Ny fitaovana roa-dimensional, toy ny graphene, dia manintona ho an'ny fampiharana semiconductor mahazatra sy ny fampiharana nascent amin'ny elektronika mora vidy. Na izany aza, ny tanjaky ny graphene avo lenta dia miteraka fahatapahan-jiro amin'ny fihenjanana ambany, ka mahatonga azy ho sarotra ny manararaotra ny toetrany elektronika miavaka amin'ny elektronika azo esorina. Mba hahafahan'ireo mpitari-tsarimihetsika mangarahara miankin-doha tsara, dia namorona nanoscroll graphene izahay teo anelanelan'ny sosona graphene voafantina, antsoina hoe horonana graphene/graphene multilayer (MGGs). Ao anatin'ny fihenjanana, misy horonam-boky sasany nanetezana ireo faritra voazarazara amin'ny graphene mba hihazonana tamba-jotra mipoitra izay ahafahana mitondra tena tsara amin'ny tady avo. Ny trilayer MGGs tohanan'ny elastomers dia nitazona ny 65% amin'ny conductance tany am-boalohany tamin'ny 100% strain, izay mifanandrify amin'ny lalan'ny fikorianan'ny ankehitriny, fa ny sarimihetsika trilayer amin'ny graphene tsy misy nanoscroll dia tsy nitazona afa-tsy 25% tamin'ny fitondrany fanombohana. Ny transistor karbaona rehetra azo esorina amin'ny fampiasana MGGs ho electrodes dia nampiseho fifindran'ny> 90% ary nitazona 60% amin'ny famoahana ankehitriny tany am-boalohany tamin'ny 120% strain (mifanitsy amin'ny fitarihana fitaterana entana). Ireo transistors karbôna rehetra mivelatra sy mangarahara ireo dia afaka manome optoelektronika azo esorina.
Ny elektronika mangarahara azo esorina dia sehatra mitombo izay manana fampiharana manan-danja amin'ny rafitra biointegrated mandroso (1, 2) ary koa ny mety hampidirana amin'ny optoelektronika mivelatra (3, 4) mba hamokarana robotika malefaka sy fampisehoana. Ny Graphene dia mampiseho toetra tena irina amin'ny hatevin'ny atomika, mangarahara avo ary ny conductivity avo, saingy ny fampiharana azy amin'ny fampiharana azo esorina dia voasakana noho ny fironan'izy ireo hikorontana amin'ny tsipika kely. Ny fandresena ny fetran'ny mekanika amin'ny graphene dia afaka manome fiasa vaovao amin'ny fitaovana mangarahara azo esorina.
Ny toetra mampiavaka ny graphene dia mahatonga azy ho kandidà matanjaka ho an'ny taranaka manaraka ny electrodes conductive mangarahara (5, 6). Raha ampitahaina amin'ny conducteur mangarahara be mpampiasa indrindra, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) amin'ny mangarahara 90% ], ny graphene monolayer novokarin'ny deposition simika etona (CVD) dia manana fitambarana mitovy amin'ny fanoherana ny takelaka (125 ohms/sq) sy ny mangarahara (97.4%) (5). Ankoatr'izay, ny sarimihetsika graphene dia manana flexibility miavaka raha oharina amin'ny ITO (7). Ohatra, eo amin'ny substrate plastika, ny conductance dia azo tazonina na dia amin'ny halalin'ny curvature kely toy ny 0,8 mm (8) aza. Mba hanamafisana bebe kokoa ny fahaizany elektrônika amin'ny maha-mpitarika moramora mangarahara, ny asa teo aloha dia namolavola fitaovana graphene hybrid miaraka amin'ny nanowires volafotsy iray-dimensional (1D) na nanotubes karbonika (CNTs) (9-11). Ankoatra izany, ny graphene dia nampiasaina ho electrodes ho an'ny semiconductor heterostructural mitambatra (toy ny 2D bulk Si, 1D nanowires / nanotubes, ary 0D quantum dots) (12), transistors flexible, cellule solaire, ary diodes (LED) (13). –23).
Na dia nampiseho vokatra mampanantena aza ny graphene ho an'ny elektronika mora azo, ny fampiharana azy amin'ny elektronika azo esorina dia voafetra amin'ny toetra mekanika (17, 24, 25); Ny graphene dia manana hamafin'ny fiaramanidina 340 N / m ary modulus Young 0.5 TPa (26). Ny tamba-jotra karbônina matanjaka dia tsy manome rafitra fanaparitahana angovo ho an'ny tebiteby ampiharina ary noho izany dia mora vaky amin'ny ratra latsaky ny 5%. Ohatra, ny graphene CVD nafindra tany amin'ny substrate elastika polydimethylsiloxane (PDMS) dia tsy afaka mitazona ny conductivity amin'ny latsaky ny 6% strain (8). Ny kajy ara-teorika dia mampiseho fa ny fikotrokotroky sy ny fifampiraharahana eo amin'ny sosona samihafa dia tokony hampihena mafy ny hamafin'ny stiffness (26). Amin'ny fametrahana ny graphene amin'ny sosona maromaro, dia voalaza fa ity graphene bi-na trilayer ity dia azo esorina hatramin'ny 30%, izay mampiseho fiovan'ny fanoherana in-13 heny noho ny an'ny graphene monolayer (27). Na izany aza, mbola ambany kokoa noho ny amin'ny onductors stretchable manara-penitra (28, 29).
Ny transistors dia manan-danja amin'ny fampiharana azo esorina satria ahafahan'izy ireo mamaky sensor sy famakafakana famantarana (30, 31). Transistors amin'ny PDMS miaraka amin'ny multilayer graphene ho loharano / tatatra electrodes sy ny fantsona fitaovana dia afaka mihazona ny herinaratra miasa hatramin'ny 5% fihenjanana (32), izay tena ambany ny ambany indrindra ilaina sanda (~ 50%) ho wearable ara-pahasalamana-fanaraha-maso sensor sy ny hoditra elektronika ( 33, 34). Vao haingana, ny fomba fiasa graphene kirigami dia nozahana, ary ny transistor gated amin'ny elektrôlôta ranon-javatra dia afaka mivelatra hatramin'ny 240% (35). Na izany aza, io fomba io dia mitaky graphene mihantona, izay manasarotra ny fizotran'ny fanamboarana.
