Ireo fitaovana roa refy, toy ny graphene, dia manintona amin'ny fampiharana semiconductor mahazatra sy ny fampiharana vao misondrotra amin'ny elektronika mora miovaova. Na izany aza, ny tanjaky ny graphene avo dia miteraka vaky amin'ny tsindry ambany, ka mahatonga azy ho sarotra ny manararaotra ny toetrany elektronika miavaka amin'ny elektronika azo mivelatra. Mba ahafahana manao fampisehoana tsara dia tsara amin'ny conducteur graphene mangarahara miankina amin'ny tsindry, dia namorona nanoscrolls graphene izahay teo anelanelan'ny sosona graphene mifanongoa, antsoina hoe horonana graphene/graphene misy sosona maro (MGG). Teo ambanin'ny tsindry, ny horonana sasany dia nampitohy ireo sehatra voazarazara amin'ny graphene mba hihazonana tambajotra percolating izay nahafahana nanao conductivity tsara dia tsara tamin'ny tsindry avo. Ny MGGs Trilayer tohanan'ny elastomers dia nitazona 65% amin'ny conductance tany am-boalohany tamin'ny tsindry 100%, izay mifanitsy amin'ny lalana mikoriana ny courant, raha toa kosa ny sarimihetsika trilayer an'ny graphene tsy misy nanoscrolls dia nitazona 25% amin'ny conductance voalohany. Transistor karbônina azo mivelatra namboarina tamin'ny fampiasana MGG ho elektroda no naneho fifindran'ny herinaratra >90% ary nitazona 60% amin'ny herinaratra vokariny tany am-boalohany tamin'ny tsindry 120% (mifanitsy amin'ny lalana itondran'ny fiampangana). Ireo transistor karbônina azo mivelatra sy mangarahara ireo dia afaka mamela ny optoelektronika azo mivelatra.
Sehatra mitombo ny elektronika mangarahara azo mivelatra izay manana fampiharana manan-danja amin'ny rafitra biointegrated mandroso (1, 2) ary koa ny fahafahana mifandray amin'ny optoelektronika azo mivelatra (3, 4) mba hamokarana robotika malefaka sy fampisehoana saro-takarina. Ny Graphene dia mampiseho toetra tena ilaina amin'ny hatevin'ny atomika, mangarahara avo lenta, ary conductivity avo lenta, saingy ny fampiharana azy amin'ny fampiharana azo mivelatra dia voasakana noho ny fironany ho vaky amin'ny fihenjanana kely. Ny fandresena ny fetran'ny mekanika amin'ny graphene dia mety hamela fiasa vaovao amin'ny fitaovana mangarahara azo mivelatra.
Ny toetra miavaka ananan'ny graphene dia mahatonga azy ho kandidà matanjaka ho an'ny taranaka manaraka amin'ny elektroda mpitondra mangarahara (5, 6). Raha ampitahaina amin'ny mpitondra mangarahara ampiasaina matetika indrindra, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) amin'ny mangarahara 90%], ny graphene monolayer ambolena amin'ny alàlan'ny fametrahana etona simika (CVD) dia manana fitambarana mitovy amin'ny fanoherana ny takelaka (125 ohms/sq) sy ny mangarahara (97.4%) (5). Ho fanampin'izany, ny sarimihetsika graphene dia manana fahafaha-mihetsika miavaka raha oharina amin'ny ITO (7). Ohatra, amin'ny substrate plastika, ny fitondrany dia azo tazonina na dia amin'ny radius miolikolika kely toy ny 0.8 mm aza (8). Mba hanatsarana bebe kokoa ny fahombiazany amin'ny herinaratra amin'ny maha-mpitarika mangarahara sy mora miolikolika azy, ny asa teo aloha dia namolavola fitaovana hybride graphene miaraka amin'ny nanowires volafotsy iray refy (1D) na nanotubes karbônina (CNTs) (9–11). Ankoatra izany, ny graphene dia nampiasaina ho toy ny elektrôda ho an'ny semiconductors heterostructural refy mifangaro (toy ny 2D bulk Si, tariby nano/nanotubes 1D, ary teboka kuantum 0D) (12), transistors flexible, sela masoandro, ary diodes mamoaka hazavana (LED) (13–23).
Na dia nampiseho vokatra mampanantena ho an'ny elektronika mora miolaka aza ny graphene, dia voafetra ny fampiharana azy amin'ny elektronika azo mivelatra noho ny toetrany mekanika (17, 24, 25); ny graphene dia manana hamafin'ny in-plane 340 N/m ary ny modulus Young 0.5 TPa (26). Ny tambajotra karbônina-karbônina matanjaka dia tsy manome mekanisma fanariana angovo ho an'ny fihenjanana ampiharina ary noho izany dia mora vaky amin'ny fihenjanana latsaky ny 5%. Ohatra, ny graphene CVD nafindra tamin'ny substrate elastika polydimethylsiloxane (PDMS) dia afaka mitazona ny conductivity amin'ny fihenjanana latsaky ny 6% (8). Ny kajy teorika dia mampiseho fa ny fikororohana sy ny fifandraisana eo amin'ny sosona samihafa dia tokony hampihena be ny hamafin'ny (26). Amin'ny alàlan'ny fametrahana ny graphene ho sosona maromaro, dia voalaza fa ity graphene bi- na trilayer ity dia azo mivelatra hatramin'ny fihenjanana 30%, mampiseho fiovan'ny fanoherana in-13 kely kokoa noho ny an'ny graphene monolayer (27). Na izany aza, ity fahafaha-mivelatra ity dia mbola ambany lavitra noho ireo kondukta mivelatra maoderina (28, 29).
