ულტრა გამჭვირვალე და ელასტიური გრაფენის ელექტროდები

ორგანზომილებიანი მასალები, როგორიცაა გრაფენი, მიმზიდველია როგორც ჩვეულებრივი ნახევარგამტარული აპლიკაციებისთვის, ასევე მოქნილ ელექტრონიკაში ახალი აპლიკაციებისთვის. თუმცა, გრაფენის მაღალი დაჭიმვის სიძლიერე იწვევს მსხვრევას დაბალი დაძაბულობის დროს, რაც რთულს ხდის მისი არაჩვეულებრივი ელექტრონული თვისებების გამოყენებას გაჭიმვის ელექტრონიკაში. გამჭვირვალე გრაფენის გამტარებლების დაძაბულობაზე დამოკიდებული შესანიშნავი მუშაობის შესასრულებლად, ჩვენ შევქმენით გრაფენის ნანოსკროლები დაწყობილ გრაფენის ფენებს შორის, რომლებსაც უწოდებენ მრავალშრიანი გრაფენის/გრაფენის გრაგნილებს (MGG). დაძაბულობის ქვეშ, ზოგიერთმა გრაგნილმა შეაერთა გრაფენის ფრაგმენტული დომენები, რათა შეენარჩუნებინა გამჭოლი ქსელი, რომელიც შესანიშნავად აძლევდა გამტარობას მაღალი დაძაბულობის დროს. ელასტომერებზე დაყრდნობილი სამშრიანი MGG-ები ინარჩუნებენ თავდაპირველი გამტარობის 65%-ს 100%-იანი დაძაბულობის დროს, რაც პერპენდიკულარულია დენის დინების მიმართულებაზე, მაშინ როცა გრაფენის სამშრიანი ფენები ნანოსკროლების გარეშე ინარჩუნებენ საწყისი გამტარობის მხოლოდ 25%-ს. გაჭიმვადი ნახშირბადის ტრანზისტორი, რომელიც დამზადებულია MGG-ების ელექტროდების გამოყენებით, ავლენდა გადაცემას >90% და ინარჩუნებდა თავდაპირველი დენის 60% 120% დაძაბულობის დროს (მუხტის ტრანსპორტირების მიმართულების პარალელურად). ეს უაღრესად ელასტიური და გამჭვირვალე ნახშირბადის ტრანზისტორები შეიძლება უზრუნველყონ დახვეწილი გაჭიმვადი ოპტოელექტრონიკა.
გაჭიმვადი გამჭვირვალე ელექტრონიკა არის მზარდი სფერო, რომელსაც აქვს მნიშვნელოვანი აპლიკაციები მოწინავე ბიოინტეგრარულ სისტემებში (1, 2) და ასევე აქვს პოტენციალი ინტეგრირდეს გაჭიმულ ოპტოელექტრონიკასთან (3, 4) დახვეწილი რბილი რობოტებისა და დისპლეების წარმოებისთვის. გრაფენი ავლენს ატომის სისქის, მაღალი გამჭვირვალობისა და მაღალი გამტარობის ძალიან სასურველ თვისებებს, მაგრამ მისი დანერგვა გაჭიმვის აპლიკაციებში შეფერხებულია მისი ტენდენციით ბზარების მცირე დაძაბულობის დროს. გრაფენის მექანიკური შეზღუდვების გადალახვამ შეიძლება ახალი ფუნქციონირება გაზარდოს გამჭვირვალე მოწყობილობებში.
გრაფენის უნიკალური თვისებები მას ძლიერ კანდიდატად აქცევს გამჭვირვალე გამტარ ელექტროდების შემდეგი თაობისთვის (5, 6). ყველაზე ხშირად გამოყენებულ გამჭვირვალე გამტართან შედარებით, ინდიუმის კალის ოქსიდთან [ITO; 100 ohms/კვადრატული (კვ) 90% გამჭვირვალობის დროს], ქიმიური ორთქლის დეპონირების გზით (CVD) გაზრდილი ერთფენიანი გრაფენი აქვს ფურცლის წინააღმდეგობის (125 ohms/sq) და გამჭვირვალობის (97.4%) (5). გარდა ამისა, გრაფენის ფილებს აქვს არაჩვეულებრივი მოქნილობა ITO-სთან შედარებით (7). მაგალითად, პლასტმასის სუბსტრატზე, მისი გამტარობა შეიძლება შენარჩუნდეს თუნდაც 0,8 მმ (8) მრუდის მოხრის რადიუსისთვის. მისი ელექტრული მუშაობის, როგორც გამჭვირვალე მოქნილი გამტარის შემდგომი გასაუმჯობესებლად, წინა სამუშაოებმა შეიმუშავეს გრაფენის ჰიბრიდული მასალები ერთგანზომილებიანი (1D) ვერცხლის ნანომავთულებით ან ნახშირბადის ნანომილებით (CNTs) (9–11). გარდა ამისა, გრაფინი გამოიყენებოდა როგორც ელექტროდები შერეული განზომილებიანი ჰეტეროსტრუქტურული ნახევარგამტარებისთვის (როგორიცაა 2D ნაყარი Si, 1D ნანომავთულები/ნანომილები და 0D კვანტური წერტილები) (12), მოქნილი ტრანზისტორები, მზის უჯრედები და სინათლის გამოსხივების დიოდები (LED) (13). -23).
მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენმა აჩვენა პერსპექტიული შედეგები მოქნილი ელექტრონიკისთვის, მისი გამოყენება გაჭიმვის ელექტრონიკაში შეზღუდულია მისი მექანიკური თვისებებით (17, 24, 25); გრაფენს აქვს სიხისტე სიბრტყეში 340 ნ/მ და იანგის მოდული 0,5 ტპა (26). ნახშირბად-ნახშირბადის ძლიერი ქსელი არ უზრუნველყოფს ენერგიის გაფრქვევის მექანიზმებს გამოყენებული დაძაბულობისთვის და, შესაბამისად, ადვილად იბზარება 5%-ზე ნაკლები დაძაბულობის დროს. მაგალითად, პოლიდიმეთილსილოქსანის (PDMS) ელასტიურ სუბსტრატზე გადატანილი CVD გრაფენი მხოლოდ 6%-ზე ნაკლებ დაძაბვაზე შეინარჩუნებს გამტარობას (8). თეორიული გამოთვლები გვიჩვენებს, რომ დაჭიმულობა და ურთიერთდაკავშირება სხვადასხვა ფენებს შორის მკვეთრად უნდა შეამციროს სიხისტე (26). გრაფენის მრავალ ფენად დაწყობით, მოხსენებულია, რომ ეს ორ ან სამშრიანი გრაფენი 30%-იან დაძაბვამდე ჭიმავს, ავლენს წინააღმდეგობის ცვლილებას 13-ჯერ უფრო მცირე, ვიდრე ერთფენიანი გრაფენის (27). თუმცა, ეს დაჭიმულობა ჯერ კიდევ მნიშვნელოვნად ჩამოუვარდება უახლესი ტექნოლოგიის დაჭიმვის გამტარებს (28, 29).