Eto isika dia mahatratra fitaovana graphene tena azo esorina amin'ny alàlan'ny fametahana horonan-taratasy graphene (~ 1 hatramin'ny 20 μm lava, ~ 0.1 hatramin'ny 1 μm ny sakany, ary ~ 10 hatramin'ny 100 nm avo) eo anelanelan'ny sosona graphene. Mihevitra izahay fa ireo horonam-boky graphene ireo dia afaka manome lalana mitondra mankany amin'ny tetezana triatra ao amin'ny takelaka graphene, ka mitazona ny conductivity avo amin'ny fanerena. Ny horonam-boky graphene dia tsy mitaky synthesis na dingana fanampiny; izy ireo dia miforona ho azy mandritra ny fomba famindrana mando. Amin'ny fampiasana multilayer G / G (graphene / graphene) horonam-boky (MGGs) graphene stretchable electrodes (loharano / tatatra sy vavahady) sy semiconducting CNTs, dia afaka nampiseho tena mangarahara sy tena stretchable rehetra-karbonina transistors, izay azo mihinjitra ho 120 % fihenjanana (mifanitsy amin'ny fitarihan'ny fitaterana entana) ary mitazona ny 60% amin'ny famoahana azy tany am-boalohany. Ity no transistor miorina amin'ny karbaona mangarahara indrindra hatramin'izao, ary manome ankehitriny ampy hitondrana LED tsy organika.
Mba hahafahan'ny electrodes graphene mangarahara amin'ny faritra midadasika, dia nisafidy ny graphene vita amin'ny CVD amin'ny Cu foil izahay. Ny foil Cu dia nahantona teo afovoan'ny fantsona quartz CVD hamela ny fitomboan'ny graphene amin'ny lafiny roa, mamorona rafitra G / Cu / G. Mba hamindrana ny graphene, dia nofonosinay ny poly (methyl methacrylate) (PMMA) voalohany mba hiarovana ny lafiny iray amin'ny graphene, izay nomenay anarana hoe topside graphene (midika ho an'ny ilany hafa amin'ny graphene), ary avy eo, ny Ny sarimihetsika manontolo (PMMA / graphene ambony / Cu / graphene ambany) dia natsofoka tamin'ny vahaolana (NH4) 2S2O8 mba hanesorana ny foil Cu. Ny graphene amin'ny ilany ambany tsy misy ny PMMA coating dia tsy azo ihodivirana fa hisy triatra sy lesoka izay ahafahan'ny etchant miditra (36, 37). Araka ny asehon'ny sary 1A, eo ambanin'ny fiantraikan'ny fihenjanana amin'ny tany, ireo sehatra graphene navoaka dia mihodinkodina ho horonana ary avy eo dia miraikitra amin'ny sarimihetsika top-G/PMMA sisa. Ny horonana top-G / G dia azo afindra amin'ny substrate rehetra, toy ny SiO2 / Si, fitaratra, na polymer malefaka. Ny famerimberenana io dingana famindrana io imbetsaka amin'ny substrate iray ihany dia manome rafitra MGG.
(A) Skema fanoharana momba ny fomba fanamboarana ho an'ny MGG ho toy ny electrode azo esorina. Nandritra ny famindrana graphene, tapaka ny graphene amin'ny Cu foil amin'ny sisin-tany sy ny lesoka, nahodina ho endrika tsy misy dikany, ary mifatotra mafy amin'ny sarimihetsika ambony, mamorona nanoscrolls. Ny sariitatra fahefatra dia mampiseho ny rafitra MGG mivangongo. (B sy C) Famaritana TEM avo lenta amin'ny MGG monolayer, mifantoka amin'ny graphene monolayer (B) sy ny faritra horonan-taratasy (C). Ny fampidirana ny (B) dia sary avo lenta mampiseho ny endrika ankapobeny amin'ny monolayer MGGs amin'ny takelaka TEM. Insets of (C) dia ny mombamomba ny hamafin'ny nalaina teo amin'ireo boaty mahitsizoro voalaza ao amin'ny sary, izay ny elanelana misy eo amin'ny fiaramanidina atomika dia 0,34 sy 0,41 nm. (D) Carbon K-edge EEL spectrum miaraka amin'ny tampon'ny graphitika π* sy σ* misy marika. (E) Sarin'ny fizarana AFM amin'ny horonan-taratasy G/G monolayer miaraka amin'ny mombamomba ny haavony manaraka ny tsipika misy teboka mavo. (F to I) Optical microscopy sy AFM sary s amin'ny trilayer G tsy misy (F sy H) ary miaraka amin'ny horonam-boky (G sy I) amin'ny substrate SiO2 / Si matevina 300nm. Ny horonam-boky sy ny ketrona solontena dia nasiana marika mba hanasongadinana ny fahasamihafana.