Zava-dehibe amin'ny fampiharana azo mivelatra ny transistors satria ahafahana mamaky sensor sy mamakafaka ny famantarana (30, 31). Ny transistors amin'ny PDMS miaraka amin'ny graphene multilayer ho toy ny electrodes loharano/tatatra sy fitaovana fantsona dia afaka mitazona ny fiasan'ny herinaratra hatramin'ny 5% strain (32), izay ambany lavitra noho ny sanda farany ambany takiana (~50%) ho an'ny sensor fanaraha-maso ny fahasalamana azo anaovana sy ny hoditra elektronika (33, 34). Vao haingana, dia nodinihina ny fomba fiasa graphene kirigami, ary ny transistor voahodidin'ny electrolyte ranoka dia azo mivelatra hatramin'ny 240% (35). Na izany aza, ity fomba ity dia mitaky graphene mihantona, izay manasarotra ny fizotran'ny fanamboarana.
Eto izahay dia mahazo fitaovana graphene azo mivelatra be amin'ny alàlan'ny fampidirana horonana graphene (~1 hatramin'ny 20 μm ny lavany, ~0.1 hatramin'ny 1 μm ny sakany, ary ~10 hatramin'ny 100 nm ny haavony) eo anelanelan'ny sosona graphene. Mihevitra izahay fa ireo horonana graphene ireo dia afaka manome lalana mitarika mba hanenjanana ireo triatra ao amin'ny takelaka graphene, ka hitazona ny fitarihana avo lenta rehefa misy tsindry. Tsy mila fanamboarana na dingana fanampiny ireo horonana graphene; miforona ho azy izy ireo mandritra ny fomba famindrana lena. Amin'ny fampiasana horonana G/G (graphene/graphene) (MGG) misy sosona maro, elektroda azo mivelatra graphene (loharano/tatatra sy vavahady) ary CNT semiconductor, dia afaka nampiseho transistors karbônina rehetra mangarahara sy azo mivelatra be izahay, izay azo mivelatra hatramin'ny tsindry 120% (mifanitsy amin'ny lalana fitaterana fiampangana) ary mitazona 60% amin'ny vokatra herinaratra tany am-boalohany. Ity no transistor miorina amin'ny karbônina mangarahara azo mivelatra indrindra hatreto, ary manome herinaratra ampy hampandehanana LED tsy organika.
Mba hahafahana mampiasa elektrôda graphene mangarahara mivelatra amin'ny faritra midadasika, dia nifidy graphene novolena CVD teo amin'ny foil Cu izahay. Nahantona teo afovoan'ny fantsona quartz CVD ny foil Cu mba hahafahan'ny graphene mitombo amin'ny andaniny roa, ka mamorona rafitra G/Cu/G. Mba hamindrana graphene, dia nolokoinay aloha ny sosona manify poly(methyl methacrylate) (PMMA) mba hiarovana ny ilany iray amin'ny graphene, izay nomenay anarana hoe graphene ambony (ny mifamadika amin'izany ho an'ny ilany iray hafa amin'ny graphene), ary avy eo, ny sarimihetsika manontolo (PMMA/graphene ambony/Cu/graphene ambany) dia nalona tao anaty vahaolana (NH4)2S2O8 mba hanesorana ny foil Cu. Ny graphene ambany tsy misy ny coating PMMA dia tsy maintsy hanana triatra sy lesoka izay ahafahan'ny etchant miditra (36, 37). Araka ny aseho amin'ny Sary 1A, noho ny fiantraikan'ny fihenjanana ambonin'ny tany, ireo sehatra graphene navoaka dia nihodina ho horonana ary avy eo dia napetaka tamin'ny sarimihetsika G/PMMA ambony sisa. Azo afindra amin'ny substrate rehetra ireo horonana top-G/G, toy ny SiO2/Si, vera, na polymer malefaka. Ny famerimberenana imbetsaka an'io dingana famindrana io amin'ny substrate iray ihany dia manome rafitra MGG.
(A) Sary maneho ny fomba fanamboarana MGG ho toy ny elektrôda azo mivelatra. Nandritra ny famindrana graphene, ny graphene ao ambadiky ny foil Cu dia notapatapahina tamin'ny sisiny sy ny lesoka, nahorona ho endrika tsy voafaritra, ary nafatotra mafy tamin'ny sarimihetsika ambony, namorona nanoscrolls. Ny sariitatra fahefatra dia mampiseho ny rafitra MGG miangona. (B sy C) Toetra TEM avo lenta amin'ny MGG monolayer, mifantoka amin'ny faritra monolayer graphene (B) sy ny horonana (C). Ny sary kely ao amin'ny (B) dia sary kely fampitomboana mampiseho ny morphology ankapoben'ny MGG monolayer amin'ny grid TEM. Ny sary kely ao amin'ny (C) dia ny mombamomba ny hamafin'ny sary nalaina manaraka ny boaty mahitsizoro aseho amin'ny sary, izay ny elanelana misy eo amin'ny fiaramanidina atomika dia 0.34 sy 0.41 nm. (D) Spektrum EEL sisiny K misy ny tendrony graphitic π* sy σ*. (E) Sary AFM fizarana amin'ny horonana G/G monolayer misy mombamomba ny haavony manaraka ny tsipika mavo teboka. (F hatramin'ny I) Mikroskôpia optika sy sary AFM an'ny sosona telo G tsy misy (F sy H) ary misy horonana (G sy I) amin'ny substrate SiO2/Si 300 nm ny hateviny. Nomena marika ireo horonana sy ketrona maneho izany mba hanasongadinana ny fahasamihafany.