ტრანზისტორები მნიშვნელოვანია გაჭიმვის აპლიკაციებში, რადგან ისინი უზრუნველყოფენ სენსორის დახვეწილ წაკითხვას და სიგნალის ანალიზს (30, 31). ტრანზისტორებს PDMS-ზე მრავალშრიანი გრაფენით, როგორც წყარო/გადინების ელექტროდები და არხის მასალა, შეუძლიათ შეინარჩუნონ ელექტრული ფუნქცია 5% დაძაბულობამდე (32), რაც საგრძნობლად დაბალია საჭირო მინიმალურ მნიშვნელობაზე (~50%) აცვიათ ჯანმრთელობის მონიტორინგის სენსორებისთვის და ელექტრონული კანისთვის ( 33, 34). ახლახან გამოიკვლია გრაფენის კირიგამის მიდგომა და თხევადი ელექტროლიტით შემოსაზღვრული ტრანზისტორი შეიძლება გაიჭიმოს 240%-მდე (35). თუმცა, ეს მეთოდი მოითხოვს შეჩერებულ გრაფენს, რაც ართულებს დამზადების პროცესს.
აქ ჩვენ მივაღწევთ ძლიერ ელასტიურ გრაფენის მოწყობილობებს გრაფენის გრაგნილების (~ 1-დან 20 მკმ-მდე სიგრძის, ~0.1-დან 1 მკმ-მდე სიგანით და ~10-დან 100 ნმ-მდე სიმაღლით) გრაფენის ფენებს შორის ინტერკალებით. ჩვენ ვარაუდობთ, რომ ამ გრაფენის გრაგნილებს შეუძლიათ უზრუნველყონ გამტარ ბილიკები გრაფენის ფურცლებზე ბზარების გადასაკვეთად, რითაც შეინარჩუნებენ მაღალ გამტარობას დაძაბვის დროს. გრაფენის გრაგნილები არ საჭიროებს დამატებით სინთეზს ან დამუშავებას; ისინი ბუნებრივად წარმოიქმნება სველი გადაცემის პროცედურის დროს. მრავალშრიანი G/G (გრაფინი/გრაფენი) გრაგნილების (MGG) გრაფენის გაჭიმვადი ელექტროდების (წყარო/დრენაჟი და კარიბჭე) და ნახევარგამტარი CNT-ების გამოყენებით, ჩვენ შევძელით დემონსტრირება უაღრესად გამჭვირვალე და ძლიერად ელასტიური მთლიანად ნახშირბადის ტრანზისტორების, რომელთა დაჭიმვა შესაძლებელია 120-მდე. % დაძაბულობა (მუხტის ტრანსპორტირების მიმართულების პარალელურად) და ინარჩუნებს ორიგინალური დენის 60%-ს. ეს არის ყველაზე ელასტიური გამჭვირვალე ნახშირბადზე დაფუძნებული ტრანზისტორი და ის უზრუნველყოფს საკმარის დენს არაორგანული LED-ის მართვისთვის.
დიდი ფართობის გამჭვირვალე დაჭიმვადი გრაფენის ელექტროდების ჩასართავად, ჩვენ ავირჩიეთ CVD-ში მოყვანილი გრაფენი Cu ფოლგაზე. Cu კილიტა დაკიდული იყო CVD კვარცის მილის ცენტრში, რათა შესაძლებელი ყოფილიყო გრაფენის ზრდა ორივე მხრიდან და წარმოქმნა G/Cu/G სტრუქტურები. გრაფენის გადასატანად ჯერ პოლი(მეთილმეთაკრილატის) (PMMA) თხელი ფენა დავაბრუნეთ გრაფენის ერთი მხარის დასაცავად, რომელსაც ზედაპირული გრაფენი დავარქვით (გრაფენის მეორე მხარის პირიქით) და შემდგომში მთელი ფილმი (PMMA/ზედა გრაფენი/Cu/ქვედა გრაფენი) იყო გაჟღენთილი (NH4)2S2O8 ხსნარში, რათა მოშორებულიყო Cu კილიტა. ქვედა მხარის გრაფენს PMMA საფარის გარეშე აუცილებლად ექნება ბზარები და დეფექტები, რაც საშუალებას აძლევს ეტანტს შეაღწიოს შიგნით (36, 37). როგორც ილუსტრირებულია ნახ. 1A-ზე, ზედაპირული დაძაბულობის ზემოქმედების ქვეშ, გამოთავისუფლებული გრაფენის დომენები გადავიდა გრაგნილებად და შემდგომ მიმაგრებულია ზედა-G/PMMA ფილაზე. ზედა-G/G გრაგნილები შეიძლება გადაიტანოს ნებისმიერ სუბსტრატზე, როგორიცაა SiO2/Si, მინა ან რბილი პოლიმერი. ამ გადატანის პროცესის რამდენჯერმე გამეორება იმავე სუბსტრატზე იძლევა MGG სტრუქტურებს.
(A) სქემატური ილუსტრაცია MGG-ების, როგორც გადაჭიმული ელექტროდის დამზადების პროცედურის შესახებ. გრაფენის გადატანის დროს, უკანა მხარე გრაფენი Cu კილიტაზე გატყდა საზღვრებსა და დეფექტებს, შემოვიდა თვითნებურ ფორმებად და მჭიდროდ მიმაგრდა ზედა ფენებზე, ქმნიდა ნანოსკროლებს. მეოთხე მულტფილმი ასახავს დაწყობილ MGG სტრუქტურას. (B და C) ერთფენიანი MGG-ის მაღალი გარჩევადობის TEM დახასიათებები, ფოკუსირებული მონოფენის გრაფენზე (B) და გადახვევის (C) რეგიონზე, შესაბამისად. (B)-ის ჩასმა არის დაბალი გადიდების სურათი, რომელიც აჩვენებს ერთფენიანი MGG-ების მთლიან მორფოლოგიას TEM ქსელში. ჩასმა (C) არის ინტენსივობის პროფილები, რომლებიც აღებულია სურათზე მითითებული მართკუთხა ყუთების გასწვრივ, სადაც ატომურ სიბრტყეებს შორის მანძილი არის 0.34 და 0.41 ნმ. (D ) ნახშირბადის K-Edge EEL სპექტრი დამახასიათებელი გრაფიკული π* და σ* მწვერვალებით ეტიკეტირებული. (E) ერთფენიანი G/G გრაგნილების სექციური AFM ​​გამოსახულება სიმაღლის პროფილით ყვითელი წერტილოვანი ხაზის გასწვრივ. (F-დან I) ოპტიკური მიკროსკოპია და AFM გამოსახულება სამ ფენის G-ს გარეშე (F და H) და გრაგნილებით (G და I) 300 ნმ სისქის SiO2/Si სუბსტრატებზე, შესაბამისად. წარმომადგენლობითი გრაგნილები და ნაოჭები მონიშნული იყო მათი განსხვავებების ხაზგასასმელად.