Mba hanamarinana fa ny horonam-boky dia nanakodia graphene amin'ny natiora, dia nanao fanapahan-kevitra avo lenta ny fifindran'ny electron microscopy (TEM) sy ny electron angovo very (EEL) spectroscopy fanadihadiana momba ny monolayer top-G / G scroll rafitra. Ny sary 1B dia mampiseho ny rafitra hexagonal amin'ny graphene monolayer, ary ny sisiny dia morphologie ankapoben'ny sarimihetsika voarakotra amin'ny lavaka karbônina tokana amin'ny grid TEM. Ny graphene monolayer dia mivelatra amin'ny ankamaroan'ny grid, ary misy graphene flakes amin'ny fisian'ny antonta maromaro misy peratra hexagonal (sary 1B). Amin'ny alàlan'ny zooming amin'ny horonam-boky tsirairay (sary 1C), dia nahatsikaritra fehin-kibo graphene be dia be izahay, miaraka amin'ny elanelan'ny lattice eo amin'ny 0,34 hatramin'ny 0,41 nm. Ireo fandrefesana ireo dia manoro hevitra fa ny flakes dia mihodinkodina tampoka ary tsy graphite tonga lafatra, izay manana elanelana makarakara 0.34 nm amin'ny fametrahana sosona "ABAB". Ny sary 1D dia mampiseho ny spectrum K-edge EEL karbaona, izay niavian'ny tampony amin'ny 285 eV avy amin'ny orbital π* ary ny iray hafa manodidina ny 290 eV dia noho ny fiovan'ny orbital σ*. Hita fa mibahan-toerana amin'ity rafitra ity ny fatorana sp2, manamarina fa tena grapika ny horonana.
Ny microscopy optika sy ny microscopy atomika (AFM) dia manome fanazavana momba ny fizarana ny nanoscroll graphene ao amin'ny MGGs (sary 1, E mankany G, ary aviavy S1 sy S2). Ny horonam-boky dia zaraina kisendrasendra eny ambonin'ny tany, ary ny hakitroky amin'ny fiaramanidina dia mihamitombo mifanandrify amin'ny isan'ny sosona mifanongoa. Horonam-boky maro no miforona ho knot ary mampiseho haavo tsy mitovy amin'ny 10 hatramin'ny 100 nm. 1 hatramin'ny 20 μm ny lavany ary 0.1 hatramin'ny 1 μm ny sakany, miankina amin'ny haben'ny tadin'ny graphene voalohany. Araka ny asehon'ny sary 1 (H sy I), ny horonam-boky dia manana habe lehibe kokoa noho ny ketrona, izay mitarika ho amin'ny fifandraisana manjavozavo kokoa eo anelanelan'ny sosona graphene.
Mba handrefesana ny toetra elektrônika, dia nanamboatra sarimihetsika graphene izahay miaraka amin'ny firafitry ny horonam-boky na tsy misy ary mipetaka amin'ny takelaka 300-μm ny sakany sy 2000-μm amin'ny fampiasana photolithography. Ny fanoherana roa-probe ho toy ny fiasan'ny fihenjanana dia norefesina teo ambanin'ny fepetra ambient. Ny fisian'ny horonam-boky dia nampihena 80% ny fanoherana ny graphene monolayer miaraka amin'ny fihenan'ny 2.2% fotsiny ny fampitana (sary S4). Izany dia manamafy fa ny nanoscrolls, izay manana hakitroky amin'izao fotoana izao hatramin'ny 5 × 107 A / cm2 (38, 39), dia mitondra anjara biriky elektrika tena tsara amin'ny MGG. Amin'ireo mono-, bi-, ary trilayer plain graphene sy MGGs, ny trilayer MGG dia manana conductance tsara indrindra miaraka amin'ny mangarahara efa ho 90%. Raha ampitahaina amin'ny loharanon'ny graphene hafa voalaza ao amin'ny literatiora, dia norefesinay ihany koa ny fanoheran'ny takelaka efatra (sary S5) ary nosoratanay ho toy ny fiasan'ny fampitana amin'ny 550 nm (sary S6) ao amin'ny sary 2A. MGG dia mampiseho conductivity sy mangarahara azo ampitahaina na ambony kokoa noho ny graphene plain multilay sy ny graphene oxide (RGO) nihena (6, 8, 18). Mariho fa ny fanoherana ny takelaka amin'ny graphene plain multilayer avy amin'ny literatiora dia somary avo kokoa noho ny an'ny MGG, angamba noho ny toetry ny fitomboana tsy mety tsara sy ny fomba famindrana.
(A) Ny fanoherana amin'ny taratasy efatra-probe mifanohitra amin'ny fifindran'ny 550 nm ho an'ny karazana graphene maromaro, izay misy ny efamira mainty dia manondro mono-, bi-, ary trilayer MGGs; boribory mena sy telozoro manga mifanitsy amin'ny multilayer plain graphene nitombo tamin'ny Cu sy Ni avy amin'ny fandalinana ny Li et al. (6) ary Kim et al. (8), tsirairay avy, ary nafindra tany amin'ny SiO2/Si na quartz; ary telozoro maitso dia sanda ho an'ny RGO amin'ny ambaratonga fampihenana samihafa avy amin'ny fandalinana ny Bonaccorso et al. (18). (B sy C) Ny fiovan'ny fanoherana ara-dalàna ny mono-, bi- ary trilayer MGG sy G ho toy ny fiasan'ny perpendicular (B) sy parallèle (C) amin'ny lalan'ny fikorianan'ny ankehitriny. (D) Ny fiovan'ny fanoherana ara-dalàna ny bilayer G (mena) sy ny MGG (mainty) eo ambanin'ny tadin-drivotra mihodinkodina hatramin'ny 50% perpendicular strain. (E) Fanovana fanoherana ara-dalàna amin'ny trilayer G (mena) sy MGG (mainty) eo ambanin'ny tadin-drivotra mihodinkodina hatramin'ny 90% mirazotra. (F) Ny fiovan'ny capacitance mahazatra amin'ny mono-, bi- ary trilayer G ary bi- ary trilayer MGGs ho toy ny fiasan'ny tebiteby. Ny inset dia ny rafitra capacitor, izay misy ny substrate polymer dia SEBS ary ny sosona dielectric polymer dia ny SEBS 2-μm-matevina.
