდ 25%. ელექტროდებად MGG-ების გამოყენებით დამზადებულმა გაჭიმვადმა, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებულმა ტრანზისტორმა აჩვენა 90%-ზე მეტი გამტარობა და შეინარჩუნა საწყისი დენის 60% 120%-იანი დეფორმაციის დროს (მუხტის გადატანის მიმართულების პარალელურად). ეს მაღალი გაჭიმვადობის და გამჭვირვალე, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული ტრანზისტორები შესაძლებელს გახდის დახვეწილი გაჭიმვადი ოპტოელექტრონიკის შექმნას.
გაჭიმვადი გამჭვირვალე ელექტრონიკა მზარდი სფეროა, რომელსაც მნიშვნელოვანი გამოყენება აქვს მოწინავე ბიოინტეგრირებულ სისტემებში (1, 2), ასევე აქვს პოტენციალი, ინტეგრირდეს გაჭიმვად ოპტოელექტრონიკასთან (3, 4) დახვეწილი რბილი რობოტიკისა და დისპლეების წარმოებისთვის. გრაფენი ავლენს ატომის სისქის, მაღალი გამჭვირვალობისა და მაღალი გამტარობის ისეთ მაღალ სასურველ თვისებებს, მაგრამ მისი დანერგვა გაჭიმვად აპლიკაციებში შეფერხებულია მცირე დეფორმაციების დროს ბზარების გაჩენის ტენდენციით. გრაფენის მექანიკური შეზღუდვების დაძლევამ შესაძლოა ახალი ფუნქციონალურობა შექმნას გაჭიმვადი გამჭვირვალე მოწყობილობებში.
გრაფენის უნიკალური თვისებები მას გამჭვირვალე გამტარი ელექტროდების შემდეგი თაობისთვის ძლიერ კანდიდატად აქცევს (5, 6). ყველაზე ხშირად გამოყენებულ გამჭვირვალე გამტართან, ინდიუმის კალის ოქსიდთან [ITO; 100 ომი/კვადრატი (კვ.) 90%-იანი გამჭვირვალობით] შედარებით, ქიმიური ორთქლის დეპონირებით (CVD) გაზრდილ ერთშრიან გრაფენს აქვს ფურცლის წინააღმდეგობის (125 ომი/კვ.) და გამჭვირვალობის (97.4%) მსგავსი კომბინაცია (5). გარდა ამისა, გრაფენის ფირებს ITO-სთან შედარებით განსაკუთრებული მოქნილობა აქვთ (7). მაგალითად, პლასტმასის სუბსტრატზე, მისი გამტარობა შეიძლება შენარჩუნდეს 0.8 მმ-მდე მოხრის რადიუსის დროსაც კი (8). გამჭვირვალე მოქნილი გამტარის ელექტრული მახასიათებლების კიდევ უფრო გასაუმჯობესებლად, წინა ნაშრომებში შემუშავდა გრაფენის ჰიბრიდული მასალები ერთგანზომილებიანი (1D) ვერცხლის ნანომავთულებით ან ნახშირბადის ნანომილაკებით (CNTs) (9–11). გარდა ამისა, გრაფენი გამოიყენება ელექტროდებად შერეული განზომილების ჰეტეროსტრუქტურული ნახევარგამტარებისთვის (როგორიცაა 2D მოცულობითი Si, 1D ნანომავთულები/ნანომილაკები და 0D კვანტური წერტილები) (12), მოქნილი ტრანზისტორებისთვის, მზის ელემენტებისთვის და სინათლის გამოსხივების დიოდებისთვის (LED) (13–23).
მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენმა მოქნილი ელექტრონიკისთვის იმედისმომცემი შედეგები აჩვენა, მისი გამოყენება გაჭიმვად ელექტრონიკაში შეზღუდულია მისი მექანიკური თვისებებით (17, 24, 25); გრაფენს აქვს 340 ნ/მ სიბრტყის სიხისტე და 0.5 ტიპა იანგის მოდული (26). ძლიერი ნახშირბად-ნახშირბადის ქსელი არ უზრუნველყოფს ენერგიის გაფრქვევის რაიმე მექანიზმს გამოყენებული დეფორმაციისთვის და შესაბამისად, ადვილად იბზარება 5%-ზე ნაკლები დეფორმაციის დროს. მაგალითად, პოლიდიმეთილსილოქსანის (PDMS) ელასტიურ სუბსტრატზე გადატანილ CVD გრაფენს შეუძლია შეინარჩუნოს გამტარობა მხოლოდ 6%-ზე ნაკლები დეფორმაციის დროს (8). თეორიული გამოთვლები აჩვენებს, რომ დაჭმუჭნება და სხვადასხვა ფენებს შორის ურთიერთქმედება მნიშვნელოვნად ამცირებს სიხისტეს (26). გრაფენის რამდენიმე ფენად დაწყობით, ცნობილია, რომ ეს ორშრიანი ან სამშრიანი გრაფენი გაჭიმვადია 30%-იან დეფორმაციამდე, ავლენს წინააღმდეგობის ცვლილებას 13-ჯერ უფრო მცირეს, ვიდრე ერთშრიანი გრაფენი (27). თუმცა, ეს გაჭიმვა მაინც მნიშვნელოვნად ჩამორჩება თანამედროვე გაჭიმვად გამტარებს (28, 29).
ტრანზისტორები მნიშვნელოვანია გაჭიმვად აპლიკაციებში, რადგან ისინი უზრუნველყოფენ სენსორული დახვეწილი წაკითხვისა და სიგნალის ანალიზის შესაძლებლობას (30, 31). PDMS-ზე არსებულ ტრანზისტორებს, რომლებიც იყენებენ მრავალშრიან გრაფენს, როგორც წყაროს/დრენაჟის ელექტროდებს და არხის მასალას, შეუძლიათ შეინარჩუნონ ელექტრული ფუნქცია 5%-მდე დაჭიმულობით (32), რაც მნიშვნელოვნად დაბალია ტარებადი ჯანმრთელობის მონიტორინგის სენსორებისა და ელექტრონული გარსისთვის საჭირო მინიმალურ მნიშვნელობაზე (~50%) (33, 34). ცოტა ხნის წინ, შესწავლილი იქნა გრაფენის კირიგამის მიდგომა და თხევადი ელექტროლიტით კონტროლირებადი ტრანზისტორი შეიძლება გაჭიმოს 240%-მდე (35). თუმცა, ეს მეთოდი მოითხოვს შეჩერებულ გრაფენს, რაც ართულებს წარმოების პროცესს.