იმის დასადასტურებლად, რომ გრაგნილები ნაგლინი გრაფენის ბუნებაშია, ჩვენ ჩავატარეთ მაღალი გარჩევადობის გადაცემის ელექტრონული მიკროსკოპია (TEM) და ელექტრონის ენერგიის დაკარგვის (EEL) სპექტროსკოპიული კვლევები ერთფენიანი top-G/G გრაგნილის სტრუქტურებზე. სურათი 1B გვიჩვენებს მონოფენის გრაფენის ექვსკუთხა სტრუქტურას და ჩასმა არის ფილმის მთლიანი მორფოლოგია, რომელიც დაფარულია TEM ბადის ერთ ნახშირბადის ხვრელზე. ერთფენიანი გრაფენი მოიცავს ქსელის უმეტეს ნაწილს და გრაფენის ზოგიერთი ფანტელი ექვსკუთხა რგოლების მრავალი დასტაების თანდასწრებით ჩნდება (ნახ. 1B). ინდივიდუალურ გრაგნილზე გადიდებით (ნახ. 1C), ჩვენ დავაკვირდით გრაფენის გისოსების დიდ რაოდენობას, გისოსების მანძილი 0,34-დან 0,41 ნმ-მდე. ეს გაზომვები ვარაუდობს, რომ ფანტელები შემთხვევით შემოხვეულია და არ არის სრულყოფილი გრაფიტი, რომელსაც აქვს გისოსების მანძილი 0,34 ნმ "ABAB" ფენის დაწყობისას. სურათი 1D გვიჩვენებს ნახშირბადის K-Edge EEL სპექტრს, სადაც პიკი 285 eV-ზე სათავეს იღებს π* ორბიტალიდან, ხოლო მეორე დაახლოებით 290 eV არის σ* ორბიტალის გადასვლის გამო. ჩანს, რომ sp2 კავშირი დომინირებს ამ სტრუქტურაში, რაც ადასტურებს, რომ გრაგნილები ძალიან გრაფიკულია.
ოპტიკური მიკროსკოპისა და ატომური ძალის მიკროსკოპის (AFM) გამოსახულებები იძლევა ხედვას გრაფენის ნანოსკროლების განაწილებაზე MGG-ებში (ნახ. 1, E-დან G-მდე და ნახ. S1 და S2). გრაგნილები შემთხვევით ნაწილდება ზედაპირზე და მათი სიბრტყეში სიმკვრივე იზრდება დაწყობილი ფენების რაოდენობის პროპორციულად. ბევრი გრაგნილი ჩახლართულია კვანძებად და ავლენს არაერთგვაროვან სიმაღლეებს 10-დან 100 ნმ-მდე. მათი სიგრძეა 1-დან 20 მკმ-მდე და სიგანე 0,1-დან 1 მკმ-მდე, რაც დამოკიდებულია მათი საწყისი გრაფენის ფანტელების ზომებზე. როგორც ნახ. 1-ში (H და I), გრაგნილებს აქვთ ნაოჭებთან შედარებით უფრო დიდი ზომები, რაც იწვევს ბევრად უფრო უხეში ინტერფეისს გრაფენის ფენებს შორის.
ელექტრული თვისებების გასაზომად, ჩვენ დავხატეთ გრაფენის ფილმები გრაგნილის სტრუქტურებით ან მის გარეშე და ფენების დაწყობა 300 მკმ სიგანის და 2000 მკმ სიგრძის ზოლებად ფოტოლითოგრაფიის გამოყენებით. ორი ზონდის წინააღმდეგობა, როგორც დაძაბულობის ფუნქცია, გაზომილი იყო გარემო პირობებში. გრაგნილების არსებობამ შეამცირა ერთფენიანი გრაფენის წინაღობა 80%-ით და მხოლოდ 2.2%-ით შემცირდა გამტარობა (ნახ. S4). ეს ადასტურებს, რომ ნანოსკროლებს, რომლებსაც აქვთ მაღალი დენის სიმკვრივე 5 × 107 ა/სმ2-მდე (38, 39), ძალიან დადებით ელექტრული წვლილი შეაქვს MGG-ებში. ყველა მონო-, ორ- და სამშრიან უბრალო გრაფენსა და MGG-ს შორის, სამშრიანი MGG-ს აქვს საუკეთესო გამტარობა თითქმის 90%-იანი გამჭვირვალობით. ლიტერატურაში მოხსენებულ გრაფენის სხვა წყაროებთან შესადარებლად, ჩვენ ასევე გავზომეთ ოთხი ზონდის ფურცლის წინააღმდეგობა (ნახ. S5) და ჩამოვთვალეთ ისინი, როგორც გადაცემის ფუნქცია 550 ნმ (ნახ. S6) ნახაზზე 2A. MGG აჩვენებს შედარებად ან უფრო მაღალ გამტარობას და გამჭვირვალობას, ვიდრე ხელოვნურად დაწყობილი მრავალფენიანი ჩვეულებრივი გრაფენი და შემცირებული გრაფენის ოქსიდი (RGO) (6, 8, 18). გაითვალისწინეთ, რომ ხელოვნურად დაწყობილი მრავალშრიანი უბრალო გრაფინის ფურცლის წინააღმდეგობა ლიტერატურიდან ოდნავ უფრო მაღალია, ვიდრე ჩვენი MGG, ალბათ მათი არაოპტიმიზებული ზრდის პირობებისა და გადაცემის მეთოდის გამო.
(A) ოთხი ზონდის ფურცლის წინააღმდეგობა 550 ნმ-ზე გადაცემის წინააღმდეგ გრაფენის რამდენიმე ტიპისთვის, სადაც შავი კვადრატები აღნიშნავენ მონო-, ორ- და სამშრიან MGG-ებს; წითელი წრეები და ლურჯი სამკუთხედები შეესაბამება მრავალშრიან უბრალო გრაფენს, რომელიც გაიზარდა Cu-სა და Ni-ზე Li et al-ის კვლევებიდან. (6) და კიმ და სხვ. (8), შესაბამისად, და შემდგომში გადატანილი SiO2/Si ან კვარცზე; და მწვანე სამკუთხედები არის მნიშვნელობები RGO-სთვის სხვადასხვა შემცირების ხარისხით Bonaccorso et al-ის შესწავლიდან. (18). (B და C) მონო-, ორ- და სამშრიანი MGG-ების და G-ის ნორმალიზებული წინააღმდეგობის ცვლილება დენის დინების მიმართულებაზე პერპენდიკულარული (B) და პარალელური (C) დაძაბულობის ფუნქციით. (D) ორ ფენის G (წითელი) და MGG (შავი) წინააღმდეგობის ნორმალიზებული ცვლილება ციკლური დაძაბულობის 50%-მდე პერპენდიკულარულ დაძაბვამდე. (E) სამშრის G (წითელი) და MGG (შავი) რეზისტენტობის ნორმალიზებული ცვლილება ციკლური დაძაბულობის 90%-მდე პარალელური დაძაბვის პირობებში. (F) მონო-, ორ- და სამფენიანი G-ისა და ორ- და სამშრიანი MGG-ების ტევადობის ნორმალიზებული ცვლილება, როგორც დაძაბულობის ფუნქცია. ჩანართი არის კონდენსატორის სტრუქტურა, სადაც პოლიმერული სუბსტრატი არის SEBS და პოლიმერული დიელექტრიკული ფენა არის 2 მკმ სისქის SEBS.