Mba hanombanana ny fahombiazan'ny MGG, dia nafindranay ny graphene amin'ny substrate thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~ 2 cm ny sakany ary ~ 5 cm ny halavany), ary ny conductivity dia norefesina rehefa nivelatra ny substrate. (jereo ny fitaovana sy ny fomba) sady mifanitsy sy mifanitsy amin'ny lalan'ny fikorianan'ny ankehitriny (sary 2, B sy C). Nihatsara ny fitondrantena elektrika miankina amin'ny tebiteby miaraka amin'ny fampidirana ny nanoscrolls sy ny fitomboan'ny sosona graphene. Ohatra, rehefa mitsangana amin'ny fikorianan'izao fotoana izao ny fihenjanana, ho an'ny graphene monolayer, ny fanampin'ny horonam-boky dia nampitombo ny ratra tamin'ny fahatapahan'ny herinaratra avy amin'ny 5 ka hatramin'ny 70%. Ny fandeferana amin'ny graphene trilayer dia mihatsara ihany koa raha oharina amin'ny graphene monolayer. Miaraka amin'ny nanoscrolls, amin'ny 100% perpendicular strain, ny fanoherana ny firafitry ny trilayer MGG dia nitombo 50% fotsiny, raha oharina amin'ny 300% ho an'ny graphene trilayer tsy misy horonana. Nohadihadiana ny fiovan'ny fanoherana eo ambanin'ny enta-mavesatra cyclic. Ho fampitahana (sary 2D), ny fanoherana ny sarimihetsika bilayer graphene tsotra dia nitombo teo amin'ny 7.5 heny taorian'ny ~ 700 cycles tamin'ny 50% perpendicular strain ary nitombo hatrany tamin'ny fihenjanana isaky ny tsingerina. Amin'ny lafiny iray, ny fanoherana ny bilayer MGG dia nitombo in-2.5 teo ho eo taorian'ny cycles ~ 700. Mampihatra hatramin'ny 90% ny fihenjanana eo amin'ny lalana mifanitsy, ny fanoherana ny trilayer graphene dia nitombo ~ 100 heny taorian'ny cycles 1000, fa izany dia ~ 8 heny amin'ny trilayer MGG (sary 2E). Ny vokatry ny bisikileta dia aseho amin'ny aviavy. S7. Ny fitomboana haingana kokoa amin'ny fanoherana manaraka ny tari-dàlana mitovitovy dia satria ny fiorenan'ny triatra dia mifanitsy amin'ny lalan'ny fikorianan'ny ankehitriny. Ny fivilian'ny fanoherana mandritra ny fampidinana sy ny fampidinana dia vokatry ny famerenana viscoelastic ny substrate SEBS elastomer. Ny fanoherana mafy kokoa amin'ny tadin'ny MGG mandritra ny bisikileta dia noho ny fisian'ny horonam-boky lehibe izay afaka mampifandray ireo ampahany vaky amin'ny graphene (araka ny fahitan'ny AFM azy), manampy amin'ny fitazonana ny lalan-drivotra. Ity trangan-javatra amin'ny fihazonana ny conductivity amin'ny alàlan'ny lalana percolating ity dia notaterina teo aloha ho an'ny metaly vaky na sarimihetsika semiconductor amin'ny substrate elastomer (40, 41).
Mba hanombanana ireo sarimihetsika mifototra amin'ny graphene ireo ho toy ny electrodes vavahady amin'ny fitaovana azo esorina, dia nosaronanay ny sosona graphene miaraka amin'ny sosona dielectric SEBS (2 μm matevina) ary nanara-maso ny fiovan'ny capacitance dielectric ho toy ny fiasan'ny tebiteby (jereo ny sary 2F sy ny fitaovana fanampiny ho an'ny antsipiriany). Hitanay fa nihena haingana ny capacitances miaraka amin'ny electrodes graphene monolayer tsotra sy bilayer noho ny fahaverezan'ny conductivity amin'ny graphene. Mifanohitra amin'izany kosa, ny capacitances gated by MGGs ary koa ny plain trilayer graphene dia nampiseho fitomboan'ny capacitance miaraka amin'ny tebiteby, izay antenaina noho ny fampihenana ny hatevin'ny dielectric miaraka amin'ny tebiteby. Ny fitomboana andrasana amin'ny capacitance dia nifanaraka tsara tamin'ny rafitra MGG (sary S8). Izany dia manondro fa MGG dia mety ho toy ny vavahady electrode ho stretchable transistors.
Mba hanadihadiana bebe kokoa ny anjara asan'ny horonan-taratasy graphene 1D amin'ny fandeferana ny fandeferana elektrika sy ny fanaraha-maso tsara kokoa ny fisarahana eo anelanelan'ny sarin'ny graphene, dia nampiasa CNTs voapoizina izahay hanoloana ny horonan-taratasy graphene (jereo ny fitaovana fanampiny). Mba haka tahaka ny rafitra MGG, dia nametraka telo hakitroky ny CNTs (izany hoe, CNT1).