აქ, ჩვენ მივაღწიეთ მაღალი გამჭიმვის გრაფენის მოწყობილობებს გრაფენის ფენებს შორის გრაფენის სპირალების (~1-დან 20 მკმ-მდე სიგრძის, ~0.1-დან 1 მკმ-მდე სიგანის და ~10-დან 100 ნმ-მდე სიმაღლის) ინტერკალაციით. ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ამ გრაფენის სპირალებს შეუძლიათ უზრუნველყონ გამტარი ბილიკები გრაფენის ფურცლებში ბზარების შესავსებად, რითაც ინარჩუნებენ მაღალ გამტარობას დაჭიმულობის დროს. გრაფენის სპირალებს არ სჭირდებათ დამატებითი სინთეზი ან დამუშავება; ისინი ბუნებრივად წარმოიქმნება სველი გადატანის პროცედურის დროს. მრავალშრიანი G/G (გრაფენი/გრაფენი) სპირალების (MGGs) გრაფენის გასაჭიმი ელექტროდების (წყარო/დრენაჟი და კარიბჭე) და ნახევარგამტარი CNT-ების გამოყენებით, ჩვენ შევძელით მაღალი გამჭვირვალობის და მაღალი გამჭიმვის სრულად ნახშირბადის ტრანზისტორების დემონსტრირება, რომელთა გაჭიმვა შესაძლებელია 120%-იან დაჭიმვამდე (მუხტის გადატანის მიმართულების პარალელურად) და შეინარჩუნონ მათი საწყისი დენის 60%. ეს არის ყველაზე გაჭიმვადი გამჭვირვალე ნახშირბადზე დაფუძნებული ტრანზისტორი დღემდე და ის უზრუნველყოფს საკმარის დენს არაორგანული LED-ის სამართავად.
დიდი ფართობის გამჭვირვალე, გასაჭიმი გრაფენის ელექტროდების დასაყენებლად, ჩვენ შევარჩიეთ CVD-ით გაზრდილი გრაფენი Cu ფოლგაზე. Cu ფოლგა ჩამოკიდებული იყო CVD კვარცის მილის ცენტრში, რათა გრაფენის ორივე მხარეს ზრდა შესაძლებელი ყოფილიყო და წარმოქმნილიყო G/Cu/G სტრუქტურები. გრაფენის გადასატანად, თავდაპირველად, გრაფენის ერთი მხარის დასაცავად, ჩვენ დავაფარეთ პოლი(მეთილ მეტაკრილატის) (PMMA) თხელი ფენა, რომელსაც ზედა მხარის გრაფენი დავარქვით (პირიქით გრაფენის მეორე მხარისთვის), და შემდგომში, მთელი ფენა (PMMA/ზედა გრაფენი/Cu/ქვედა გრაფენი) დავასველეთ (NH4)2S2O8 ხსნარში Cu ფოლგის ამოსაჭრელად. ქვედა მხარის გრაფენს PMMA საფარის გარეშე გარდაუვლად ექნება ბზარები და დეფექტები, რომლებიც ამოსაჭრელ საშუალებას აძლევს ამოსაჭრელ საშუალებას შეაღწიოს (36, 37). როგორც ილუსტრირებულია ნახ. 1A-ზე, ზედაპირული დაჭიმულობის ზემოქმედებით, გამოთავისუფლებული გრაფენის დომენები შემოხვეული იყო სპირალებად და შემდგომ მიმაგრებული იყო დარჩენილ ზედა-G/PMMA ფირზე. ზედა-G/G სპირალების გადატანა შესაძლებელია ნებისმიერ სუბსტრატზე, როგორიცაა SiO2/Si, მინა ან რბილი პოლიმერი. ამ გადატანის პროცესის რამდენჯერმე გამეორება ერთსა და იმავე სუბსტრატზე იძლევა MGG სტრუქტურებს.
(A) MGG-ების დამზადების პროცედურის სქემატური ილუსტრაცია, როგორც გაჭიმვადი ელექტროდი. გრაფენის გადატანის დროს, Cu ფოლგაზე არსებული უკანა გრაფენი გატყდა საზღვრებსა და დეფექტებზე, შემოხვეული იქნა თვითნებურ ფორმებად და მჭიდროდ მიმაგრებული იქნა ზედა ფენებზე, ნანოსკორტების წარმოქმნით. მეოთხე ილუსტრაცია ასახავს დაწყობილ MGG სტრუქტურას. (B და C) ერთშრიანი MGG-ის მაღალი გარჩევადობის TEM დახასიათება, ფოკუსირებული შესაბამისად ერთშრიან გრაფენზე (B) და სკრინინგის (C) რეგიონზე. (B) ჩანართი არის დაბალი გადიდების გამოსახულება, რომელიც აჩვენებს ერთშრიანი MGG-ების საერთო მორფოლოგიას TEM ბადეზე. (C) ჩანართები არის ინტენსივობის პროფილები, რომლებიც გადაღებულია გამოსახულებაზე მითითებული მართკუთხა უჯრების გასწვრივ, სადაც ატომურ სიბრტყეებს შორის მანძილია 0.34 და 0.41 ნმ. (D) ნახშირბადის K-კიდის EEL სპექტრი დამახასიათებელი გრაფიტული π* და σ* პიკებით მონიშნული. (E) ერთშრიანი G/G სკრინინგების სექციური AFM ​​გამოსახულება სიმაღლის პროფილით ყვითელი წერტილოვანი ხაზის გასწვრივ. (F-დან I-მდე) სამშრიანი G-ს ოპტიკური მიკროსკოპია და AFM გამოსახულებები (F და H) და სპირალების (G და I) გარეშე, შესაბამისად, 300 ნმ სისქის SiO2/Si სუბსტრატებზე. წარმომადგენლობითი სპირალები და ნაოჭები მონიშნული იყო მათი განსხვავებების ხაზგასასმელად.
იმის დასადასტურებლად, რომ გრაფენები ბუნებით შემოხვეული გრაფენია, ჩვენ ჩავატარეთ მაღალი გარჩევადობის გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპიის (TEM) და ელექტრონული ენერგიის დანაკარგის (EEL) სპექტროსკოპიის კვლევები ერთშრიანი ზედა-G/G გრაფენის სტრუქტურებზე. სურათი 1B გვიჩვენებს ერთშრიანი გრაფენის ექვსკუთხა სტრუქტურას, ხოლო ჩანართი წარმოადგენს TEM ბადის ერთ ნახშირბადის ხვრელზე დაფარული ფირის საერთო მორფოლოგიას. ერთშრიანი გრაფენი მოიცავს ბადის უმეტეს ნაწილს და ექვსკუთხა რგოლების მრავალი დასტის არსებობისას ჩნდება გრაფენის ფანტელები (სურ. 1B). ცალკეულ გრაფენში გადიდებით (სურ. 1C), ჩვენ დავაკვირდით გრაფენის ბადის ზოლების დიდ რაოდენობას, ბადის დაშორებით 0.34-დან 0.41 ნმ-მდე დიაპაზონში. ეს გაზომვები მიუთითებს, რომ ფანტელები შემთხვევით არის შემოხვეული და არ წარმოადგენს იდეალურ გრაფიტს, რომელსაც „ABAB“ ფენების დაწყობაში ბადის დაშორება 0.34 ნმ-ია. სურათი 1D გვიჩვენებს ნახშირბადის K-კიდის ელექტრომაგნიტური ელექტრული ველის სპექტრს, სადაც 285 eV-ზე პიკი π* ორბიტალიდან იღებს სათავეს, ხოლო 290 eV-ის გარშემო მეორე პიკი σ* ორბიტალის გადასვლით არის განპირობებული. ჩანს, რომ ამ სტრუქტურაში sp2 ბმა დომინირებს, რაც ადასტურებს, რომ სპირალები ძლიერ გრაფიტულია.