MGG-ის დაძაბულობაზე დამოკიდებული მოქმედების შესაფასებლად, ჩვენ გადავიტანეთ გრაფენი თერმოპლასტიკური ელასტომერული სტირონი-ეთილენ-ბუტადიენ-სტიროლის (SEBS) სუბსტრატებზე (~2 სმ სიგანე და ~5 სმ სიგრძე) და გამტარობა გავზომეთ სუბსტრატის დაჭიმვისას. (იხ. მასალები და მეთოდები) როგორც პერპენდიკულარული, ასევე დენის დინების მიმართულების პარალელურად (ნახ. 2, B და C). დაძაბულობაზე დამოკიდებული ელექტრული ქცევა გაუმჯობესდა ნანოსკროლების ჩართვისა და გრაფენის ფენების რაოდენობის გაზრდით. მაგალითად, როდესაც დაძაბულობა პერპენდიკულარულია დენის ნაკადზე, ერთფენიანი გრაფენისთვის, გრაგნილების დამატებამ გაზარდა დაძაბულობა ელექტრული რღვევის დროს 5-დან 70%-მდე. სამფენიანი გრაფენის დაძაბულობის ტოლერანტობა ასევე მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებულია ერთფენიან გრაფენთან შედარებით. ნანოსკროლებით, 100% პერპენდიკულარული დაძაბვისას, სამშრიანი MGG სტრუქტურის წინააღმდეგობა მხოლოდ 50%-ით გაიზარდა, ვიდრე 300%-ით სამფენიანი გრაფინის გრაგნილების გარეშე. გამოკვლეული იყო წინააღმდეგობის ცვლილება ციკლური დაძაბულობის დატვირთვის ქვეშ. შედარებისთვის (ნახ. 2D), უბრალო ორფენიანი გრაფენის ფირის წინააღმდეგობა გაიზარდა დაახლოებით 7,5-ჯერ ~ 700 ციკლის შემდეგ 50% პერპენდიკულარული დაძაბულობის დროს და იზრდებოდა ყოველ ციკლში დაძაბვით. მეორეს მხრივ, ორფენიანი MGG-ის წინააღმდეგობა მხოლოდ 2,5-ჯერ გაიზარდა ~ 700 ციკლის შემდეგ. პარალელური მიმართულებით 90%-მდე დაძაბვისას, სამფენიანი გრაფენის წინააღმდეგობა გაიზარდა ~ 100-ჯერ 1000 ციკლის შემდეგ, მაშინ როცა ის მხოლოდ ~ 8-ჯერ არის სამშრიანი MGG-ში (ნახ. 2E). ველოსიპედის შედეგები ნაჩვენებია ნახ. S7. წინაღობის შედარებით უფრო სწრაფი მატება დაძაბულობის პარალელური მიმართულებით არის იმის გამო, რომ ბზარების ორიენტაცია პერპენდიკულარულია დენის დინების მიმართულებაზე. დატვირთვისა და გადმოტვირთვის დაძაბვის დროს წინააღმდეგობის გადახრა განპირობებულია SEBS ელასტომერის სუბსტრატის ვიზოელასტიური აღდგენით. MGG ზოლების უფრო სტაბილური წინააღმდეგობა ველოსიპედის დროს განპირობებულია დიდი გრაგნილების არსებობით, რომლებსაც შეუძლიათ გრაფენის დაბზარული ნაწილების ხიდი (როგორც AFM-ის დაკვირვებით), რაც ხელს უწყობს გაჟღენთილი გზის შენარჩუნებას. გამტარობის შენარჩუნების ეს ფენომენი ადრე იყო მოხსენებული ელასტომერულ სუბსტრატებზე დაბზარული ლითონის ან ნახევარგამტარული ფენებისთვის (40, 41).
ამ გრაფენზე დაფუძნებული ფილმების, როგორც კარიბჭის ელექტროდების შესაფასებლად გადაჭიმულ მოწყობილობებში, ჩვენ დავფარეთ გრაფენის ფენა SEBS დიელექტრიკული ფენით (2 მკმ სისქით) და დავაკვირდით დიელექტრიკული ტევადობის ცვლილებას დაძაბულობის ფუნქციაზე (იხ. ნახაზი 2F და დამატებითი მასალები დეტალები). ჩვენ დავაკვირდით, რომ ტევადობა უბრალო ერთფენიანი და ორფენიანი გრაფენის ელექტროდებით სწრაფად შემცირდა გრაფენის სიბრტყეში გამტარობის დაკარგვის გამო. ამის საპირისპიროდ, MGG-ებით დაფარულმა ტევადობამ, ისევე როგორც უბრალო სამშრიანი გრაფენმა, აჩვენა ტევადობის ზრდა დაძაბვით, რაც მოსალოდნელია დიელექტრიკის სისქის დაძაბვით შემცირების გამო. ტევადობის მოსალოდნელი ზრდა ძალიან კარგად ემთხვევა MGG სტრუქტურას (ნახ. S8). ეს მიუთითებს იმაზე, რომ MGG შესაფერისია როგორც კარიბჭე ელექტროდი გაჭიმვადი ტრანზისტორებისთვის.