(A hatramin'ny C) sary AFM misy density telo samy hafa amin'ny CNTs (CNT1
Mba hahatakarana bebe kokoa ny fahaizan'izy ireo amin'ny maha-elektrodà ho an'ny elektronika azo esorina, dia nanadihady ara-dalàna ny morphologie an'ny MGG sy G-CNT-G izahay. Ny microscopy optique sy ny scanning electron microscopy (SEM) dia tsy fomba fiasa mahomby satria samy tsy misy fifanoherana ny loko ary ny SEM dia iharan'ny artifacts sary mandritra ny scanning electron rehefa misy graphene amin'ny substrate polymer (fig. S9 sy S10). Mba hijerena eo amin'ny toerana misy ny graphene eo ambanin'ny fihenjanana, dia nanangona fandrefesana AFM tamin'ny MGGs trilayer sy graphene tsotra izahay rehefa avy nafindra tany amin'ny substrate SEBS tena manify (~0.1 mm matevina) sy elastika. Noho ny tsy fahampian-tsakafo ao amin'ny graphene CVD sy ny fahasimbana ivelany mandritra ny dingan'ny famindrana, dia tsy azo ihodivirana ny fisian'ny triatra amin'ny graphene mihetsiketsika, ary miaraka amin'ny fitomboan'ny fihenjanana, dia mihamatanjaka ny triatra (sary 4, A hatramin'ny D). Miankina amin'ny firafitry ny stacking ny electrodes mifototra amin'ny karbaona, ny triatra mampiseho morphologies samy hafa (sary S11) (27). Ny hakitroky ny faritra vaky (voafaritra ho faritra vaky/faritra voadinika) amin'ny graphene multilayer dia kely noho ny an'ny graphene monolayer aorian'ny fanerena, izay mifanaraka amin'ny fitomboan'ny conductivity elektrika ho an'ny MGGs. Etsy an-danin'izany, ny horonam-boky dia matetika no jerena mba hanenjehana ireo triatra, ka manome lalan-drivotra fanampiny ao amin'ilay sarimihetsika mihenjana. Ohatra, araka ny voamarika eo amin'ny sary 4B, dia nisy horonana midadasika niampita teo amin'ny trilayer MGG, saingy tsy nisy horonana hita tao amin'ny graphene tsotra (sary 4, E hatramin'ny H). Toy izany koa, ny CNTs koa dia nampifandray ny triatra amin'ny graphene (sary S11). Ny hakitroky ny faritry ny triatra, ny hakitroky ny faritry ny horonam-boky, ary ny hamafin'ny sarimihetsika dia fintinina ao amin'ny sary 4K.
(A hatramin'ny H) Sarin'ny AFM amin'ny horonana G / G trilayer (A hatramin'ny D) sy rafitra trilayer G (E hatramin'ny H) amin'ny elastomer SEBS (~0.1 mm matevina) tena manify amin'ny 0, 20, 60, ary 100 % fanerena. Ny triatra sy horonam-boky dia manondro zana-tsipìka. Ny sary AFM rehetra dia eo amin'ny faritra 15 μm × 15 μm, amin'ny fampiasana ny bara miloko mitovy amin'ny marika. (I) Jeometria simulation ny electrodes graphene monolayer amin'ny substrate SEBS. (J) Sarintany contour simulation amin'ny tosidra logarithmic lehibe indrindra ao amin'ny graphene monolayer sy ny substrate SEBS amin'ny 20% strand ivelany. (K) Fampitahana ny hakitroky ny faritra triatra (tsanganana mena), hakitroky ny faritra misy horonam-boky (tsanganana mavo), ary ny hakitroky ny tany (tsanganana manga) ho an'ny rafitra graphene samihafa.
Rehefa mivelatra ny sarimihetsika MGG, dia misy mekanika fanampiny manan-danja ahafahan'ny horonam-boky mampifandray ireo faritra misy graphene vaky, mitazona tambajotra miparitaka. Mampanantena ny horonam-boky graphene satria mety ho mikrometatra am-polony ny halavany ary noho izany dia afaka mamehy ny triatra izay mahatratra hatramin'ny mirefy micrometer. Fanampin'izany, satria misy graphene maromaro sosona ireo horonana, dia antenaina ho ambany ny fanoherana azy ireo. Raha ampitahaina, dia ilaina ny tambajotra CNT somary matevina (fampitahana ambany kokoa) mba hanomezana fahafaha-mihetsika conductive azo ampitahaina, satria kely kokoa ny CNTs (matetika mikrometatra vitsivitsy ny halavany) ary kely kokoa noho ny horonana. Etsy an-danin’izany, araka ny asehon’ny aviavy. S12, fa ny graphene dia triatra mandritra ny fihenjanana mba handraisana ny fihenjanana, ny horonam-boky dia tsy mivaky, izay manondro fa ity farany dia mety mikoriana amin'ny graphene ao ambaniny. Ny antony tsy mitsingevana azy ireo dia azo inoana fa noho ny firafitra voahorona, ahitana sosona graphene maro (~ 1 hatramin'ny 2 0 μm lava, ~ 0.1 hatramin'ny 1 μm ny sakany, ary ~ 10 hatramin'ny 100 nm avo), izay manana modulus mahomby kokoa noho ny graphene sosona tokana. Araka ny notaterin'i Green sy Hersam (42), ny tamba-jotra CNT metaly (savaivony 1.0 nm) dia mety hahatratra ny fanoherana ambany ambany <100 ohms / sq na dia eo aza ny fanoherana lehibe eo amin'ny CNTs. Raha jerena fa ny horonam-bokintsika graphene dia manana sakan'ny 0.1 ka hatramin'ny 1 μm ary ny horonan-taratasy G / G dia manana faritra fifandraisana lehibe kokoa noho ny CNTs, ny fanoherana ny fifandraisana sy ny fifandraisana eo amin'ny horonam-boky graphene sy graphene dia tsy tokony hametra ny antony hihazonana ny conductivity avo.
Ny graphene dia manana modulus avo kokoa noho ny substrate SEBS. Na dia ambany lavitra noho ny an'ny substrate aza ny hatevin'ny graphene, ny hamafin'ny graphene dia mitovy amin'ny hatevin'ny substrate (43, 44), ka miteraka voka-dratsin'ny nosy antonony. Nanao simulate ny deformation ny graphene 1-nm-matevina amin'ny substrate SEBS (jereo ny fitaovana fanampiny ho an'ny antsipiriany). Araka ny valin'ny simulation, rehefa ampiharina amin'ny substrate SEBS ivelany ny 20%, ny salan'isa eo amin'ny graphene dia ~ 6.6% (sary 4J sy aviavy S13D), izay mifanaraka amin'ny fandinihana fanandramana (jereo ny sary S13). . Nampitahainay ny fihenjanana ao amin'ny faritra misy ny graphene sy ny substrate amin'ny alàlan'ny microscopy optika ary hitanay fa ny tebiteby ao amin'ny faritry ny substrate dia farafahakeliny avo roa heny noho ny tebiteby ao amin'ny faritra graphene. Izany dia manondro fa ny tebiteby ampiharina amin'ny lamina electrode graphene dia mety ho voafetra be, ka mamorona nosy henjana graphene eo an-tampon'ny SEBS (26, 43, 44).