Mba hanamarinana fa graphene mihodinkodina ireo horonana, dia nanao fandalinana mikroskopia elektrôna fandefasana avo lenta (TEM) sy spektroskopia fahaverezan'ny angovo elektrôna (EEL) tamin'ny rafitra horonana ambony G/G monolayer izahay. Ny Sary 1B dia mampiseho ny rafitra hexagonal an'ny graphene monolayer, ary ny sary anatiny dia morphology ankapobeny an'ny sarimihetsika rakotra lavaka karbônina tokana amin'ny grid TEM. Ny graphene monolayer dia mandrakotra ny ankamaroan'ny grid, ary misy poti-graphene sasany miseho eo anatrehan'ny peratra hexagonal maromaro (Sary 1B). Tamin'ny alàlan'ny zooming tao anaty horonana tsirairay (Sary 1C), dia nahita sisin-tambajotra graphene be dia be izahay, miaraka amin'ny elanelan'ny tambajotra eo anelanelan'ny 0.34 sy 0.41 nm. Ireo fandrefesana ireo dia manondro fa ireo poti-javatra ireo dia mihodinkodina kisendrasendra ary tsy grafita tonga lafatra, izay manana elanelan'ny tambajotra 0.34 nm ao amin'ny fananganana sosona "ABAB". Ny Sary 1D dia mampiseho ny spektrum karbônina K-edge EEL, izay iavian'ny tendrony amin'ny 285 eV avy amin'ny orbitra π* ary ny iray hafa manodidina ny 290 eV dia vokatry ny fiovan'ny orbitra σ*. Hita fa ny fifamatorana sp2 no manjaka amin'ity rafitra ity, izay manamarina fa tena grafita ireo horonana.
Ny sary mikroskopia optika sy ny sary mikroskopia hery atomika (AFM) dia manome topimaso momba ny fizarana ny nanoscrolls graphene ao amin'ny MGGs (Sary 1, E hatramin'ny G, ary sary S1 sy S2). Miparitaka kisendrasendra eny ambonin'ny tany ireo horonana, ary mitombo mifanaraka amin'ny isan'ny sosona mifanongoa ny hakitroky ny horonana. Maro amin'ireo horonana no mifamatotra ho fatotra ary mampiseho haavo tsy mitovy eo anelanelan'ny 10 ka hatramin'ny 100 nm. Mirefy 1 ka hatramin'ny 20 μm ny lavany ary 0.1 ka hatramin'ny 1 μm ny sakany, miankina amin'ny haben'ny poti-grafena voalohany. Araka ny aseho amin'ny Sary 1 (H sy I), lehibe kokoa noho ny ketrona ny haben'ireo horonana, ka miteraka fifandraisana henjana kokoa eo amin'ny sosona graphene.
Mba handrefesana ny toetra elektrika, dia nanamboatra sarimihetsika graphene misy na tsy misy rafitra horonana sy sosona miendrika takelaka 300 μm ny sakany ary 2000 μm ny halavany izahay tamin'ny fampiasana photolithography. Ny fanoherana roa-probe ho toy ny fiasan'ny fihenjanana dia norefesina teo ambanin'ny toe-javatra manodidina. Ny fisian'ny horonana dia nampihena ny resistivity ho an'ny monolayer graphene tamin'ny 80% miaraka amin'ny fihenan'ny transmittance 2.2% fotsiny (sary S4). Izany dia manamafy fa ny nanoscrolls, izay manana hakitroky ny courant avo lenta hatramin'ny 5 × 107 A/cm2 (38, 39), dia mandray anjara amin'ny herinaratra tena tsara amin'ny MGGs. Amin'ireo mono-, bi-, ary trilayer plain graphene sy MGGs rehetra, ny trilayer MGG no manana ny conductance tsara indrindra miaraka amin'ny mangarahara efa ho 90%. Mba hampitahana amin'ny loharanon-karatra graphene hafa voalaza ao amin'ny literatiora, dia nandrefy ny fanoherana takelaka misy probe efatra ihany koa izahay (sary S5) ary nitanisa azy ireo ho toy ny fiasan'ny transmittance amin'ny 550 nm (sary S6) ao amin'ny Sary 2A. Ny MGG dia mampiseho conductivity sy mangarahara mitovy na ambony kokoa noho ny graphene plain multilayer sy ny oxide graphene reduced (RGO) namboarina artifisialy (6, 8, 18). Mariho fa ny fanoherana takelaka amin'ny graphene plain multilayer namboarina artifisialy avy amin'ny literatiora dia somary avo kokoa noho ny an'ny MGG anay, angamba noho ny tsy fahampian'ny fepetra fitomboana sy ny fomba famindrana azy ireo.
(A) Fanoherana takelaka misy probe efatra mifanohitra amin'ny transmittance amin'ny 550 nm ho an'ny karazana graphene maromaro, izay ahitana efamira mainty manondro MGG mono-, bi-, ary trilayer; ny faribolana mena sy telozoro manga dia mifanandrify amin'ny graphene tsotra multilayer izay ambolena amin'ny Cu sy Ni avy amin'ny fanadihadiana nataon'i Li et al. (6) sy Kim et al. (8), ary avy eo dia nafindra tamin'ny SiO2/Si na quartz; ary ny telozoro maitso dia sanda ho an'ny RGO amin'ny ambaratonga fampihenana samihafa avy amin'ny fanadihadiana nataon'i Bonaccorso et al. (18). (B sy C) Fiovan'ny fanoherana ara-dalàna amin'ny MGG mono-, bi- ary trilayer sy G ho toy ny fiasan'ny fihenjanana perpendicular (B) sy parallel (C) amin'ny lalana izoran'ny fikorianan'ny courant. (D) Fiovan'ny fanoherana ara-dalàna amin'ny bilayer G (mena) sy MGG (mainty) eo ambanin'ny enta-mavesatra cyclic hatramin'ny 50% perpendicular strain. (E) Fiovan'ny fanoherana ara-dalàna amin'ny trilayer G (mena) sy MGG (mainty) eo ambanin'ny enta-mavesatra cyclic hatramin'ny 90% parallel strain. (F) Fiovan'ny capacitance voarindra amin'ny mono-, bi- ary trilayer G ary bi- sy trilayer MGGs ho toy ny asan'ny fihenjanana. Ny inset dia ny firafitry ny capacitor, izay ny substrate polymer dia SEBS ary ny sosona dielectric polymer dia ny SEBS 2-μm-matevina.