1D გრაფენის გრაგნილის როლის შემდგომი გამოსაკვლევად ელექტრული გამტარობის დაძაბვის ტოლერანტობაზე და გრაფენის ფენებს შორის განცალკევების უკეთ გასაკონტროლებლად, ჩვენ გამოვიყენეთ სპრეით დაფარული CNT-ები გრაფენის გრაგნილების ჩასანაცვლებლად (იხ. დამატებითი მასალები). MGG სტრუქტურების მიბაძვის მიზნით, ჩვენ მოვათავსეთ CNT-ების სამი სიმკვრივე (ანუ CNT1
(A-დან C) AFM გამოსახულება CNT-ების სამი განსხვავებული სიმკვრივით (CNT1
მათი, როგორც ელექტროდების, გადაჭიმვის ელექტრონიკის შესაძლებლობების გასაგებად, ჩვენ სისტემატურად გამოვიკვლიეთ MGG და G-CNT-G მორფოლოგია დაძაბულობის ქვეშ. ოპტიკური მიკროსკოპია და სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპია (SEM) არ არის ეფექტური დახასიათების მეთოდები, რადგან ორივეს არ გააჩნია ფერის კონტრასტი და SEM ექვემდებარება გამოსახულების არტეფაქტებს ელექტრონული სკანირების დროს, როდესაც გრაფენი პოლიმერულ სუბსტრატებზეა (ნახ. S9 და S10). გრაფენის ზედაპირის ადგილზე დასაკვირვებლად დაძაბვის ქვეშ, ჩვენ შევაგროვეთ AFM გაზომვები სამფენიან MGG-ებზე და უბრალო გრაფენზე ძალიან თხელ (~0.1 მმ სისქის) და ელასტიურ SEBS სუბსტრატებზე გადატანის შემდეგ. CVD გრაფენის შინაგანი დეფექტების და გადატანის პროცესის დროს გარეგანი დაზიანების გამო, დაძაბულ გრაფენზე აუცილებლად წარმოიქმნება ბზარები და დაძაბულობის მატებასთან ერთად ბზარები უფრო მკვრივი ხდება (ნახ. 4, A-დან D-მდე). ნახშირბადზე დაფუძნებული ელექტროდების დაწყობის სტრუქტურიდან გამომდინარე, ბზარები ავლენს სხვადასხვა მორფოლოგიას (ნახ. S11) (27). მრავალშრიანი გრაფენის ბზარის ფართობის სიმკვრივე (განსაზღვრული, როგორც ბზარის არე/გაანალიზებული არე) ნაკლებია, ვიდრე მონოფენის გრაფენის დაძაბვის შემდეგ, რაც შეესაბამება MGG-ების ელექტრული გამტარობის ზრდას. მეორეს მხრივ, ხშირად შეინიშნება გრაგნილები, რომლებიც ახდენენ ბზარებს, რაც უზრუნველყოფს დამატებით გამტარ ბილიკებს დაძაბულ ფილმში. მაგალითად, როგორც ნაჩვენებია ნახაზი 4B სურათზე, ფართო გრაგნილი გადაკვეთა ნაპრალს სამშრიანი MGG-ში, მაგრამ გადახვევა არ შეიმჩნევა უბრალო გრაფენში (ნახ. 4, E-დან H-მდე). ანალოგიურად, CNT-ები ასევე ახიდებდნენ გრაფენის ბზარებს (ნახ. S11). ბზარის ფართობის სიმკვრივე, გადახვევის არეალის სიმკვრივე და ფილმების უხეშობა შეჯამებულია ნახ. 4K-ში.
(A-დან H) სამფენიანი G/G გრაგნილების (A-დან D) და სამშრიანი G სტრუქტურების (E-დან H-მდე) in situ AFM გამოსახულებები ძალიან თხელ SEBS-ზე (~0.1 მმ სისქის) ელასტომერზე 0, 20, 60 და 100. % დაძაბულობა. წარმომადგენლობითი ბზარები და გრაგნილები მითითებულია ისრებით. ყველა AFM სურათი არის 15 μm × 15 μm ფართობზე, იგივე ფერის მასშტაბის ზოლის გამოყენებით, როგორც ეტიკეტზე. (I) სიმულაციური გეომეტრია შაბლონური ერთფენიანი გრაფენის ელექტროდების SEBS სუბსტრატზე. (J) სიმულაციური კონტურული რუკა მაქსიმალური ძირითადი ლოგარითმული დაძაბულობის მონოფენის გრაფენში და SEBS სუბსტრატში 20% გარეგანი დაძაბულობის დროს. (K) ბზარის ფართობის სიმკვრივის (წითელი სვეტი), გადახვევის ფართობის სიმკვრივის (ყვითელი სვეტი) და ზედაპირის უხეშობის (ლურჯი სვეტი) შედარება სხვადასხვა გრაფენის სტრუქტურებისთვის.
როდესაც MGG ფირები იჭიმება, არსებობს მნიშვნელოვანი დამატებითი მექანიზმი, რომ გრაგნილებს შეუძლიათ გადალახონ გრაფენის დაბზარული რეგიონები, შეინარჩუნონ გამჭოლი ქსელი. გრაფენის გრაგნილები პერსპექტიულია, რადგან ისინი შეიძლება იყოს ათობით მიკრომეტრი სიგრძით და, შესაბამისად, შეუძლიათ გადალახონ ბზარები, რომლებიც ჩვეულებრივ მიკრომეტრამდეა. გარდა ამისა, იმის გამო, რომ გრაგნილები შედგება გრაფენის მრავალ ფენისგან, მოსალოდნელია, რომ მათ ექნებათ დაბალი წინააღმდეგობა. შედარებისთვის, შედარებით მკვრივი (დაბალი გამტარობის) CNT ქსელები საჭიროა შედარებითი გამტარი ხიდის შესაძლებლობის უზრუნველსაყოფად, რადგან CNT-ები უფრო მცირეა (როგორც წესი, რამდენიმე მიკრომეტრი სიგრძით) და ნაკლებად გამტარი ვიდრე გრაგნილები. მეორეს მხრივ, როგორც ნაჩვენებია ნახ. S12, მაშინ როდესაც გრაფენი ბზარავს გაჭიმვის დროს დაძაბულობის დასაკმაყოფილებლად, გრაგნილები არ იბზარება, რაც მიუთითებს იმაზე, რომ ეს უკანასკნელი შესაძლოა ძირს სრიალდეს გრაფენზე. მიზეზი იმისა, რომ ისინი არ იბზარება, სავარაუდოდ გამოწვეულია გრაფენის მრავალი ფენისგან შემდგარი სტრუქტურით (~ 1-დან 2 0 μm სიგრძით, ~ 0,1-დან 1 μm-მდე სიგანით და ~ 10-დან 100 ნმ-მდე სიმაღლით), რომელსაც აქვს უფრო მაღალი ეფექტური მოდული ვიდრე ერთშრიანი გრაფენი. როგორც Green and Hersam (42) იტყობინება, მეტალის CNT ქსელებს (მილის დიამეტრი 1.0 ნმ) შეუძლიათ მიაღწიონ ფურცლის დაბალ წინააღმდეგობას <100 ohms/sq მიუხედავად CNT-ებს შორის შეერთების დიდი წინააღმდეგობისა. იმის გათვალისწინებით, რომ ჩვენს გრაფენის გრაგნილებს აქვთ სიგანე 0,1-დან 1 μm-მდე და რომ G/G გრაგნილებს აქვთ ბევრად უფრო დიდი კონტაქტის არეები, ვიდრე CNT-ებს, კონტაქტის წინააღმდეგობა და კონტაქტის არე გრაფენისა და გრაფენის გრაგნილებს შორის არ უნდა იყოს შემზღუდველი ფაქტორები მაღალი გამტარობის შესანარჩუნებლად.
გრაფენს გაცილებით მაღალი მოდული აქვს ვიდრე SEBS სუბსტრატს. მიუხედავად იმისა, რომ გრაფენის ელექტროდის ეფექტური სისქე გაცილებით დაბალია, ვიდრე სუბსტრატის, გრაფენის სიხისტე მის სისქეზე შედარებულია სუბსტრატის სისქესთან (43, 44), რაც იწვევს ზომიერ ხისტი კუნძულის ეფექტს. ჩვენ მოვახდინეთ 1 ნმ სისქის გრაფენის დეფორმაციის სიმულაცია SEBS სუბსტრატზე (იხილეთ დამატებითი მასალები დეტალებისთვის). სიმულაციის შედეგების მიხედვით, როდესაც SEBS სუბსტრატს გარედან 20%-იანი დაძაბულობა ედება, გრაფენის საშუალო დაძაბვა არის ~6.6% (ნახ. 4J და ნახ. S13D), რაც შეესაბამება ექსპერიმენტულ დაკვირვებებს (იხ. ნახ. S13). . ჩვენ შევადარეთ შტამი გრაფენის და სუბსტრატის ზონებში ოპტიკური მიკროსკოპის გამოყენებით და აღმოვაჩინეთ, რომ სუბსტრატის რეგიონში შტამი მინიმუმ ორჯერ მეტია გრაფენის რეგიონში. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ გრაფენის ელექტროდის შაბლონებზე გამოყენებული დაძაბულობა შეიძლება მნიშვნელოვნად შემოიფარგლოს, რაც ქმნის გრაფენის ხისტ კუნძულებს SEBS-ის თავზე (26, 43, 44).