Noho izany, ny fahafahan'ny electrodes MGG hihazona conductivity avo ao anatin'ny fihenjanana avo dia azo atao amin'ny alàlan'ny mekanika roa lehibe: (i) Ny horonam-boky dia afaka mampifandray ireo faritra tapaka mba hitazonana ny lalan'ny percolation conductive, ary (ii) ny takelaka graphene / elastomer multilayer dia mety hivezivezy. Mifanohitra amin'ny tsirairay, ka mihena ny fihenjanana amin'ny electrodes graphene. Ho an'ny sosona maromaro amin'ny graphene nafindra amin'ny elastomer, ny sosona dia tsy mifamatotra mafy, izay mety hivezivezy ho valin'ny fihenjanana (27). Ny horonam-boky koa dia nampitombo ny hamafin'ny sosona graphene, izay mety hanampy amin'ny fampitomboana ny fisarahana eo amin'ny sosona graphene ary noho izany dia ahafahan'ny sliding ny sosona graphene.
Ny fitaovana karbôna rehetra dia enjehina am-pifaliana noho ny vidiny mora sy ny fampandehanana avo lenta. Amin'ny tranga misy antsika, ny transistors karbôna rehetra dia noforonina tamin'ny alàlan'ny vavahady graphene ambany, loharano graphene ambony / fifandraisana tatatra, semiconductor CNT voasokajy, ary SEBS ho dielectric (sary 5A). Araka ny asehon'ny sary 5B, ny fitaovana karbaona rehetra misy CNT ho loharano / tatatra sy vavahady (fitaovana ambany) dia manjavozavo kokoa noho ny fitaovana misy electrodes graphene (fitaovana ambony). Izany dia satria ny tambajotra CNT dia mitaky hatevin'ny lehibe kokoa ary, noho izany, ny fifindran'ny optika ambany kokoa mba hahatratrarana ny fanoherana ny takelaka mitovy amin'ny an'ny graphene (sary S4). Ny sary 5 (C sy D) dia mampiseho ny fifindran'ny solontena sy ny fihodinan'ny fivoahana alohan'ny fanerena ho an'ny transistor vita amin'ny electrodes MGG bilayer. Ny sakan'ny fantsona sy ny halavan'ny transistor tsy voafehy dia 800 sy 100 μm, tsirairay avy. Ny tahan'ny on/off refesina dia lehibe kokoa noho ny 103 miaraka amin'ny onjan'ny on sy off amin'ny haavon'ny 10−5 sy 10−8 A, tsirairay avy. Ny curve Output dia mampiseho ny tsara indrindra linear sy sa turation fitondrana miaraka amin'ny mazava vavahady-voltage fiankinan-doha, izay manondro ny tsara indrindra fifandraisana eo amin'ny CNTs sy graphene electrodes (45). Ny fanoherana ny fifandraisana amin'ny electrodes graphene dia hita fa ambany noho ny amin'ny sarimihetsika Au etona (jereo ny sary S14). Ny fihetsehana saturation amin'ny transistor elastika dia eo amin'ny 5.6 cm2/Vs, mitovy amin'ny an'ny transistor CNT voasokajy polymer mitovy amin'ny substrate Si henjana miaraka amin'ny SiO2 300-nm ho sosona dielectric. Ny fanatsarana bebe kokoa amin'ny fivezivezena dia azo atao miaraka amin'ny hakitroky ny fantsona sy ny karazana fantsona hafa (46).
(A) Tetika amin'ny transistor elastika miorina amin'ny graphene. SWNTs, nanotubes karbonika misy rindrina tokana. (B) Sarin'ny transistors azo esorina vita amin'ny electrodes graphene (ambony) sy electrodes CNT (ambany). Hita mazava ny fahasamihafana eo amin'ny mangarahara. (C sy D) Famindrana sy fivoahan'ny transistor mifototra amin'ny graphene amin'ny SEBS alohan'ny fanerena. (E sy F) Famindrana fiolahana, mandeha sy miala amin'izao fotoana izao, tahan'ny on/off, ary ny fivezivezena ny transistor mifototra amin'ny graphene amin'ny tebiteby samihafa.
Rehefa nivezivezy tamin'ny lalana mifanandrify amin'ny fitarihana fitaterana fiampangana ilay fitaovana mangarahara, karbônina rehetra, dia hita hatramin'ny 120% ny fahasimbana kely indrindra. Nandritra ny fanenjanana dia nihena hatrany ny fivezivezena avy amin'ny 5.6 cm2 / Vs amin'ny 0% strain ho 2.5 cm2 / Vs amin'ny 120% strain (sary 5F). Nampitahainay koa ny fahombiazan'ny transistor ho an'ny halavan'ny fantsona samihafa (jereo ny latabatra S1). Marihina fa amin'ny fihenjanana lehibe toy ny 105%, ireo transistor rehetra ireo dia mbola naneho ny tahan'ny on / off (> 103) sy ny fihetsehana (> 3 cm2 / Vs). Fanampin'izany, namintina ny asa vao haingana rehetra momba ny transistor karbonika rehetra izahay (jereo ny tabilao S2) (47–52). Amin'ny alàlan'ny fanatsarana ny fanamboarana fitaovana amin'ny elastomers sy ny fampiasana MGG ho fifandraisana, ny transistor-carbon rehetra dia mampiseho fampisehoana tsara amin'ny resaka fivezivezena sy hysteresis ary koa ny maha-elastika azy.