Mba hanombanana ny fahombiazan'ny MGG miankina amin'ny fihenjanana, dia nafindranay teo amin'ny substrates thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (~2 sm ny sakany ary ~5 sm ny lavany) ny graphene, ary norefesina ny conductivity rehefa nohenjanana ny substrate (jereo ny Fitaovana sy Fomba) na mahitsy na mifanitsy amin'ny lalana izoran'ny fikorianan'ny courant (Sary 2, B sy C). Nihatsara ny fitondran-tena elektrika miankina amin'ny fihenjanana tamin'ny fampidirana nanoscrolls sy ny fitomboan'ny isan'ny sosona graphene. Ohatra, rehefa mahitsy amin'ny fikorianan'ny courant ny fihenjanana, ho an'ny monolayer graphene, ny fanampiana horonana dia nampitombo ny fihenjanana rehefa tapaka ny herinaratra avy amin'ny 5 ka hatramin'ny 70%. Nihatsara be ihany koa ny fandeferana ny fihenjanana amin'ny graphene monolayer. Miaraka amin'ny nanoscrolls, amin'ny fihenjanana mahitsy 100%, ny fanoheran'ny rafitra trilayer MGG dia nitombo 50% monja, raha oharina amin'ny 300% ho an'ny trilayer graphene tsy misy horonana. Nodinihina ny fiovan'ny fanoherana eo ambanin'ny enta-mavesatra cyclic strain ing. Ho fampitahana (Sary 2D), nitombo in-7.5 eo ho eo ny fanoheran'ny sarimihetsika graphene bilayer tsotra rehefa afaka ~700 tsingerina amin'ny fihenjanana mitsangana 50% ary nitombo hatrany miaraka amin'ny fihenjanana isaky ny tsingerina. Etsy ankilany, nitombo in-2.5 eo ho eo ny fanoheran'ny MGG bilayer rehefa afaka ~700 tsingerina. Rehefa ampiharina hatramin'ny 90% ny fihenjanana manaraka ny lalana mifanitsy, dia nitombo in-100 ny fanoheran'ny graphene trilayer rehefa afaka ~1000 tsingerina, raha ~8 fotsiny izany ao amin'ny MGG trilayer (Sary 2E). Aseho amin'ny sary S7 ny valin'ny tsingerina. Ny fitomboan'ny fanoherana haingana kokoa manaraka ny lalana mifanitsy dia satria ny fironan'ny triatra dia mifanitsy amin'ny lalana mikoriana ny courant. Ny fivilian'ny fanoherana mandritra ny famenoana sy ny fanesorana ny fihenjanana dia vokatry ny famerenana viscoelastic ny substrate elastomer SEBS. Ny fanoheran'ny MGG strips maharitra kokoa mandritra ny tsingerina dia vokatry ny fisian'ny horonana lehibe izay afaka mampifandray ny faritra triatra amin'ny graphene (araka ny hitan'ny AFM), izay manampy amin'ny fitazonana ny lalan'ny percolating. Efa voalaza teo aloha ity trangan-javatra mitazona ny conductivity amin'ny alàlan'ny lalan-drivotra ity ho an'ny sarimihetsika metaly vaky na semiconductor amin'ny substrates elastomer (40, 41).
Mba hanombanana ireo sarimihetsika mifototra amin'ny graphene ireo ho toy ny elektrôda vavahady amin'ny fitaovana azo mivelatra, dia norakofanay sosona dielektrika SEBS (2 μm ny hateviny) ny sosona graphene ary nojerenay ny fiovan'ny capacitance dielektrika ho toy ny fiasan'ny fihenjanana (jereo ny Sary 2F sy ny Fitaovana Fanampiny raha mila fanazavana fanampiny). Hitanay fa nihena haingana ny capacitances amin'ny elektrôda graphene monolayer tsotra sy bilayer noho ny fahaverezan'ny conductivity in-plane an'ny graphene. Mifanohitra amin'izany, ny capacitances voafehin'ny MGGs ary koa ny graphene trilayer tsotra dia naneho fitomboan'ny capacitance miaraka amin'ny fihenjanana, izay antenaina noho ny fihenan'ny hatevin'ny dielektrika miaraka amin'ny fihenjanana. Ny fitomboan'ny capacitance antenaina dia mifanaraka tsara amin'ny rafitra MGG (sary S8). Izany dia manondro fa ny MGG dia mety ho toy ny elektrôda vavahady ho an'ny transistors azo mivelatra.
Mba handinihana bebe kokoa ny anjara asan'ny horonana graphene 1D amin'ny fandeferana ny fihenjanana amin'ny fitondrana herinaratra sy hifehezana tsara kokoa ny fisarahana eo amin'ny sosona graphene, dia nampiasa CNT voaloko izahay mba hanoloana ireo horonana graphene (jereo ny Fitaovana Fanampiny). Mba hanahafana ny rafitra MGG, dia nametraka hakitroky CNT telo izahay (izany hoe, CNT1
(A hatramin'ny C) Sary AFM misy hakitroky CNT telo samihafa (CNT1
Mba hahatakarana bebe kokoa ny fahafahan'izy ireo ho toy ny elektrôda ho an'ny elektronika azo mivelatra, dia nodinihinay tsara ny endriky ny MGG sy G-CNT-G eo ambany fanerena. Ny mikroskopia optika sy ny mikroskopia elektrôna scanning (SEM) dia tsy fomba mahomby amin'ny famaritana ny toetrany satria samy tsy manana fifanoherana loko izy roa ary ny SEM dia iharan'ny artifacts sary mandritra ny scanning elektrôna rehefa eo amin'ny substrates polymer ny graphene (sary S9 sy S10). Mba handinihana eo an-toerana ny velaran'ny graphene eo ambany fanerena, dia nanangona fandrefesana AFM tamin'ny MGG trilayer sy graphene tsotra izahay rehefa avy nafindra tamin'ny substrates SEBS manify dia manify (~0.1 mm ny hateviny) sy elastika. Noho ny lesoka anatiny amin'ny graphene CVD sy ny fahasimbana ivelany mandritra ny fizotran'ny famindrana, dia tsy azo ihodivirana ny fisian'ny triatra eo amin'ny graphene mihenjana, ary miaraka amin'ny fitomboan'ny fanerena, dia mihamafy kokoa ny triatra (Sary 4, A hatramin'ny D). Miankina amin'ny rafitra fananganana ny elektrôda mifototra amin'ny karbônina, ny triatra dia mampiseho endrika samihafa (sary S11) (27). Ny hakitroky ny velaran'ny triatra (faritana ho velaran'ny triatra/velarana nohadihadiana) amin'ny graphene misy sosona maro dia ambany noho ny an'ny graphene misy sosona tokana aorian'ny fihenjanana, izay mifanaraka amin'ny fitomboan'ny fitarihan'ny herinaratra ho an'ny MGG. Etsy ankilany, matetika hita fa misy horonana mampifandray ireo triatra, manome lalana fitarihana fanampiny ao amin'ny sarimihetsika voahenjana. Ohatra, araka ny aseho amin'ny sary 4B, horonana mivelatra no niampita ny triatra tao amin'ny MGG misy sosona telo, saingy tsy nisy horonana hita tao amin'ny graphene tsotra (Sary 4, E hatramin'ny H). Toy izany koa, ny CNT koa dia nampifandray ireo triatra tao amin'ny graphene (sary S11). Ny hakitroky ny velaran'ny triatra, ny hakitroky ny velaran'ny horonana, ary ny haratsian'ny sarimihetsika dia fintinina ao amin'ny Sary 4K.