აქედან გამომდინარე, MGG ელექტროდების უნარი შეინარჩუნონ მაღალი გამტარობა მაღალი დაძაბვის დროს, სავარაუდოდ, ორი ძირითადი მექანიზმით არის დაშვებული: (i) გრაგნილებს შეუძლიათ გადალახონ გათიშული რეგიონები გამტარი პერკოლაციის ბილიკის შესანარჩუნებლად, და (ii) მრავალშრიანი გრაფენის ფურცლები/ელასტომერი შეიძლება სრიალდეს. ერთმანეთზე, რაც იწვევს გრაფენის ელექტროდებზე დატვირთვის შემცირებას. ელასტომერზე გადატანილი გრაფენის მრავალი ფენისთვის, ფენები ერთმანეთთან მჭიდროდ არ არის მიმაგრებული, რაც შეიძლება სრიალდეს დაძაბვის საპასუხოდ (27). გრაგნილებმა ასევე გაზარდა გრაფენის ფენების უხეშობა, რამაც შეიძლება ხელი შეუწყოს გრაფენის ფენებს შორის განცალკევების გაზრდას და, შესაბამისად, გრაფენის ფენების სრიალის საშუალებას.
ყველა ნახშირბადის მოწყობილობები ენთუზიაზმით გამოირჩევიან დაბალი ღირებულებისა და მაღალი გამტარუნარიანობის გამო. ჩვენს შემთხვევაში, მთლიანად ნახშირბადის ტრანზისტორები დამზადდა ქვედა გრაფენის კარიბჭის, ზედა გრაფენის წყაროს/დრენაჟის კონტაქტის, დახარისხებული CNT ნახევარგამტარის და SEBS-ის, როგორც დიელექტრიკის გამოყენებით (ნახ. 5A). როგორც ნახაზი 5B-ზეა ნაჩვენები, მთლიანად ნახშირბადის მოწყობილობა CNT-ებით, როგორც წყარო/დრენაჟი და კარიბჭე (ქვედა მოწყობილობა) უფრო გაუმჭვირვალეა ვიდრე მოწყობილობა გრაფენის ელექტროდებით (ზედა მოწყობილობა). ეს იმიტომ ხდება, რომ CNT ქსელებს უფრო დიდი სისქე და, შესაბამისად, უფრო დაბალი ოპტიკური ტრანსმისია სჭირდებათ გრაფენის მსგავსი ფურცლის წინააღმდეგობის მისაღწევად (ნახ. S4). სურათი 5 (C და D) გვიჩვენებს წარმომადგენლობითი გადაცემის და გამომავალი მრუდები დაძაბვამდე ტრანზისტორისთვის, რომელიც დამზადებულია ორშირიანი MGG ელექტროდებით. დაძაბული ტრანზისტორის არხის სიგანე და სიგრძე იყო, შესაბამისად, 800 და 100 მკმ. გაზომილი ჩართვა/გამორთვის კოეფიციენტი 103-ზე მეტია ჩართვის და გამორთვის დენებით 10−5 და 10−8 A დონეზე, შესაბამისად. გამომავალი მრუდი აჩვენებს იდეალურ ხაზოვან და სატურაციის რეჟიმებს მკაფიო კარიბჭე-ძაბვის დამოკიდებულებით, რაც მიუთითებს იდეალურ კონტაქტზე CNT-ებსა და გრაფენის ელექტროდებს შორის (45). გრაფინის ელექტროდებთან კონტაქტის წინააღმდეგობა დაფიქსირდა უფრო დაბალი, ვიდრე აორთქლებული Au ფილმის (იხ. ნახ. S14). გაჭიმვადი ტრანზისტორის გაჯერების მობილურობა არის დაახლოებით 5,6 სმ2/Vs, იგივე პოლიმერული დახარისხებული CNT ტრანზისტორების ხისტი Si სუბსტრატებზე 300 ნმ SiO2 დიელექტრიკულ ფენად. მობილობის შემდგომი გაუმჯობესება შესაძლებელია მილის ოპტიმიზებული სიმკვრივით და სხვა ტიპის მილებით (46).
(A) გრაფენზე დაფუძნებული გაჭიმვადი ტრანზისტორის სქემა. SWNTs, ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები. (B) გრაფენის ელექტროდების (ზემოდან) და CNT ელექტროდებისგან (ქვემოდან) დამზადებული გასაჭიმი ტრანზისტორების ფოტო. განსხვავება გამჭვირვალობაში აშკარად შესამჩნევია. (C და D) გრაფენზე დაფუძნებული ტრანზისტორის გადატანა და გამომავალი მრუდები SEBS-ზე დაძაბვამდე. (E და F) გადაცემის მრუდები, ჩართვისა და გამორთვის დენი, ჩართვა/გამორთვის კოეფიციენტი და გრაფენზე დაფუძნებული ტრანზისტორის მობილურობა სხვადასხვა შტამებზე.
როდესაც გამჭვირვალე, მთლიანად ნახშირბადის მოწყობილობა დაჭიმული იყო მუხტის ტრანსპორტირების მიმართულების პარალელურად, დაფიქსირდა მინიმალური დეგრადაცია 120%-მდე დაძაბვამდე. გაჭიმვის დროს, მობილურობა განუწყვეტლივ მცირდებოდა 5.6 სმ2/ვ-დან 0% დაძაბვისას 2.5 სმ2/Vs-მდე 120% დაძაბვისას (ნახ. 5F). ჩვენ ასევე შევადარეთ ტრანზისტორის შესრულება სხვადასხვა არხის სიგრძისთვის (იხ. ცხრილი S1). აღსანიშნავია, რომ 105%-მდე დაძაბვისას ყველა ამ ტრანზისტორს მაინც ავლენდა მაღალი ჩართვა/გამორთვის კოეფიციენტი (>103) და მობილურობა (>3 სმ2/Vs). გარდა ამისა, ჩვენ შევაჯამეთ ყველა ბოლო სამუშაო ნახშირბადის ტრანზისტორებზე (იხ. ცხრილი S2) (47–52). ელასტომერებზე მოწყობილობის დამზადების ოპტიმიზაციისა და MGG-ების კონტაქტებად გამოყენებით, ჩვენი მთლიანად ნახშირბადის ტრანზისტორები აჩვენებენ კარგ ეფექტურობას მობილურობისა და ჰისტერეზის თვალსაზრისით, ასევე ძლიერ ელასტიურობას.