Amin'ny maha-fampiharana ny transistor mangarahara sy mivelatra tanteraka, dia nampiasa azy io izahay mba hifehezana ny fifindran'ny LED (sary 6A). Araka ny aseho ao amin'ny sary 6B, ny LED maitso dia azo jerena mazava amin'ny alàlan'ny fitaovana karbônina azo esorina mivantana eo ambony. Raha mihinjitra hatramin'ny ~ 100% (sary 6, C ary D), dia tsy miova ny hamafin'ny hazavana LED, izay mifanaraka amin'ny fampisehoana transistor voalaza etsy ambony (jereo ny sarimihetsika S1). Ity no tatitra voalohany momba ny vondrona fanaraha-maso azo esorina vita amin'ny alàlan'ny electrodes graphene, mampiseho ny fahafaha-manao vaovao ho an'ny elektronika mivelatra graphene.
(A) Circuit ny transistor hitondra LED. GND, tany. (B) Sarin'ny transistor karbônina azo esorina sy mangarahara amin'ny tebiteby 0% napetraka eo ambonin'ny LED maitso. (C) Ny transistor mangarahara sy azo esorina amin'ny karbaona rehetra ampiasaina hamadihana ny LED dia apetraka eo ambonin'ny LED amin'ny 0% (ankavia) ary ~ 100% strain (ankavanana). Ny zana-tsipìka fotsy dia manondro ny marika mavo eo amin'ny fitaovana mba hampisehoana ny fiovan'ny halaviran-dalana. (D) Side view ny transistor mihinjitra, miaraka amin'ny LED nanosika ny elastomer.
Ho fehin-kevitra, dia namolavola rafitra graphene conductive mangarahara izay mitazona conductivity avo eo ambanin'ny tebiteby lehibe toy ny electrodes azo esorina, azon'ny graphene nanoscrolls eo anelanelan'ny sosona graphene. Ireo rafitra electrode MGG bi- sy trilayer amin'ny elastomer dia afaka mitazona 21 sy 65%, tsirairay avy, amin'ny conductivity 0% amin'ny fanerena hatramin'ny 100%, raha oharina amin'ny fahaverezan'ny conductivity amin'ny 5% strain ho an'ny electrodes graphene monolayer mahazatra. . Ny làlam-pandehanana fanampiny amin'ny horonan-taratasy graphene ary koa ny fifandraisana malemy eo amin'ireo sosona nafindra dia manampy amin'ny fahamarinan-toerana tsara kokoa amin'ny fanerena. Nampiharinay bebe kokoa ity rafitra graphene ity mba hamoronana transistor azo esorina amin'ny karbona rehetra. Hatreto, io no transistor miorina amin'ny graphene azo esorina indrindra miaraka amin'ny mangarahara tsara indrindra nefa tsy mampiasa buckling. Na dia natao aza ny fanadihadiana amin'izao fotoana izao mba ahafahan'ny graphene ho an'ny elektronika azo esorina, dia mino izahay fa ity fomba ity dia azo itarina amin'ny fitaovana 2D hafa mba ahafahan'ny elektronika 2D azo esorina.
Ny graphene CVD midadasika dia nambolena tamin'ny foil Cu mihantona (99.999%; Alfa Aesar) eo ambanin'ny tsindry tsy tapaka 0.5 mtorr miaraka amin'ny 50-SCCM (stimetre cubic centimeter isa-minitra) CH4 sy 20-SCCM H2 ho mpialoha lalana amin'ny 1000 ° C. Ny lafiny roa amin'ny foil Cu dia rakotra graphene monolayer. Ny sosona manify PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) dia nofonosina tamin'ny lafiny iray tamin'ny foil Cu, ka namorona rafitra PMMA/G/Cu foil/G. avy eo, ny sarimihetsika iray manontolo dia natsofoka tamin'ny vahaolana ammonium persulfate 0,1 M [(NH4)2S2O8] nandritra ny adiny 2 teo ho eo mba hanesorana ny foil Cu. Nandritra io dingana io, ny graphene tsy misy fiarovana dia nandrovitra ny sisin-tany voalohany ary avy eo dia nahorona ho horonam-boky noho ny fihenjanana amin'ny tany. Ny horonan-taratasy dia niraikitra tamin'ny sarimihetsika graphene ambony tohanan'ny PMMA, namorona horonana PMMA/G/G. Nosasana imbetsaka tamin'ny rano deionized ireo sarimihetsika ireo ary napetraka teo amin'ny substrate kendrena, toy ny SiO2/Si henjana na substrate plastika. Raha vantany vao maina teo amin'ny substrate ilay sarimihetsika napetaka, ny santionany dia natsofoka tamin'ny acetone, 1: 1 acetone / IPA (isopropyl alcohol), ary IPA nandritra ny 30 segondra tsirairay mba hanesorana PMMA. Ny sarimihetsika dia nafanaina tamin'ny 100 ° C nandritra ny 15 minitra na tehirizina tao anaty vacuum mandritra ny alina mba hanesorana tanteraka ny rano voafandrika alohan'ny hamindrana ny horonan-taratasy G / G hafa eo aminy. Ity dingana ity dia ny hisorohana ny fanesorana ny sarimihetsika graphene amin'ny substrate ary hiantohana ny fandrakofana feno ny MGG mandritra ny famoahana ny soson'ny mpitatitra PMMA.