ოპტიკური მიკროსკოპიისა და ატომური ძალის მიკროსკოპიის (AFM) გამოსახულებები იძლევა წარმოდგენას MGG-ებში გრაფენის ნანოსკორტების განაწილების შესახებ (სურ. 1, E-დან G-მდე და სურ. S1 და S2). სპირალები შემთხვევით არის განაწილებული ზედაპირზე და მათი სიბრტყეში სიმკვრივე იზრდება ერთმანეთზე დაწყობილი ფენების რაოდენობის პროპორციულად. ბევრი სპირალი კვანძებად არის ჩახლართული და ავლენს არათანაბარ სიმაღლეებს 10-დან 100 ნმ-მდე დიაპაზონში. მათი სიგრძეა 1-დან 20 მკმ-მდე და სიგანე 0.1-დან 1 მკმ-მდე, მათი საწყისი გრაფენის ფანტელების ზომის მიხედვით. როგორც ნაჩვენებია სურ. 1-ში (H და I), სპირალებს მნიშვნელოვნად უფრო დიდი ზომები აქვთ, ვიდრე ნაოჭები, რაც იწვევს გრაფენის ფენებს შორის გაცილებით უხეშ ინტერფეისს.
ელექტრული თვისებების გასაზომად, ფოტოლითოგრაფიის გამოყენებით, ჩვენ შევქმენით გრაფენის ფირები სპირალური სტრუქტურებით ან მათ გარეშე და ფენების დაწყობით 300 მკმ სიგანის და 2000 მკმ სიგრძის ზოლებად. ორზონდიანი წინაღობები, როგორც დეფორმაციის ფუნქცია, გაიზომა გარემოს პირობებში. სპირალების არსებობამ ერთშრიანი გრაფენის წინაღობა 80%-ით შეამცირა, გამტარობის მხოლოდ 2.2%-იანი შემცირებით (სურ. S4). ეს ადასტურებს, რომ ნანოსპირალები, რომლებსაც აქვთ მაღალი დენის სიმკვრივე 5 × 107 A/cm2-მდე (38, 39), ძალიან დადებით ელექტრულ წვლილს შეაქვთ MGG-ებში. ყველა ერთშრიან, ორშრიან და სამშრიან უბრალო გრაფენსა და MGG-ს შორის, სამშრიან MGG-ს აქვს საუკეთესო გამტარობა თითქმის 90%-იანი გამჭვირვალობით. ლიტერატურაში მოხსენიებულ გრაფენის სხვა წყაროებთან შესადარებლად, ჩვენ ასევე გავზომეთ ოთხზონდიანი ფურცლის წინაღობები (სურ. S5) და ჩამოვთვალეთ ისინი 550 ნმ-ზე გამტარობის ფუნქციის სახით (სურ. S6) სურათ 2A-ში. MGG აჩვენებს შედარებით ან უფრო მაღალ გამტარობას და გამჭვირვალობას, ვიდრე ხელოვნურად დაწყობილი მრავალშრიანი უბრალო გრაფენი და აღდგენილი გრაფენის ოქსიდი (RGO) (6, 8, 18). გაითვალისწინეთ, რომ ლიტერატურაში მოხსენიებული ხელოვნურად დაწყობილი მრავალშრიანი უბრალო გრაფენის ფურცლის წინაღობები ოდნავ მაღალია, ვიდრე ჩვენი MGG-სი, სავარაუდოდ, მათი არაოპტიმიზებული ზრდის პირობებისა და გადაცემის მეთოდის გამო.
(A) ოთხზონდიანი ფურცლის წინაღობები გამტარობის მიმართ 550 ნმ-ზე გრაფენის რამდენიმე ტიპისთვის, სადაც შავი კვადრატები აღნიშნავს მონო-, ორ- და სამშრიან MGG-ებს; წითელი წრეები და ლურჯი სამკუთხედები შეესაბამება მრავალშრიან უბრალო გრაფენს, რომელიც გაზრდილ იქნა Cu-სა და Ni-ზე, შესაბამისად, ლი და სხვ. (6) და კიმის და სხვ. (8) კვლევებიდან და შემდგომ გადატანილი SiO2/Si-ზე ან კვარცზე; ხოლო მწვანე სამკუთხედები წარმოადგენს RGO-ს მნიშვნელობებს სხვადასხვა შემცირების ხარისხით, ბონაკორსოს და სხვ. (18) კვლევის მიხედვით. (B და C) მონო-, ორ- და სამშრიანი MGG-ების და G-ს ნორმალიზებული წინააღმდეგობის ცვლილება, როგორც პერპენდიკულარული (B) და პარალელური (C) დეფორმაციის ფუნქცია დენის ნაკადის მიმართულებით. (D) ორშრიანი G (წითელი) და MGG (შავი) ნორმალიზებული წინააღმდეგობის ცვლილება ციკლური დეფორმაციის დატვირთვისას 50%-მდე პერპენდიკულარული დეფორმაციის დროს. (E) სამშრიანი G (წითელი) და MGG (შავი) ნორმალიზებული წინააღმდეგობის ცვლილება ციკლური დეფორმაციის დატვირთვისას 90%-მდე პარალელური დეფორმაციის დროს. (F) მონო-, ორ- და სამშრიანი G და ორ- და სამშრიანი MGG-ების ნორმალიზებული ტევადობის ცვლილება დაძაბულობის ფუნქციის სახით. ჩანართი წარმოადგენს კონდენსატორის სტრუქტურას, სადაც პოლიმერული სუბსტრატი არის SEBS, ხოლო პოლიმერული დიელექტრიკული ფენა არის 2 მკმ სისქის SEBS.