(A hatramin'ny H) Sary AFM eo an-toerana misy horonana G/G misy sosona telo (A hatramin'ny D) sy rafitra G misy sosona telo (E hatramin'ny H) eo amin'ny elastomer SEBS manify dia manify (~0.1 mm ny hateviny) amin'ny fihenjanana 0, 20, 60, ary 100%. Aseho amin'ny zana-tsipìka ireo triatra sy horonana maneho izany. Ny sary AFM rehetra dia ao anatin'ny velaran-tany 15 μm × 15 μm, mampiasa ny bara mizana loko mitovy amin'ny voalaza. (I) Jeometrika simulation amin'ny elektroda graphene monolayer misy lamina eo amin'ny substrate SEBS. (J) Sarintany contour simulation amin'ny fihenjanana logarithmic lehibe indrindra ao amin'ny graphene monolayer sy ny substrate SEBS amin'ny fihenjanana ivelany 20%. (K) Fampitahana ny hakitroky ny velaran-tany triatra (tsanganana mena), ny hakitroky ny velaran-tany horonana (tsanganana mavo), ary ny harafesina amin'ny velarana (tsanganana manga) ho an'ny rafitra graphene samihafa.
Rehefa mivelatra ireo sarimihetsika MGG, dia misy fomba fanampiny manan-danja ahafahan'ireo horonana mampifandray ireo faritra vaky amin'ny graphene, mitazona tambajotra miditra lalina. Mampanantena ireo horonana graphene satria mety hahatratra am-polony mikrômetatra ny halavany ary noho izany dia afaka mampifandray ireo triatra izay matetika mahatratra mikrômetatra. Ankoatra izany, satria misy sosona graphene maro ireo horonana, dia antenaina fa hanana fanoherana ambany izy ireo. Raha ampitahaina, dia ilaina ny tambajotra CNT matevina (ambany fifindran'ny herinaratra) mba hanomezana fahaiza-manao mitovy amin'izany, satria kely kokoa ny CNT (matetika mikrômetatra vitsivitsy ny halavany) ary tsy dia mitondra herinaratra loatra noho ny horonana. Etsy ankilany, araka ny aseho amin'ny sary S12, raha toa ka vaky ny graphene mandritra ny fivelarana mba handraisana ny fihenjanana, dia tsy vaky ireo horonana, izay midika fa mety hisolafaka eo amin'ny graphene ambaniny io farany io. Ny antony tsy mahavaky azy ireo dia mety ho noho ny rafitra mihodinkodina, izay ahitana sosona graphene maro (~1 hatramin'ny 20 μm ny lavany, ~0.1 hatramin'ny 1 μm ny sakany, ary ~10 hatramin'ny 100 nm ny haavony), izay manana modulus mahomby ambony kokoa noho ny graphene sosona tokana. Araka ny tatitry Green sy Hersam (42), ny tambajotra CNT metaly (savaivony fantsona 1.0 nm) dia afaka mahatratra fanoherana takelaka ambany <100 ohms/sq na dia eo aza ny fanoherana fifandraisana lehibe eo amin'ny CNT. Raha jerena fa ny horonana graphene dia manana sakany 0.1 hatramin'ny 1 μm ary ny horonana G/G dia manana faritra fifandraisana lehibe kokoa noho ny CNT, ny fanoherana fifandraisana sy ny faritra fifandraisana eo amin'ny graphene sy ny horonana graphene dia tsy tokony ho anton-javatra mametra ny fitazonana ny conductivity avo lenta.
Avo lavitra noho ny an'ny substrate SEBS ny modulus an'ny graphene. Na dia ambany lavitra noho ny an'ny substrate aza ny hatevin'ny elektrôda graphene mahomby, dia azo ampitahaina amin'ny an'ny substrate (43, 44) ny hamafin'ny graphene ampitomboina ny hateviny, ka miteraka fiantraikany antonony amin'ny nosy henjana. Nanao simulation ny fiovaovan'ny endriky ny graphene 1-nm-matevina amin'ny substrate SEBS izahay (jereo ny Fitaovana Fanampiny raha mila fanazavana fanampiny). Araka ny valin'ny simulation, rehefa ampiharina amin'ny substrate SEBS ivelany ny fihenjanana 20%, dia ~6.6% ny fihenjanana antonony ao amin'ny graphene (Sary 4J sy sary S13D), izay mifanaraka amin'ny fandinihana andrana (jereo ny sary S13). Nampitaha ny fihenjanana tao amin'ny faritra graphene sy substrate misy lamina izahay tamin'ny fampiasana mikroskopia optika ary nahita fa farafahakeliny avo roa heny noho ny fihenjanana tao amin'ny faritra graphene ny fihenjanana tao amin'ny faritra substrate. Midika izany fa ny fihenjanana ampiharina amin'ny lamina elektrôda graphene dia mety ho voafetra be, ka mamorona nosy henjana graphene eo ambonin'ny SEBS (26, 43, 44).