Ny morphologie ny firafitry ny MGG dia nojerena tamin'ny fampiasana mikraoskaopy optika (Leica) sy mikraoskaopy elektronika scanning (1 kV; FEI). Nisy mikraoskaopy hery atomika (Nanoscope III, Fitaovana nomerika) niasa tamin'ny fomba fipihana mba hijerena ny antsipirihan'ny horonana G. Ny mangarahara sarimihetsika dia nosedraina tamin'ny alàlan'ny spectrometer hita maso ultraviolet (Agilent Cary 6000i). Ho an'ny fitsapana rehefa nanaraka ny lalana perpendicular amin'ny fikorianan'ny ankehitriny ny tebiteby, ny photolithography sy ny plasma O2 dia nampiasaina mba hamolavolana ny rafitra graphene ho stripes (~ 300 μm ny sakany ary ~ 2000 μm ny halavany), ary ny electrodes Au (50 nm) dia napetraka amin'ny fomba mafana. aloka saron-tava amin`ny lafiny roa amin`ny lafiny lava. Avy eo dia nampifandraisina tamin'ny elastomer SEBS (~ 2 sm ny sakany ary ~ 5 cm ny halavan'ny graphene), miaraka amin'ny axis lavan'ny tsipika mifanandrify amin'ny sisiny fohy amin'ny SEBS arahin'ny BOE (buffered oxide etch) (HF: H2O). 1:6) etching sy eutectic gallium indium (EGaIn) ho toy ny fifandraisana elektrika. Ho an'ny fitsapana mitovitovy, ny rafitra graphene tsy misy endrika (~ 5 × 10 mm) dia nafindra tany amin'ny substrate SEBS, miaraka amin'ny famaky lava mifanandrify amin'ny lafiny lava amin'ny substrate SEBS. Ho an'ireo tranga roa ireo, ny G manontolo (tsy misy horonan-taratasy G) / SEBS dia nihantona teo amin'ny lafiny lava amin'ny elastomer amin'ny fitaovana manual, ary teo amin'ny toerana dia norefesinay ny fiovan'ny fanoherana azy ireo teo ambanin'ny tobim-pikarohana iray misy mpanadihady semiconductor (Keithley 4200). -SCS).
Ny transistors karbôna rehetra mivelatra sy mangarahara amin'ny substrate elastika dia noforonina tamin'ny fomba manaraka mba hisorohana ny fahasimban'ny solvent organika amin'ny dielectric polymer sy substrate. Ny rafitra MGG dia nafindra tao amin'ny SEBS ho electrodes vavahady. Mba hahazoana ny sosona dielectric polymer film manify (2 μm hateviny), ny SEBS toluene (80 mg / ml) vahaolana dia spin-coated amin'ny octadecyltrichlorosilane (OTS) -modified SiO2 / Si substrate amin'ny 1000 rpm nandritra ny 1 min. Ny sarimihetsika dielectric manify dia azo afindra mora foana avy amin'ny tampon'ny OTS hydrophobic mankany amin'ny substrate SEBS voarakotra amin'ny graphene efa nomanina. Ny capacitor dia azo atao amin'ny fametrahana elektrôdôda ambony (EGaIn; Sigma-Aldrich) mba hamaritana ny capacitance ho toy ny fiasan'ny tebiteby amin'ny alàlan'ny LCR (inductance, capacitance, resistance) metatra (Agilent). Ny ampahany hafa amin'ny transistor dia ahitana CNTs semiconducting polymère, manaraka ny fomba voalaza teo aloha (53). Ny elektrôda loharano / tatatra misy modely dia noforonina tamin'ny substrate SiO2/Si henjana. Avy eo, ny ampahany roa, dielectric / G / SEBS ary CNTs / patterned G / SiO2 / Si, dia nifamatotra, ary natsofoka tao amin'ny BOE mba hanesorana ny substrate SiO2 / Si henjana. Noho izany, ny transistors mangarahara tanteraka sy azo esorina dia noforonina. Ny fitiliana elektrika eo ambanin'ny fanerena dia natao tamin'ny setup manual stretching araka ny fomba voalaza etsy ambony.
Ny fitaovana fanampiny ho an'ity lahatsoratra ity dia hita ao amin'ny http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
aviavy. S1. Sarin'ny microscopy optika amin'ny MGG monolayer amin'ny substrate SiO2 / Si amin'ny fampitomboana samihafa.
aviavy. S4. Fampitahana ny fanoherana sy ny fampitaovana amin'ny takelaka roa-probe @550 nm amin'ny graphene mono-, bi- ary trilayer (efamira mainty), MGG (boribory mena), ary CNT (telozoro manga).
aviavy. S7. Ny fiovan'ny fanoherana ara-dalàna ny mono- sy bilayer MGGs (mainty) ary G (mena) eo ambanin'ny ~ 1000 cyclic strain loading hatramin'ny 40 sy 90% parallel strain, tsirairay avy.
aviavy. S10. Sary SEM amin'ny trilayer MGG amin'ny SEBS elastomer aorian'ny fanerena, mampiseho lakroa amin'ny horonam-boky lava amin'ny triatra maromaro.
aviavy. S12. Sarin'ny AFM an'ny MGG trilayer amin'ny elastomer SEBS tena manify amin'ny tebiteby 20%.
latabatra S1. Fihetseham-pon'ny bilayer MGG - transistors nanotube karbônina tokana misy rindrina amin'ny halavan'ny fantsona samihafa alohan'ny sy aorian'ny fanerena.
Ity dia lahatsoratra misokatra malalaka nozaraina araka ny fepetran'ny lisansa Creative Commons Attribution-NonCommercial, izay manome alalana ny fampiasana, fizarana, ary famokarana amin'ny fitaovana rehetra, raha toa ka tsy natao ho an'ny tombontsoa ara-barotra ny vokatra ary raha toa ka araka ny tokony ho izy ny asa voalohany. voatonona.
FANAMARIHANA: Ny adiresy mailakao ihany no angatahanay mba ho fantatry ny olona atoronao ny pejy fa tianao ho hitan'izy ireo izany, ary tsy mailaka tsy misy dikany izany. Tsy maka adiresy mailaka izahay.
Ity fanontaniana ity dia natao hitsapana raha mpitsidika olona ianao na tsia ary hisorohana ny fandefasana spam mandeha ho azy.
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Association for the Advancement of Science. Zo rehetra voatokana. AAAS dia mpiara-miombon'antoka amin'ny HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ary COUNTER. Fandrosoana ara-tsiansa ISSN 2375-2548.
Fotoana fandefasana: Jan-28-2021