MGG-ის დეფორმაციაზე დამოკიდებული მახასიათებლების შესაფასებლად, ჩვენ გადავიტანეთ გრაფენი თერმოპლასტიკური ელასტომერის სტირენ-ეთილენ-ბუტადიენ-სტირენის (SEBS) სუბსტრატებზე (~2 სმ სიგანის და ~5 სმ სიგრძის), და გამტარობა გაიზომა სუბსტრატის გაჭიმვისას (იხ. მასალები და მეთოდები) როგორც პერპენდიკულარულად, ასევე დენის დინების მიმართულების პარალელურად (სურ. 2, B და C). დეფორმაციაზე დამოკიდებული ელექტრული ქცევა გაუმჯობესდა ნანოსკორტების ჩართვით და გრაფენის ფენების რაოდენობის ზრდით. მაგალითად, როდესაც დეფორმაცია პერპენდიკულარულია დენის დინების მიმართ, ერთშრიანი გრაფენისთვის, სპირალების დამატებამ გაზარდა დეფორმაცია ელექტრული გაწყვეტის დროს 5-დან 70%-მდე. სამშრიანი გრაფენის დეფორმაციისადმი ტოლერანტობა ასევე მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია ერთშრიან გრაფენთან შედარებით. ნანოსკორებით, 100%-იანი პერპენდიკულარული დეფორმაციის დროს, სამშრიანი MGG სტრუქტურის წინააღმდეგობა მხოლოდ 50%-ით გაიზარდა, სამშრიანი გრაფენისთვის სპირალების გარეშე 300%-თან შედარებით. გამოკვლეული იქნა წინააღმდეგობის ცვლილება ციკლური დეფორმაციის დატვირთვის ქვეშ. შედარებისთვის (სურ. 2D), უბრალო ორშრიანი გრაფენის ფენის წინაღობები დაახლოებით 7.5-ჯერ გაიზარდა დაახლოებით 700 ციკლის შემდეგ 50%-იანი პერპენდიკულარული დეფორმაციის დროს და ყოველ ციკლში დეფორმაციის ზრდას განაგრძობდა. მეორეს მხრივ, ორშრიანი MGG-ის წინაღობა დაახლოებით 2.5-ჯერ გაიზარდა დაახლოებით 700 ციკლის შემდეგ. პარალელური მიმართულებით 90%-მდე დეფორმაციის გამოყენებისას, სამშრიანი გრაფენის წინაღობა 1000 ციკლის შემდეგ დაახლოებით 100-ჯერ გაიზარდა, მაშინ როცა სამშრიან MGG-ში ის მხოლოდ ~8-ჯერ გაიზარდა (სურ. 2E). ციკლური შედეგები ნაჩვენებია სურათ S7-ზე. პარალელური დეფორმაციის მიმართულებით წინაღობის შედარებით სწრაფი ზრდა განპირობებულია იმით, რომ ბზარების ორიენტაცია პერპენდიკულარულია დენის ნაკადის მიმართულების მიმართ. დატვირთვისა და გადმოტვირთვის დროს წინაღობის გადახრა დეფორმაციის განპირობებულია SEBS ელასტომერული სუბსტრატის ვისკოელასტიური აღდგენით. ციკლის დროს MGG ზოლების უფრო სტაბილური წინაღობა განპირობებულია დიდი სპირალების არსებობით, რომლებსაც შეუძლიათ გრაფენის დაბზარული ნაწილების გადაკვეთა (როგორც ეს AFM-ით დაფიქსირდა), რაც ხელს უწყობს ფილტრაციის გზის შენარჩუნებას. გამტარობის შენარჩუნების ეს ფენომენი ფილტრაციის გზით ადრეც იყო აღწერილი ელასტომერულ სუბსტრატებზე დაბზარული ლითონის ან ნახევარგამტარული ფირების შემთხვევაში (40, 41).
გრაფენზე დაფუძნებული ამ ფირების, როგორც გასაჭიმ მოწყობილობებში კარიბჭის ელექტროდების შესაფასებლად, ჩვენ დავფარეთ გრაფენის ფენა SEBS დიელექტრული ფენით (2 μm სისქის) და ვაკვირდებოდით დიელექტრული ტევადობის ცვლილებას დეფორმაციის ფუნქციის მიხედვით (დეტალებისთვის იხილეთ სურ. 2F და დამატებითი მასალები). ჩვენ დავაკვირდით, რომ უბრალო ერთშრიანი და ორშრიანი გრაფენის ელექტროდების ტევადობები სწრაფად შემცირდა გრაფენის სიბრტყეშიდა გამტარობის დაკარგვის გამო. ამის საპირისპიროდ, MGG-ებით, ასევე უბრალო სამშრიანი გრაფენით დაცულ ტევადობებმა აჩვენა ტევადობის ზრდა დეფორმაციასთან ერთად, რაც მოსალოდნელია დიელექტრიკის სისქის შემცირების გამო დეფორმაციასთან ერთად. ტევადობის მოსალოდნელი ზრდა ძალიან კარგად ემთხვეოდა MGG სტრუქტურას (სურ. S8). ეს მიუთითებს, რომ MGG შესაფერისია, როგორც კარიბჭის ელექტროდი გასაჭიმი ტრანზისტორებისთვის.
ელექტროგამტარობის დეფორმაციისადმი ტოლერანტობაზე 1D გრაფენის სპირალის როლის შემდგომი შესწავლისა და გრაფენის ფენებს შორის განცალკევების უკეთ კონტროლის მიზნით, გრაფენის სპირალების ჩასანაცვლებლად გამოვიყენეთ შესხურებით დაფარული CNT-ები (იხ. დამატებითი მასალები). MGG სტრუქტურების იმიტაციის მიზნით, ჩვენ დავატანეთ CNT-ების სამი სიმკვრივე (ანუ CNT1).
(A-დან C-მდე) CNT-ების სამი განსხვავებული სიმკვრივის AFM გამოსახულებები (CNT1
გაჭიმვადი ელექტრონიკისთვის ელექტროდების სახით მათი შესაძლებლობების უკეთ გასაგებად, ჩვენ სისტემატურად გამოვიკვლიეთ MGG-სა და G-CNT-G-ს მორფოლოგია დაჭიმვის ქვეშ. ოპტიკური და სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპია (SEM) არ წარმოადგენს დახასიათების ეფექტურ მეთოდებს, რადგან ორივეს არ გააჩნია ფერის კონტრასტი და SEM ექვემდებარება გამოსახულების არტეფაქტებს ელექტრონული სკანირების დროს, როდესაც გრაფენი პოლიმერულ სუბსტრატებზეა (სურ. S9 და S10). დაჭიმვის ქვეშ გრაფენის ზედაპირის ადგილზე დასაკვირვებლად, ჩვენ შევაგროვეთ AFM გაზომვები სამშრიან MGG-ებსა და უბრალო გრაფენზე ძალიან თხელ (~0.1 მმ სისქის) და ელასტიურ SEBS სუბსტრატებზე გადატანის შემდეგ. CVD გრაფენის შინაგანი დეფექტებისა და გადატანის პროცესის დროს გარეგანი დაზიანების გამო, დაჭიმულ გრაფენზე გარდაუვლად წარმოიქმნება ბზარები და დაჭიმვის ზრდასთან ერთად, ბზარები უფრო მკვრივი ხდება (სურ. 4, A-დან D-მდე). ნახშირბადზე დაფუძნებული ელექტროდების დასტის სტრუქტურიდან გამომდინარე, ბზარები ავლენენ სხვადასხვა მორფოლოგიას (სურ. S11) (27). მრავალშრიანი გრაფენის ბზარის ფართობის სიმკვრივე (განისაზღვრება, როგორც ბზარის ფართობი/ანალიზებული ფართობი) დაჭიმვის შემდეგ ნაკლებია ერთშრიანი გრაფენის სიმკვრივეზე, რაც შეესაბამება MGG-ების ელექტროგამტარობის ზრდას. მეორეს მხრივ, ხშირად შეინიშნება სპირალები, რომლებიც ბზარებს ხიდს ქმნიან, რაც დაჭიმულ ფენაში დამატებით გამტარ გზებს ქმნის. მაგალითად, როგორც ნახ. 4B-ზე მოცემულ სურათზეა მითითებული, სამშრიანი MGG-ის ბზარს ფართო სპირალი კვეთს, მაგრამ უბრალო გრაფენში სპირალი არ დაფიქსირებულა (ნახ. 4, E-დან H-მდე). ანალოგიურად, CNT-ებმა ასევე შექმნეს ხიდი გრაფენის ბზარებზე (ნახ. S11). ბზარის ფართობის სიმკვრივე, სპირალის ფართობის სიმკვრივე და ფენების უხეშობა შეჯამებულია ნახ. 4K-ში.