Noho izany, ny fahafahan'ny elektrôda MGG mitazona conductivity avo lenta amin'ny tsindry avo dia azo inoana fa tanterahan'ny mekanisma roa lehibe: (i) Ireo horonana dia afaka mampitohy ireo faritra tsy mifamatotra mba hihazonana ny lalan'ny percolation conductive, ary (ii) ireo takelaka graphene/elastomer misy sosona maro dia mety hifampikasokasoka, ka miteraka fihenan'ny tsindry amin'ny elektrôda graphene. Ho an'ny sosona maromaro amin'ny graphene nafindra amin'ny elastomer, ireo sosona dia tsy mifamatotra mafy, izay mety hihetsika ho setrin'ny tsindry (27). Ireo horonana koa dia nampitombo ny haratsian'ny sosona graphene, izay mety hanampy amin'ny fampitomboana ny fisarahana eo amin'ny sosona graphene ary noho izany dia ahafahana mikoriana ny sosona graphene.
Ireo fitaovana karbônina manontolo dia ezahina fatratra noho ny vidiny mirary sy ny fahafaha-miditra avo lenta. Amin'ny tranga misy anay, ireo transistors karbônina manontolo dia namboarina tamin'ny fampiasana vavahady graphene ambany, fifandraisana loharano/tatatra graphene ambony, semiconductor CNT voalamina, ary SEBS ho dielectric (Sary 5A). Araka ny aseho amin'ny Sary 5B, ny fitaovana karbônina manontolo misy CNT ho loharano/tatatra sy vavahady (fitaovana ambany) dia tsy mangarahara kokoa noho ny fitaovana misy elektrôda graphene (fitaovana ambony). Izany dia satria ny tambajotra CNT dia mitaky hatevina lehibe kokoa ary, vokatr'izany, fifindran'ny optika ambany kokoa mba hahazoana fanoherana takelaka mitovy amin'ny an'ny graphene (sary S4). Ny Sary 5 (C sy D) dia mampiseho ny fiolahana famindrana sy ny fivoahana maneho alohan'ny fihenjanana ho an'ny transistor vita amin'ny elektrôda MGG bilayer. Ny sakany sy ny halavan'ny fantsona amin'ny transistor tsy voahenjana dia 800 sy 100 μm, tsirairay avy. Ny tahan'ny on/off voarefy dia lehibe noho ny 103 miaraka amin'ny courant on sy off amin'ny ambaratonga 10−5 sy 10−8 A, tsirairay avy. Ny fiolahana vokatra dia mampiseho fomba fiasa linear sy saturation tonga lafatra miaraka amin'ny fiankinan-doha amin'ny voltase-vavahady mazava, izay manondro ny fifandraisana tonga lafatra eo amin'ny CNT sy ny elektrôda graphene (45). Ny fanoherana ny fifandraisana amin'ny elektrôda graphene dia hita fa ambany noho ny an'ny sarimihetsika Au etona (jereo ny sary S14). Ny fivezivezen'ny saturation an'ny transistor azo mivelatra dia eo amin'ny 5.6 cm2/Vs eo ho eo, mitovy amin'ny an'ny transistors CNT voasokajy polymer mitovy amin'ny substrates Si henjana miaraka amin'ny SiO2 300-nm ho sosona dielektrika. Azo atao ny manatsara bebe kokoa ny fivezivezena amin'ny alàlan'ny hakitroky ny fantsona nohatsaraina sy ny karazana fantsona hafa (46).
(A) Tetikasan'ny transistor azo mivelatra miorina amin'ny graphene. SWNT, nanotubes karbônina misy rindrina tokana. (B) Sarin'ny transistor azo mivelatra vita amin'ny elektrôda graphene (ambony) sy elektrôda CNT (ambany). Miharihary tsara ny fahasamihafan'ny mangarahara. (C sy D) Fiolahana famindrana sy famoahana ny transistor miorina amin'ny graphene amin'ny SEBS alohan'ny fihenjanana. (E sy F) Fiolahana famindrana, courant mandeha sy maty, tahan'ny mandeha/maty, ary ny fivezivezen'ny transistor miorina amin'ny graphene amin'ny fihenjanana samihafa.
Rehefa nohenjanana tamin'ny lalana mifanitsy amin'ny lalana fitaterana fiampangana ilay fitaovana mangarahara vita amin'ny karbônina manontolo, dia hita fa nihena hatramin'ny 120% ny fihenjanana. Nandritra ny fihenjanana, dia nihena hatrany ny fivezivezena avy amin'ny 5.6 cm2/Vs amin'ny fihenjanana 0% ka hatramin'ny 2.5 cm2/Vs amin'ny fihenjanana 120% (Sary 5F). Nampitahainay ihany koa ny fahombiazan'ny transistor ho an'ny halavan'ny fantsona samihafa (jereo ny tabilao S1). Tsara homarihina fa amin'ny fihenjanana lehibe hatramin'ny 105%, ireo transistor rehetra ireo dia mbola naneho tahan'ny on/off avo lenta (>103) sy fivezivezena (>3 cm2/Vs). Ho fanampin'izany, dia namintina ny asa rehetra vao haingana momba ny transistor vita amin'ny karbônina manontolo izahay (jereo ny tabilao S2) (47–52). Amin'ny alàlan'ny fanatsarana ny fanamboarana fitaovana amin'ny elastomers sy ny fampiasana MGGs ho fifandraisana, ny transistor vita amin'ny karbônina manontolo dia mampiseho fahombiazana tsara amin'ny resaka fivezivezena sy hysteresis ary koa ny maha-mora mivelatra azy.