როგორც სრულად გამჭვირვალე და ელასტიური ტრანზისტორის გამოყენება, ჩვენ გამოვიყენეთ ის LED-ის გადართვის გასაკონტროლებლად (ნახ. 6A). როგორც ნაჩვენებია ნახ. 6B-ზე, მწვანე LED ნათლად ჩანს ზემოდან მოთავსებული მთლიანად ნახშირბადის გადაჭიმვის მოწყობილობის მეშვეობით. ~100%-მდე გაჭიმვისას (ნახ. 6, C და D), LED განათების ინტენსივობა არ იცვლება, რაც შეესაბამება ზემოთ აღწერილ ტრანზისტორის მუშაობას (იხ. ფილმი S1). ეს არის პირველი მოხსენება გრაფენის ელექტროდების გამოყენებით დაჭიმვის საკონტროლო ერთეულების შესახებ, რაც ასახავს გრაფენის გაჭიმვის ელექტრონიკის ახალ შესაძლებლობებს.
(A) ტრანზისტორის ჩართვა LED-ის მართვისთვის. GND, ადგილზე. (B) გაჭიმვადი და გამჭვირვალე ნახშირბადის ტრანზისტორის ფოტო 0% დაძაბვით, რომელიც დამონტაჟებულია მწვანე LED-ზე. (C) ნახშირბადის გამჭვირვალე და ელასტიური ტრანზისტორი, რომელიც გამოიყენება LED-ის გადართვისთვის, დამონტაჟებულია LED-ის ზემოთ 0% (მარცხნივ) და ~ 100% დაძაბვაზე (მარჯვნივ). თეთრი ისრები მიუთითებს ყვითელ მარკერებზე მოწყობილობაზე, რათა აჩვენოს მანძილის ცვლილება დაჭიმული. (D) დაჭიმული ტრანზისტორის გვერდითი ხედი, LED-ით ელასტომერში ჩასმული.
დასასრულს, ჩვენ შევიმუშავეთ გამჭვირვალე გამტარ გრაფენის სტრუქტურა, რომელიც ინარჩუნებს მაღალ გამტარობას დიდი შტამების ქვეშ, როგორც გადაჭიმული ელექტროდები, რაც ჩართულია გრაფენის ნანოსკროლებით დაწყობილ გრაფენის ფენებს შორის. ამ ორ და სამშრიანი MGG ელექტროდურ სტრუქტურებს ელასტომერზე შეუძლიათ შეინარჩუნონ 21 და 65%, შესაბამისად, მათი 0% დაძაბულობის გამტარობა 100%-მდე მაღალი დაძაბვისას, შედარებით 5% დაძაბვისას გამტარობის სრულ დაკარგვასთან ტიპიური მონოფენის გრაფენის ელექტროდებისთვის. . გრაფენის გრაგნილების დამატებითი გამტარი ბილიკები, ისევე როგორც სუსტი ურთიერთქმედება გადატანილ ფენებს შორის, ხელს უწყობს უმაღლესი გამტარობის სტაბილურობას დაძაბვის დროს. ჩვენ შემდგომში გამოვიყენეთ ეს გრაფენის სტრუქტურა მთლიანად ნახშირბადის გაჭიმვის ტრანზისტორების დასამზადებლად. ჯერჯერობით, ეს არის ყველაზე ელასტიური გრაფენზე დაფუძნებული ტრანზისტორი, საუკეთესო გამჭვირვალობით, დამაგრების გამოყენების გარეშე. მიუხედავად იმისა, რომ წინამდებარე კვლევა ჩატარდა გრაფენის გასააქტიურებლად დაჭიმვის ელექტრონიკისთვის, ჩვენ გვჯერა, რომ ეს მიდგომა შეიძლება გაფართოვდეს სხვა 2D მასალებზე, რათა ჩართოს გაჭიმვადი 2D ელექტრონიკა.
დიდი ფართობის CVD გრაფენი გაიზარდა შეჩერებულ Cu ფოლგაზე (99,999%; Alfa Aesar) მუდმივი წნევის ქვეშ 0,5 mtorr 50–SCCM (სტანდარტული კუბური სანტიმეტრი წუთში) CH4 და 20–SCCM H2 როგორც წინამორბედები 1000C ტემპერატურაზე. Cu ფოლგის ორივე მხარე დაფარული იყო ერთფენიანი გრაფენით. PMMA-ს თხელი ფენა (2000 rpm; A4, Microchem) დატრიალებული იყო Cu ფოლგის ერთ მხარეს, ქმნიდა PMMA/G/Cu კილიტა/G სტრუქტურას. შემდგომში, მთელი ფილმი გაჟღენთილი იყო 0,1 მ ამონიუმის პერსულფატის [(NH4)2S2O8] ხსნარში დაახლოებით 2 საათის განმავლობაში, რათა მოშორებულიყო Cu კილიტა. ამ პროცესის დროს, დაუცველი უკანა გრაფენი ჯერ მარცვლის საზღვრებს გახევდა, შემდეგ კი გრაგნილებად გადაიზარდა ზედაპირული დაძაბულობის გამო. გრაგნილები მიმაგრებული იყო PMMA-ზე მხარდაჭერილ ზედა გრაფენის ფილაზე, ქმნიდა PMMA/G/G გრაგნილებს. ფილმები შემდგომში რამდენჯერმე გარეცხეს დეიონიზებულ წყალში და დაიტანეს სამიზნე სუბსტრატზე, როგორიცაა ხისტი SiO2/Si ან პლასტმასის სუბსტრატი. როგორც კი მიმაგრებული ფილმი სუბსტრატზე გაშრება, ნიმუში თანმიმდევრულად გაჟღენთილია აცეტონში, 1:1 აცეტონში/IPA (იზოპროპილ სპირტი) და IPA-ში თითო 30 წამის განმავლობაში PMMA-ს მოსაშორებლად. ფილმები გაცხელდა 100°C-ზე 15 წუთის განმავლობაში ან ინახებოდა ვაკუუმში მთელი ღამის განმავლობაში, რათა მთლიანად ამოეღო ჩარჩენილი წყალი, სანამ მასზე გადაიტანდა G/G გრაგნილის კიდევ ერთი ფენა. ეს ნაბიჯი იყო გრაფენის ფირის სუბსტრატიდან გამოყოფის თავიდან აცილება და MGG-ების სრული დაფარვის უზრუნველყოფა PMMA გადამზიდავი ფენის გამოშვების დროს.