(A-დან H-მდე) სამშრიანი G/G სპირალების (A-დან D-მდე) და სამშრიანი G სტრუქტურების (E-დან H-მდე) in situ AFM გამოსახულებები ძალიან თხელ SEBS (~0.1 მმ სისქის) ელასტომერზე 0, 20, 60 და 100%-იანი დეფორმაციის დროს. წარმომადგენლობითი ბზარები და სპირალები ისრებით არის მიმართული. ყველა AFM გამოსახულება 15 μm × 15 μm ფართობზეა, იმავე ფერის მასშტაბის ზოლის გამოყენებით, როგორც ეს მონიშნულია. (I) SEBS სუბსტრატზე ნიმუშიანი ერთშრიანი გრაფენის ელექტროდების სიმულაციური გეომეტრია. (J) ერთშრიანი გრაფენისა და SEBS სუბსტრატის მაქსიმალური მთავარი ლოგარითმული დეფორმაციის სიმულაციური კონტურული რუკა 20%-იანი გარე დეფორმაციის დროს. (K) ბზარის ფართობის სიმკვრივის (წითელი სვეტი), სპირალური ფართობის სიმკვრივის (ყვითელი სვეტი) და ზედაპირის უხეშობის (ლურჯი სვეტი) შედარება სხვადასხვა გრაფენის სტრუქტურებისთვის.
როდესაც MGG აპკები იჭიმება, არსებობს მნიშვნელოვანი დამატებითი მექანიზმი, რომლის მიხედვითაც გრაფენის სპირალებს შეუძლიათ გრაფენის დაბზარული რეგიონების გადაფარვა, რითაც შენარჩუნდება ფილტრაციის ქსელი. გრაფენის სპირალები პერსპექტიულია, რადგან მათი სიგრძე შეიძლება იყოს ათობით მიკრომეტრი და შესაბამისად, შეუძლიათ ბზარების გადაფარვა, რომლებიც, როგორც წესი, მიკრომეტრის მასშტაბამდეა. გარდა ამისა, იმის გამო, რომ სპირალები შედგება გრაფენის მრავალშრიანი ფენებისგან, მოსალოდნელია, რომ მათ დაბალი წინააღმდეგობა ექნებათ. შედარებისთვის, შედარებით მკვრივი (დაბალი გამტარობის) CNT ქსელები საჭიროა შესადარებელი გამტარობის შესაძლებლობის უზრუნველსაყოფად, რადგან CNT-ები უფრო პატარაა (როგორც წესი, რამდენიმე მიკრომეტრის სიგრძის) და ნაკლებად გამტარია, ვიდრე სპირალები. მეორეს მხრივ, როგორც ნაჩვენებია ნახ. S12-ზე, მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენი იბზარება გაჭიმვის დროს დაძაბულობის გასათვალისწინებლად, სპირალები არ იბზარება, რაც მიუთითებს, რომ ეს უკანასკნელი შეიძლება სრიალდეს ქვედა გრაფენზე. მათი არ იბზარება, სავარაუდოდ, გამოწვეულია გრაფენის მრავალი ფენისგან შემდგარი დახვეული სტრუქტურით (~1-დან 20 მკმ-მდე სიგრძის, ~0.1-დან 1 მკმ-მდე სიგანის და ~10-დან 100 ნმ-მდე სიმაღლის), რომელსაც ერთშრიან გრაფენთან შედარებით უფრო მაღალი ეფექტური მოდული აქვს. როგორც გრინი და ჰერსამი (42) იუწყებიან, მეტალის CNT ქსელებს (მილის დიამეტრი 1.0 ნმ) შეუძლიათ დაბალი ფურცლის წინაღობის მიღწევა <100 ომ/კვ.მ. CNT-ებს შორის შეერთების დიდი წინააღმდეგობის მიუხედავად. იმის გათვალისწინებით, რომ ჩვენს გრაფენის სპირალებს 0.1-დან 1 მკმ-მდე სიგანე აქვთ და რომ G/G სპირალებს გაცილებით დიდი შეხების ფართობი აქვთ, ვიდრე CNT-ებს, გრაფენსა და გრაფენის სპირალებს შორის შეხების წინააღმდეგობა და შეხების ფართობი არ უნდა იყოს შემზღუდავი ფაქტორები მაღალი გამტარობის შესანარჩუნებლად.
გრაფენს გაცილებით მაღალი მოდული აქვს, ვიდრე SEBS სუბსტრატს. მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენის ელექტროდის ეფექტური სისქე გაცილებით დაბალია, ვიდრე სუბსტრატის, გრაფენის სიხისტის შეფარდება მის სისქესთან შედარებადია სუბსტრატის სიხისტესთან (43, 44), რაც იწვევს ზომიერი ხისტი კუნძულის ეფექტს. ჩვენ სიმულირება გავუკეთეთ 1 ნმ სისქის გრაფენის დეფორმაციას SEBS სუბსტრატზე (დეტალებისთვის იხილეთ დამატებითი მასალები). სიმულაციის შედეგების მიხედვით, როდესაც SEBS სუბსტრატზე გარედან გამოიყენება 20%-იანი დაჭიმულობა, გრაფენში საშუალო დაჭიმულობაა ~6.6% (სურ. 4J და სურ. S13D), რაც შეესაბამება ექსპერიმენტულ დაკვირვებებს (იხილეთ სურ. S13). ოპტიკური მიკროსკოპიის გამოყენებით შევადარეთ დეფორმაცია გრაფენისა და სუბსტრატის რეგიონებში და აღმოვაჩინეთ, რომ დეფორმაცია სუბსტრატის რეგიონში მინიმუმ ორჯერ მეტია გრაფენის რეგიონში დაჭიმულობაზე. ეს მიუთითებს, რომ გრაფენის ელექტროდის ნიმუშებზე გამოყენებული დაჭიმულობა შეიძლება მნიშვნელოვნად შეზღუდული იყოს, რაც SEBS-ის თავზე გრაფენის ხისტი კუნძულების წარმოქმნას იწვევს (26, 43, 44).