Ho fampiharana ny transistor mangarahara sy azo mivelatra tanteraka, dia nampiasainay izany mba hifehezana ny fifandimbiasan'ny LED (Sary 6A). Araka ny aseho amin'ny Sary 6B, ny LED maitso dia hita mazava tsara amin'ny alàlan'ny fitaovana karbônina azo mivelatra napetraka eo amboniny. Na dia mivelatra hatramin'ny ~100% aza (Sary 6, C sy D), dia tsy miova ny hamafin'ny hazavana LED, izay mifanaraka amin'ny fahombiazan'ny transistor voalaza etsy ambony (jereo ny sarimihetsika S1). Ity no tatitra voalohany momba ny singa fanaraha-maso azo mivelatra vita amin'ny fampiasana elektroda graphene, izay mampiseho fahafahana vaovao ho an'ny elektronika azo mivelatra graphene.
(A) Fizaran-tany transistor iray hampandehanana ny LED. GND, amin'ny tany. (B) Sarin'ny transistor karbônina manontolo azo mivelatra sy mangarahara amin'ny tsindry 0% napetraka eo ambonin'ny LED maitso. (C) Ny transistor karbônina manontolo mangarahara sy azo mivelatra ampiasaina hanodinana ny LED dia napetraka eo ambonin'ny LED amin'ny tsindry 0% (ankavia) ary ~100% (ankavanana). Ny zana-tsipìka fotsy dia manondro ny marika mavo eo amin'ny fitaovana mba hampisehoana ny fiovan'ny halavirana mivelatra. (D) Fijery avy amin'ny ilany amin'ny transistor mivelatra, miaraka amin'ny LED atsofoka ao amin'ny elastomer.
Ho famaranana, dia namorona rafitra graphene mangarahara izahay izay mitazona conductivity avo lenta amin'ny fihenjanana lehibe toy ny electrodes azo mivelatra, izay avelan'ny nanoscrolls graphene eo anelanelan'ny sosona graphene mifanongoa. Ireo rafitra electrode MGG bi- sy trilayer amin'ny elastomer ireo dia afaka mitazona 21 sy 65%, tsirairay avy, amin'ny conductivity 0% amin'ny fihenjanana hatramin'ny 100%, raha oharina amin'ny fahaverezan'ny conductivity tanteraka amin'ny fihenjanana 5% ho an'ny electrodes graphene monolayer mahazatra. Ny lalan'ny conductivity fanampiny amin'ny graphene scrolls ary koa ny fifandraisana malemy eo amin'ny sosona nafindra dia mandray anjara amin'ny fahamarinan'ny conductivity ambony kokoa amin'ny fihenjanana. Nampiharinay ihany koa ity rafitra graphene ity mba hanamboarana transistors azo mivelatra vita amin'ny karbônina rehetra. Hatreto, ity no transistor miorina amin'ny graphene azo mivelatra indrindra miaraka amin'ny mangarahara tsara indrindra tsy mampiasa buckling. Na dia natao aza ity fanadihadiana ity mba ahafahana mampiasa graphene amin'ny elektronika azo mivelatra, dia mino izahay fa ity fomba fiasa ity dia azo itarina amin'ny fitaovana 2D hafa mba ahafahana mampiasa elektronika 2D azo mivelatra.
Nambolena teo amin'ny takelaka Cu mihantona (99.999%; Alfa Aesar) teo ambanin'ny tsindry tsy miova 0.5 mtorr miaraka amin'ny 50–SCCM (santimetatra kibika mahazatra isan-minitra) CH4 sy 20–SCCM H2 ho toy ny precursors amin'ny 1000°C ny graphene CVD misy velarana lehibe. Norakofana graphene monolayer ny andaniny roa amin'ny takelaka Cu. Nolokoina tamin'ny spin-coating ny sosona manify PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) teo amin'ny ilany iray amin'ny takelaka Cu, ka namorona rafitra PMMA/G/Cu foil/G. Taorian'izay, dia nalona tao anaty vahaolana ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] 0.1 M nandritra ny 2 ora teo ho eo ny sarimihetsika manontolo mba hanesorana ny takelaka Cu. Nandritra io dingana io, dia rovitra nanaraka ny sisin'ny voa aloha ny graphene lamosina tsy voaaro ary avy eo dia nahorona ho horonana noho ny fihenjanana ambonin'ny tany. Napetaka teo amin'ny sarimihetsika graphene ambony tohanan'ny PMMA ireo horonana, ka namorona horonana PMMA/G/G. Nosasana imbetsaka tao anaty rano tsy misy iônina ireo sarimihetsika ary napetraka teo amin'ny substrate kendrena, toy ny SiO2/Si henjana na substrate plastika. Raha vao maina teo amin'ny substrate ny sarimihetsika miraikitra, dia nalona tsikelikely tao anaty acétone, acétone/IPA (isopropyl alcohol) 1:1, ary IPA nandritra ny 30 segondra avy ny santionany mba hanesorana ny PMMA. Nafanaina tamin'ny 100°C nandritra ny 15 minitra na notehirizina tao anaty banga nandritra ny alina ireo sarimihetsika mba hanesorana tanteraka ny rano voafandrika alohan'ny hamindrana sosona horonana G/G hafa eo amboniny. Ity dingana ity dia mba hisorohana ny fisarahana amin'ny sarimihetsika graphene amin'ny substrate ary hahazoana antoka fa handrakotra tanteraka ny MGGs mandritra ny famoahana ny sosona mpitondra PMMA.