MGG სტრუქტურის მორფოლოგია დაფიქსირდა ოპტიკური მიკროსკოპის (Leica) და სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპის (1 kV; FEI) გამოყენებით. ატომური ძალის მიკროსკოპი (ნანოსკოპი III, ციფრული ხელსაწყო) მოქმედებდა დაჭერის რეჟიმში G გრაგნილების დეტალებზე დასაკვირვებლად. ფილმის გამჭვირვალობა შემოწმდა ულტრაიისფერი ხილული სპექტრომეტრით (Agilent Cary 6000i). ტესტებისთვის, როდესაც დაძაბულობა მიმდინარე ნაკადის პერპენდიკულარული მიმართულებით იყო, ფოტოლითოგრაფია და O2 პლაზმა გამოიყენეს გრაფენის სტრუქტურების ზოლებად (~ 300 μm სიგანე და ~ 2000 μm სიგრძის) გამოსაყენებლად, ხოლო Au (50 ნმ) ელექტროდები თერმულად დეპონირებული იქნა გამოყენებით. ჩრდილის ნიღბები გრძელი მხარის ორივე ბოლოზე. შემდეგ გრაფენის ზოლები დაუკავშირდა SEBS ელასტომერს (~2 სმ სიგანე და ~5 სმ სიგრძის), ზოლების გრძელი ღერძი პარალელურად SEBS-ის მოკლე მხარის, რასაც მოჰყვება BOE (ბუფერული ოქსიდის ამოფრქვევა) (HF:H2O). 1:6) გრავირება და ევტექტიკური გალიუმის ინდიუმი (EGaIn), როგორც ელექტრული კონტაქტები. პარალელური დაძაბულობის ტესტებისთვის, გრაფენის უსწორმასწორო სტრუქტურები (~ 5 × 10 მმ) გადაიტანეს SEBS სუბსტრატებზე, გრძელი ღერძებით SEBS სუბსტრატის გრძელი მხარის პარალელურად. ორივე შემთხვევისთვის, მთელი G (G გრაგნილების გარეშე)/SEBS იყო გადაჭიმული ელასტომერის გრძელი მხარის გასწვრივ მექანიკურ აპარატში, და in situ, ჩვენ გავზომეთ მათი წინააღმდეგობის ცვლილებები დაძაბვისას ზონდულ სადგურზე ნახევარგამტარული ანალიზატორით (Keithley 4200). -SCS).
ელასტიურ სუბსტრატზე უაღრესად ელასტიური და გამჭვირვალე ნახშირბადის ტრანზისტორები დამზადდა შემდეგი პროცედურებით, რათა თავიდან იქნას აცილებული პოლიმერული დიელექტრიკისა და სუბსტრატის ორგანული გამხსნელის დაზიანება. MGG სტრუქტურები გადაიტანეს SEBS-ზე, როგორც კარიბჭე ელექტროდები. ერთიანი თხელი ფენის პოლიმერული დიელექტრიკული ფენის (2 მკმ სისქის) მისაღებად SEBS ტოლუოლის (80 მგ/მლ) ხსნარი დატრიალდა ოქტადეცილტრიქლოროსილანის (OTS)–მოდიფიცირებულ SiO2/Si სუბსტრატზე 1000 rpm-ზე 1 წუთის განმავლობაში. თხელი დიელექტრიკული ფილმი ადვილად შეიძლება გადაიტანოს ჰიდროფობიური OTS ზედაპირიდან SEBS სუბსტრატზე, რომელიც დაფარულია როგორც მომზადებული გრაფენით. კონდენსატორის დამზადება შესაძლებელია თხევადი ლითონის (EGaIn; Sigma-Aldrich) ზედა ელექტროდის დეპონირებით, რათა განისაზღვროს ტევადობა დაძაბულობის ფუნქციად LCR (ინდუქციურობა, ტევადობა, წინააღმდეგობა) მრიცხველის (Agilent) გამოყენებით. ტრანზისტორის მეორე ნაწილი შედგებოდა პოლიმერული დახარისხებული ნახევარგამტარი CNT-ებისაგან, ზემოთ მოხსენებული პროცედურების შესაბამისად (53). ნიმუშის წყარო/დრენაჟის ელექტროდი დამზადდა ხისტ SiO2/Si სუბსტრატებზე. შემდგომში, ორი ნაწილი, დიელექტრიკული/G/SEBS და CNT-ები/თარგებიანი G/SiO2/Si, ლამინირებული იყო ერთმანეთზე და გაჟღენთილია BOE-ში ხისტი SiO2/Si სუბსტრატის მოსაშორებლად. ამგვარად, სრულიად გამჭვირვალე და გაჭიმვადი ტრანზისტორები დამზადდა. დაძაბვის ქვეშ ელექტრული ტესტირება ჩატარდა ხელით გაჭიმვის დაყენებით, როგორც ზემოაღნიშნული მეთოდი.
ამ სტატიის დამატებითი მასალა ხელმისაწვდომია http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
ნახ. S1. SiO2/Si სუბსტრატებზე მონოფენიანი MGG-ის ოპტიკური მიკროსკოპული გამოსახულებები სხვადასხვა გადიდებით.
ნახ. S4. ორი ზონდის ფურცლის წინააღმდეგობის და გადაცემის შედარება @550 ნმ მონო-, ორ და სამშრიანი უბრალო გრაფინის (შავი კვადრატები), MGG (წითელი წრეები) და CNTs (ლურჯი სამკუთხედი).
ნახ. S7. მონო- და ორფენიანი MGG-ების (შავი) და G (წითელი) რეზისტენტობის ნორმალიზებული ცვლილება ~1000 ციკლური დაძაბულობის ქვეშ, შესაბამისად 40 და 90%-მდე პარალელური დაძაბულობის ქვეშ.
ნახ. S10. SEM გამოსახულება სამშრიანი MGG SEBS ელასტომერზე დაძაბვის შემდეგ, რომელიც აჩვენებს გრძელ გადახვევას რამდენიმე ბზარზე.
ნახ. S12. სამფენიანი MGG AFM გამოსახულება ძალიან თხელ SEBS ელასტომერზე 20% დაძაბვით, რომელიც აჩვენებს, რომ გრაგნილი გადაკვეთა ბზარს.
ცხრილი S1. ორფენიანი MGG-ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილის ტრანზისტორების მობილურობა სხვადასხვა არხის სიგრძეზე დაძაბვის წინ და შემდეგ.
ეს არის ღია წვდომის სტატია, რომელიც ვრცელდება Creative Commons Attribution-NonCommercial ლიცენზიის პირობებით, რომელიც იძლევა გამოყენების, გავრცელებისა და რეპროდუცირების ნებართვას ნებისმიერ საშუალებებში, სანამ შედეგი არ არის კომერციული სარგებლისთვის და იმ პირობით, რომ ორიგინალური ნამუშევარი სათანადოდ არის შესრულებული. ციტირებული.
შენიშვნა: ჩვენ ვითხოვთ მხოლოდ თქვენს ელფოსტის მისამართს, რათა იმ პირმა, რომელსაც რეკომენდაციას უწევთ გვერდს, იცოდეს, რომ გინდოდათ, რომ ნახოს იგი და რომ ეს არ არის უსარგებლო ფოსტა. ჩვენ არ ვიღებთ ელ.ფოსტის მისამართს.
ეს კითხვა არის იმის შესამოწმებლად, ხართ თუ არა ადამიანი ვიზიტორი და თავიდან აიცილოთ ავტომატური სპამის გაგზავნა.
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.