ამგვარად, MGG ელექტროდების მაღალი გამტარობის შენარჩუნების უნარი მაღალი დაძაბულობის პირობებში, სავარაუდოდ, ორი ძირითადი მექანიზმით არის განპირობებული: (i) სპირალებს შეუძლიათ ერთმანეთთან ხიდის გაკვრა გამტარი პერკოლაციის გზის შესანარჩუნებლად და (ii) მრავალშრიანი გრაფენის ფურცლები/ელასტომერი შეიძლება ერთმანეთზე სრიალდეს, რაც იწვევს გრაფენის ელექტროდებზე დაძაბულობის შემცირებას. ელასტომერზე გადატანილი გრაფენის მრავალი ფენის შემთხვევაში, ფენები ერთმანეთთან მჭიდროდ არ არის მიმაგრებული, რაც შეიძლება დაძაბულობის საპასუხოდ სრიალდეს (27). სპირალებს ასევე ზრდის გრაფენის ფენების უხეშობას, რამაც შეიძლება ხელი შეუწყოს გრაფენის ფენებს შორის დაშორების გაზრდას და შესაბამისად, გრაფენის ფენების სრიალის უზრუნველყოფას.
მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული მოწყობილობები ენთუზიაზმით განიხილება მათი დაბალი ღირებულებისა და მაღალი გამტარუნარიანობის გამო. ჩვენს შემთხვევაში, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული ტრანზისტორები დამზადდა ქვედა გრაფენის კარიბჭის, ზედა გრაფენის წყაროს/დრენაჟის კონტაქტის, დახარისხებული CNT ნახევარგამტარის და SEBS-ის გამოყენებით, როგორც დიელექტრიკი (სურ. 5A). როგორც ნაჩვენებია სურათ 5B-ზე, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული მოწყობილობა CNT-ებით, როგორც წყაროს/დრენაჟის და კარიბჭის (ქვედა მოწყობილობა) უფრო გაუმჭვირვალეა, ვიდრე მოწყობილობა გრაფენის ელექტროდებით (ზედა მოწყობილობა). ეს იმიტომ ხდება, რომ CNT ქსელებს სჭირდებათ უფრო დიდი სისქე და, შესაბამისად, უფრო დაბალი ოპტიკური გამტარობა, რათა მიაღწიონ ფურცლის წინაღობებს, რომლებიც მსგავსია გრაფენის წინააღმდეგობებისა (სურ. S4). სურათი 5 (C და D) გვიჩვენებს წარმომადგენლობით გადაცემის და გამომავალი მრუდებს დეფორმაციის წინ ორშრიანი MGG ელექტროდებით დამზადებული ტრანზისტორისთვის. დაუძაბავი ტრანზისტორის არხის სიგანე და სიგრძე შესაბამისად 800 და 100 μm იყო. გაზომილი ჩართვა/გამორთვის თანაფარდობა 103-ზე მეტია ჩართვა-გამორთვის დენებით, შესაბამისად 10−5 და 10−8 A დონეზე. გამომავალი მრუდი ავლენს იდეალურ წრფივ და გაჯერების რეჟიმებს კარიბჭის ძაბვაზე მკაფიო დამოკიდებულებით, რაც მიუთითებს CNT-ებსა და გრაფენის ელექტროდებს შორის იდეალურ კონტაქტზე (45). გრაფენის ელექტროდებთან კონტაქტური წინააღმდეგობა უფრო დაბალი აღმოჩნდა, ვიდრე აორთქლებული Au ფენის შემთხვევაში (იხ. სურ. S14). გაჭიმვადი ტრანზისტორის გაჯერების მობილურობა დაახლოებით 5.6 სმ2/ვ-ია, რაც მსგავსია იმავე პოლიმერული სორტირებული CNT ტრანზისტორებისა მყარ Si სუბსტრატებზე, სადაც დიელექტრიკული ფენაა 300 ნმ SiO2. მობილურობის შემდგომი გაუმჯობესება შესაძლებელია მილის ოპტიმიზებული სიმკვრივით და სხვა ტიპის მილებით (46).
(A) გრაფენზე დაფუძნებული გასაჭიმი ტრანზისტორის სქემა. SWNT-ები, ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკები. (B) გრაფენის ელექტროდებისგან (ზედა) და CNT ელექტროდებისგან (ქვედა) დამზადებული გასაჭიმი ტრანზისტორების ფოტო. გამჭვირვალობის სხვაობა აშკარად შესამჩნევია. (C და D) გრაფენზე დაფუძნებული ტრანზისტორის გადატანის და გამომავალი მრუდები SEBS-ზე დეფორმაციამდე. (E და F) გადატანის მრუდები, ჩართვა და გამორთვის დენი, ჩართვა/გამორთვის თანაფარდობა და გრაფენზე დაფუძნებული ტრანზისტორის მობილურობა სხვადასხვა დეფორმაციის დროს.
როდესაც გამჭვირვალე, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული მოწყობილობა გაჭიმული იყო მუხტის გადატანის მიმართულების პარალელურად, მინიმალური დეგრადაცია დაფიქსირდა 120%-იან დეფორმაციამდე. გაჭიმვის დროს, მობილურობა განუწყვეტლივ მცირდებოდა 5.6 სმ2/ვ წმ-დან 0%-იანი დეფორმაციის დროს 2.5 სმ2/ვ წმ-მდე 120%-იანი დეფორმაციის დროს (სურ. 5F). ჩვენ ასევე შევადარეთ ტრანზისტორის მუშაობა სხვადასხვა არხის სიგრძისთვის (იხ. ცხრილი S1). აღსანიშნავია, რომ 105%-იანი დეფორმაციის დროს, ყველა ამ ტრანზისტორს კვლავ ჰქონდა მაღალი ჩართვა/გამორთვის თანაფარდობა (>103) და მობილურობა (>3 სმ2/ვ წმ). გარდა ამისა, ჩვენ შევაჯამეთ მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული ტრანზისტორების ბოლოდროინდელი ყველა ნამუშევარი (იხ. ცხრილი S2) (47–52). მოწყობილობის ელასტომერებზე დამზადების ოპტიმიზაციით და MGG-ების კონტაქტებად გამოყენებით, ჩვენი მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული ტრანზისტორები აჩვენებენ კარგ მუშაობას მობილურობისა და ჰისტერეზისის თვალსაზრისით, ასევე მაღალი გაჭიმვის უნარით.
სრულად გამჭვირვალე და გაჭიმვადი ტრანზისტორის გამოყენებისას, ჩვენ ის გამოვიყენეთ LED-ის გადართვის სამართავად (სურ. 6A). როგორც სურათ 6B-ზეა ნაჩვენები, მწვანე LED ნათლად ჩანს უშუალოდ ზემოთ განთავსებული გაჭიმვადი, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული მოწყობილობის მეშვეობით. ~100%-მდე გაჭიმვისას (სურ. 6, C და D), LED-ის სინათლის ინტენსივობა არ იცვლება, რაც შეესაბამება ზემოთ აღწერილ ტრანზისტორის მუშაობას (იხილეთ ფილმი S1). ეს არის გრაფენის ელექტროდების გამოყენებით დამზადებული გაჭიმვადი მართვის ერთეულების პირველი ანგარიში, რომელიც აჩვენებს გრაფენის გაჭიმვადი ელექტრონიკის ახალ შესაძლებლობას.