Nojerena tamin'ny alalan'ny mikroskopia optika (Leica) sy mikroskopia elektrôna scanning (1 kV; FEI) ny endriky ny firafitry ny MGG. Nampiasaina tamin'ny fomba tapping ny mikroskopia hery atomika (Nanoscope III, Digital Instrument) mba handinihana ny antsipirian'ny horonana G. Notsapaina tamin'ny alalan'ny spectrometer hita maso ultraviolet (Agilent Cary 6000i) ny mangaraharan'ny sarimihetsika. Ho an'ny fitsapana rehefa nanaraka ny lalana mahitsy amin'ny fikorianan'ny herinaratra ny fihenjanana, dia nampiasaina ny photolithography sy ny plasma O2 mba hamolavolana ny firafitry ny graphene ho lasa sombin-javatra (~300 μm ny sakany ary ~2000 μm ny lavany), ary napetraka tamin'ny hafanana ny elektrôda Au (50 nm) tamin'ny alalan'ny saron-tava aloka amin'ny andaniny roa amin'ny lafiny lava. Avy eo dia napetraka nifandray tamin'ny elastomer SEBS (~2 cm ny sakany ary ~5 cm ny lavany) ireo sombin-javatra graphene, miaraka amin'ny axe lava amin'ny sombin-javatra mifanitsy amin'ny ilany fohy amin'ny SEBS arahin'ny etching BOE (HF:H2O 1:6) sy eutectic gallium indium (EGaIn) ho fifandraisana elektrika. Ho an'ny fitsapana fihenjanana mifanitsy, dia nafindra tamin'ny substrates SEBS ny rafitra graphene tsy misy lamina (~5 × 10 mm), miaraka amin'ny axe lava mifanitsy amin'ny lafiny lava amin'ny substrate SEBS. Ho an'ireo tranga roa ireo, ny G manontolo (tsy misy horonana G)/SEBS dia nohenjanaina nanaraka ny lafiny lava amin'ny elastomer tao anaty fitaovana tanana, ary teo amin'ny toerana nisy azy, dia norefesinay ny fiovan'ny fanoherany teo ambany fihenjanana teo amin'ny toeram-pikarohana miaraka amin'ny mpandinika semiconductor (Keithley 4200-SCS).
Ireo transistors karbônina rehetra mora mivelatra sy mangarahara eo amin'ny substrate elastika dia namboarina tamin'ireto fomba manaraka ireto mba hisorohana ny fahasimban'ny solvent organika amin'ny dielektrika polymer sy ny substrate. Nafindra tao amin'ny SEBS ho toy ny elektroda vavahady ny rafitra MGG. Mba hahazoana sosona dielektrika polymer sarimihetsika manify mitovy (2 μm ny hateviny), dia nolokoina tamin'ny spin-coating teo amin'ny substrate octadecyltrichlorosilane (OTS) - SiO2/Si novaina tamin'ny 1000 rpm nandritra ny 1 minitra ny vahaolana SEBS toluene (80 mg/ml). Azo afindra mora foana avy amin'ny velaran'ny OTS hydrophobic mankany amin'ny substrate SEBS rakotra graphene efa voaomana ny sarimihetsika dielektrika manify. Azo atao ny manamboatra capacitor amin'ny alàlan'ny fametrahana elektroda ambony metaly ranoka (EGaIn; Sigma-Aldrich) mba hamaritana ny capacitance ho toy ny fiasan'ny fihenjanana amin'ny alàlan'ny metatra LCR (inductance, capacitance, resistance) (Agilent). Ny ampahany hafa amin'ny transistor dia ahitana CNT semiconducting voasokajy polymer, manaraka ny fomba voalaza teo aloha (53). Namboarina tamin'ny substrate SiO2/Si henjana ireo elektrôda loharano/tatatra misy lamina. Taorian'izay, ireo tapany roa, dielectric/G/SEBS sy CNTs/modeled G/SiO2/Si, dia napetaka tamin'ny lamination, ary natsobona tao anaty BOE mba hanesorana ny substrate SiO2/Si henjana. Noho izany, dia namboarina ireo transistors mangarahara sy azo mivelatra tanteraka. Ny fitsapana elektrika teo ambany fanerena dia natao tamin'ny fametrahana mivelatra tanana araka ny fomba voalaza etsy ambony.
Azo jerena ao amin'ny http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 ny fitaovana fanampiny ho an'ity lahatsoratra ity.
sary S1. Sary mikroskopika optika an'ny MGG monolayer eo amin'ny substrates SiO2/Si amin'ny fampitomboana samihafa.
sary S4. Fampitahana ny fanoherana sy ny fifindran'ny takelaka roa-probe @550 nm amin'ny graphene tsotra mono-, bi- ary trilayer (efamira mainty), MGG (boribory mena), ary CNT (telozoro manga).
sary S7. Fiovan'ny fanoherana voarindra amin'ny MGG mono- sy bilayer (mainty) sy G (mena) eo ambanin'ny ~1000 cyclic strain vesatra hatramin'ny 40 sy 90% mirazotra strain, tsirairay avy.
sary S10. Sary SEM an'ny MGG misy sosona telo eo amin'ny elastomer SEBS aorian'ny fanindriana, mampiseho tsipika lava mihodinkodina eo ambonin'ny triatra maromaro.
sary S12. Sary AFM an'ny MGG misy sosona telo eo amin'ny elastomer SEBS manify dia manify amin'ny tsindry 20%, mampiseho fa nisy horonana niampita teo ambonin'ny triatra.
tabilao S1. Fivezivezen'ny transistors MGG–tube karbônina misy rindrina tokana amin'ny halavan'ny fantsona samihafa aloha sy aorian'ny fihenjanana.
Lahatsoratra azon'ny rehetra idirana ity, zaraina araka ny fepetran'ny lisansa Creative Commons Attribution-NonCommercial, izay mamela ny fampiasana, fizarana ary famokarana amin'ny fitaovana rehetra, raha mbola tsy natao ho tombontsoa ara-barotra ny fampiasana azy ary raha toa ka voatonona araka ny tokony ho izy ny asa tany am-boalohany.
FANAMARIHANA: Mangataka ny adiresy mailakao fotsiny izahay mba hahafantaran'ilay olona anoloranao ny pejy fa tianao ho hitany izany, ary tsy mailaka tsy ilaina izany. Tsy maka adiresy mailaka izahay.
Ity fanontaniana ity dia natao hitsapana raha olombelona mpitsidika 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: 28 Janoary 2021