(A) LED-ის მართვის ტრანზისტორის სქემა. დაჭიმვა, დამიწება. (B) მწვანე LED-ის ზემოთ დამონტაჟებული 0%-იანი დაჭიმვის დროს გაჭიმვადი და გამჭვირვალე, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული ტრანზისტორის ფოტო. (C) LED-ის გადართვისთვის გამოყენებული მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული გამჭვირვალე და გაჭიმვადი ტრანზისტორი დამონტაჟებულია LED-ის ზემოთ 0%-იანი (მარცხნივ) და ~100%-იანი დაჭიმვის დროს (მარჯვნივ). თეთრი ისრები მოწყობილობაზე ყვითელ მარკერებს მიუთითებს, რათა მიუთითონ გაჭიმვის მანძილის ცვლილება. (D) გაჭიმული ტრანზისტორის გვერდითი ხედი, LED ელასტომერში ჩაჭერილი LED-ით.
დასკვნის სახით, ჩვენ შევიმუშავეთ გამჭვირვალე გამტარი გრაფენის სტრუქტურა, რომელიც ინარჩუნებს მაღალ გამტარობას დიდი დეფორმაციის დროს, როგორც გაჭიმვადი ელექტროდები, რაც უზრუნველყოფილია გრაფენის ნანოსპირალების წყალობით, რომლებიც განლაგებულია დაწყობილ გრაფენის ფენებს შორის. ელასტომერზე დამონტაჟებულ ამ ორშრიან და სამშრიან MGG ელექტროდულ სტრუქტურებს შეუძლიათ შეინარჩუნონ 0%-იანი დეფორმაციის გამტარობის 21 და 65%, შესაბამისად, 100%-მდე დეფორმაციის დროს, ტიპიური ერთშრიანი გრაფენის ელექტროდების შემთხვევაში გამტარობის სრული დაკარგვისგან განსხვავებით, რომლებიც 5%-იან დეფორმაციას განიცდიან. გრაფენის სპირალების დამატებითი გამტარობის ბილიკები, ასევე გადაცემულ ფენებს შორის სუსტი ურთიერთქმედება ხელს უწყობს გამტარობის უკეთეს სტაბილურობას დეფორმაციის დროს. ჩვენ ასევე გამოვიყენეთ ეს გრაფენის სტრუქტურა მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული გაჭიმვადი ტრანზისტორების შესაქმნელად. ჯერჯერობით, ეს არის ყველაზე გაჭიმვადი გრაფენზე დაფუძნებული ტრანზისტორი საუკეთესო გამჭვირვალობით, გადაღუნვის გამოყენების გარეშე. მიუხედავად იმისა, რომ ამჟამინდელი კვლევა ჩატარდა გრაფენის გაჭიმვადი ელექტრონიკისთვის გამოყენების მიზნით, ჩვენ გვჯერა, რომ ეს მიდგომა შეიძლება გავრცელდეს სხვა 2D მასალებზეც, რათა უზრუნველყოფილი იყოს გაჭიმვადი 2D ელექტრონიკის გამოყენება.
დიდი ფართობის CVD გრაფენი გაიზარდა 1000°C ტემპერატურაზე შეჩერებულ სპილენძის ფოლგებზე (99.999%; Alfa Aesar) 0.5 მტორის მუდმივი წნევის ქვეშ, 50–SCCM (სტანდარტული კუბური სანტიმეტრი წუთში) CH4 და 20–SCCM H2 პრეკურსორების სახით. სპილენძის ფოლგის ორივე მხარე დაფარული იყო ერთშრიანი გრაფენით. სპილენძის ფოლგის ერთ მხარეს დააფარეს PMMA-ს თხელი ფენა (2000 ბრ/წთ; A4, Microchem) და წარმოიქმნა PMMA/G/Cu ფოლგის/G სტრუქტურა. შემდგომში, მთელი ფენა დაახლოებით 2 საათის განმავლობაში დაასველეს 0.1 M ამონიუმის პერსულფატის [(NH4)2S2O8] ხსნარში სპილენძის ფოლგის მოსაშორებლად. ამ პროცესის დროს, დაუცველი უკანა მხარე გრაფენი ჯერ მარცვლების საზღვრების გასწვრივ გაიხა და შემდეგ ზედაპირული დაჭიმულობის გამო სპირალებად დაიხვია. სპირალები მიმაგრებული იყო PMMA-ზე დაფუძნებულ ზედა გრაფენის ფენზე, რამაც წარმოიქმნა PMMA/G/G სპირალები. შემდგომში ფირები რამდენჯერმე გაირეცხა დეიონიზებულ წყალში და დააფინეს სამიზნე სუბსტრატზე, როგორიცაა მყარი SiO2/Si ან პლასტმასის სუბსტრატი. როგორც კი მიმაგრებული ფირი სუბსტრატზე გაშრა, ნიმუში თანმიმდევრულად დალბნენ აცეტონში, 1:1 აცეტონში/IPA-ში (იზოპროპილის სპირტი) და IPA-ში 30 წამის განმავლობაში, თითოეული PMMA-ს მოსაშორებლად. ფირები გაცხელდა 100°C-ზე 15 წუთის განმავლობაში ან ინახებოდა ვაკუუმში მთელი ღამით, რათა მთლიანად მოეშორებინათ ჩარჩენილი წყალი, სანამ მასზე G/G სპირალის კიდევ ერთი ფენა გადაიტანებოდა. ეს ნაბიჯი მიზნად ისახავდა გრაფენის ფირის სუბსტრატიდან მოწყვეტის თავიდან აცილებას და MGG-ების სრული დაფარვის უზრუნველყოფას PMMA მატარებელი ფენის გამოთავისუფლების დროს.
MGG სტრუქტურის მორფოლოგია დაკვირვებული იქნა ოპტიკური მიკროსკოპის (Leica) და სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპის (1 კვ; FEI) გამოყენებით. ატომური ძალის მიკროსკოპი (Nanoscope III, Digital Instrument) მუშაობდა შეხების რეჟიმში G სპირალების დეტალების დასაკვირვებლად. ფირის გამჭვირვალობა შემოწმდა ულტრაიისფერი-ხილული სპექტრომეტრით (Agilent Cary 6000i). ტესტებისთვის, როდესაც დეფორმაცია მიმდინარე ნაკადის პერპენდიკულარული მიმართულებით იყო, ფოტოლითოგრაფია და O2 პლაზმა გამოყენებული იქნა გრაფენის სტრუქტურების ზოლებად (~300 მკმ სიგანის და ~2000 მკმ სიგრძის) დასახატად, ხოლო Au (50 ნმ) ელექტროდები თერმულად იქნა დალექილი ჩრდილის ნიღბების გამოყენებით გრძელი მხარის ორივე ბოლოში. შემდეგ გრაფენის ზოლები კონტაქტში შევიდა SEBS ელასტომერთან (~2 სმ სიგანის და ~5 სმ სიგრძის), ზოლების გრძელი ღერძი პარალელურად იყო SEBS-ის მოკლე მხარეს, შემდეგ კი BOE (ბუფერული ოქსიდის გრავირება) (HF:H2O 1:6) გრავირება და ევტექტიკური გალიუმ-ინდიუმის (EGaIn) ელექტრული კონტაქტების სახით. პარალელური დეფორმაციის ტესტებისთვის, SEBS სუბსტრატებზე გადატანილი იქნა არანახაზიანი გრაფენის სტრუქტურები (~5 × 10 მმ), რომელთა გრძელი ღერძები პარალელური იყო SEBS სუბსტრატის გრძელ მხარესთან. ორივე შემთხვევაში, მთელი G (G სპირალების გარეშე)/SEBS გაიჭიმა ელასტომერის გრძელი მხარის გასწვრივ ხელით აპარატში და ადგილზე გავზომეთ მათი წინააღმდეგობის ცვლილებები დეფორმაციის ქვეშ ნახევარგამტარული ანალიზატორის (Keithley 4200-SCS) გამოყენებით ზონდურ სადგურზე.
ელასტიურ სუბსტრატზე განთავსებული მაღალი გაჭიმვის და გამჭვირვალე, მთლიანად ნახშირბადისგან დამზადებული ტრანზისტორები დამზადდა შემდეგი პროცედურებით, რათა თავიდან აცილებულიყო პოლიმერული დიელექტრიკისა და სუბსტრატის ორგანული გამხსნელით დაზიანება. MGG სტრუქტურები გადატანილი იქნა SEBS-ზე, როგორც კარიბჭის ელექტროდები. ერთგვაროვანი თხელი ფირის პოლიმერული დიელექტრული ფენის (2 მკმ სისქის) მისაღებად, SEBS ტოლუოლის (80 მგ/მლ) ხსნარი დატრიალდა ოქტადეცილტრიქლოროსილანის (OTS) მოდიფიცირებულ SiO2/Si სუბსტრატზე 1000 ბრ/წთ სიჩქარით 1 წუთის განმავლობაში. თხელი დიელექტრიკული ფირის გადატანა ადვილად შესაძლებელია ჰიდროფობიური OTS ზედაპირიდან SEBS სუბსტრატზე, რომელიც დაფარულია მომზადებული გრაფენით. კონდენსატორის დამზადება შესაძლებელია თხევადი ლითონის (EGaIn; Sigma-Aldrich) ზედა ელექტროდის დალექვით, რათა განისაზღვროს ტევადობა დაძაბულობის ფუნქციის სახით LCR (ინდუქცია, ტევადობა, წინააღმდეგობა) მრიცხველის (Agilent) გამოყენებით. ტრანზისტორის მეორე ნაწილი შედგებოდა პოლიმერული სორტირებული ნახევარგამტარი CNT-ებისგან, ადრე აღწერილი პროცედურების შესაბამისად (53). ნიმუშიანი წყაროს/დრენაჟის ელექტროდები დამზადდა მყარ SiO2/Si სუბსტრატებზე. შემდგომში, ორი ნაწილი, დიელექტრიკული/G/SEBS და CNT-ები/ნიმუშიანი G/SiO2/Si, ერთმანეთზე იყო ლამინირებული და დასველებული BOE-ში მყარი SiO2/Si სუბსტრატის მოსაშორებლად. ამრიგად, დამზადდა სრულად გამჭვირვალე და გაჭიმვადი ტრანზისტორები. დაძაბულობის ქვეშ ელექტრული ტესტირება ჩატარდა ხელით გაჭიმვის სისტემაზე, ზემოაღნიშნული მეთოდით.
ამ სტატიის დამატებითი მასალა ხელმისაწვდომია შემდეგ ბმულზე: http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
სურ. S1. მონოშრიანი MGG-ის ოპტიკური მიკროსკოპიული გამოსახულებები SiO2/Si სუბსტრატებზე სხვადასხვა გადიდებით.
სურ. S4. მონო-, ორ- და სამშრიანი უბრალო გრაფენის (შავი კვადრატები), MGG-ის (წითელი წრეები) და CNT-ების (ლურჯი სამკუთხედი) ორზონდიანი ფურცლის წინაღობებისა და გამტარობის შედარება 550 ნმ-ზე.
სურ. S7. მონო- და ორშრიანი MGG-ების (შავი) და G-ს (წითელი) ნორმალიზებული წინააღმდეგობის ცვლილება ~1000 ციკლური დეფორმაციის დატვირთვისას, შესაბამისად, 40 და 90%-მდე პარალელური დეფორმაციის დროს.
სურ. S10. SEBS ელასტომერზე სამშრიანი MGG-ის SEM გამოსახულება დაჭიმვის შემდეგ, რომელზეც ჩანს რამდენიმე ბზარზე გრძელი სპირალური ჯვარი.
სურ. S12. სამშრიანი MGG-ის AFM გამოსახულება ძალიან თხელ SEBS ელასტომერზე 20%-იანი დეფორმაციის დროს, რომელიც აჩვენებს, რომ სპირალი გადაკვეთს ბზარს.
ცხრილი S1. ორშრიანი MGG-ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილაკების ტრანზისტორების მობილურობა სხვადასხვა არხის სიგრძეზე დაძაბვამდე და დაძაბვის შემდეგ.
ეს არის ღია წვდომის სტატია, რომელიც გავრცელებულია Creative Commons Attribution-NonCommercial ლიცენზიის პირობებით, რომელიც ნებას რთავს გამოყენებას, გავრცელებას და რეპროდუცირებას ნებისმიერ მედიაში, იმ პირობით, რომ შედეგად მიღებული გამოყენება არ არის კომერციული სარგებლის მისაღებად და იმ პირობით, რომ ორიგინალი ნაშრომი სათანადოდ არის ციტირებული.
შენიშვნა: ჩვენ თქვენს ელექტრონული ფოსტის მისამართს მხოლოდ იმისთვის ვითხოვთ, რომ იმ პირმა, რომელსაც ამ გვერდს ურჩევთ, იცოდეს, რომ თქვენ მისი ნახვა გსურდათ და რომ ეს არ არის არასასურველი ფოსტა. ჩვენ არ ვიღებთ ელექტრონული ფოსტის მისამართს.
ეს კითხვა განკუთვნილია იმის შესამოწმებლად, ხართ თუ არა ადამიანი ვიზიტორი და ავტომატური სპამის გაგზავნის თავიდან ასაცილებლად.
ნან ლიუ, ალექს ჩორტოსი, ტინგ ლეი, ლიხუა ჯინი, ტაეჰო როი კიმი, ვონ-გიუ ბაე, ჩენსინ ჟუ, სიჰონგ ვანგი, რაფაელ პფატნერი, სიიუან ჩენი, რობერტ სინკლერი, ჟენან ბაო
ნან ლიუ, ალექს ჩორტოსი, ტინგ ლეი, ლიხუა ჯინი, ტაეჰო როი კიმი, ვონ-გიუ ბაე, ჩენსინ ჟუ, სიჰონგ ვანგი, რაფაელ პფატნერი, სიიუან ჩენი, რობერტ სინკლერი, ჟენან ბაო
© 2021 ამერიკული ასოციაცია მეცნიერების წინსვლისთვის. ყველა უფლება დაცულია. AAAS არის HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef და COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 პარტნიორი.