Materiais bidimensionais, como o grafeno, são atraentes tanto para aplicações convencionais de semicondutores quanto para aplicações emergentes em eletrônica flexível.No entanto, a alta resistência à tração do grafeno resulta em fraturamento em baixa tensão, tornando difícil tirar proveito de suas extraordinárias propriedades eletrônicas em eletrônicos elásticos.Para permitir um excelente desempenho dependente de tensão de condutores de grafeno transparentes, criamos nanocrolls de grafeno entre camadas de grafeno empilhadas, chamados de multilayer grafeno/rolos de grafeno (MGGs).Sob tensão, alguns pergaminhos uniram os domínios fragmentados do grafeno para manter uma rede de percolação que permitiu excelente condutividade em altas tensões.MGGs de três camadas suportados em elastômeros retiveram 65% de sua condutância original a 100% de tensão, que é perpendicular à direção do fluxo de corrente, enquanto filmes de três camadas de grafeno sem nanocrolls retiveram apenas 25% de sua condutância inicial.Um transistor de carbono elástico fabricado usando MGGs como eletrodos exibiu uma transmitância de >90% e reteve 60% de sua saída de corrente original com 120% de tensão (paralelamente à direção do transporte de carga).Esses transistores de carbono altamente esticáveis e transparentes podem permitir optoeletrônica esticável sofisticada.
A eletrônica transparente esticável é um campo em crescimento que tem aplicações importantes em sistemas biointegrados avançados (1, 2), bem como o potencial de integração com a optoeletrônica esticável (3, 4) para produzir robótica e displays macios sofisticados.O grafeno exibe propriedades altamente desejáveis de espessura atômica, alta transparência e alta condutividade, mas sua implementação em aplicações elásticas foi inibida por sua tendência a rachar em pequenas deformações.Superar as limitações mecânicas do grafeno pode permitir novas funcionalidades em dispositivos transparentes elásticos.
As propriedades únicas do grafeno o tornam um forte candidato para a próxima geração de eletrodos condutores transparentes (5, 6).Comparado com o condutor transparente mais comumente usado, óxido de índio e estanho [ITO;100 ohms/quadrado (sq) a 90% de transparência], o grafeno monocamada cultivado por deposição de vapor químico (CVD) tem uma combinação semelhante de resistência de folha (125 ohms/sq) e transparência (97,4%) (5).Além disso, os filmes de grafeno têm uma flexibilidade extraordinária em comparação com o ITO (7).Por exemplo, em um substrato plástico, sua condutância pode ser mantida mesmo para um raio de curvatura tão pequeno quanto 0,8 mm (8).Para melhorar ainda mais seu desempenho elétrico como um condutor flexível transparente, trabalhos anteriores desenvolveram materiais híbridos de grafeno com nanofios de prata unidimensionais (1D) ou nanotubos de carbono (CNTs) (9-11).Além disso, o grafeno tem sido usado como eletrodos para semicondutores heteroestruturais dimensionais mistos (como 2D bulk Si, 1D nanofios/nanotubos e 0D pontos quânticos) (12), transistores flexíveis, células solares e diodos emissores de luz (LEDs) (13). -23).
Embora o grafeno tenha mostrado resultados promissores para eletrônica flexível, sua aplicação em eletrônica elástica tem sido limitada por suas propriedades mecânicas (17, 24, 25);o grafeno tem uma rigidez no plano de 340 N/m e um módulo de Young de 0,5 TPa ( 26).A forte rede carbono-carbono não fornece nenhum mecanismo de dissipação de energia para a tensão aplicada e, portanto, racha facilmente com menos de 5% de tensão.Por exemplo, o grafeno CVD transferido para um substrato elástico de polidimetilsiloxano (PDMS) só pode manter sua condutividade em menos de 6% de tensão (8).Cálculos teóricos mostram que o amassamento e a interação entre diferentes camadas devem diminuir fortemente a rigidez (26).Ao empilhar o grafeno em várias camadas, é relatado que esse grafeno de duas ou três camadas é esticável até 30% de tensão, exibindo uma mudança de resistência 13 vezes menor que a do grafeno de monocamada (27).No entanto, esta elasticidade ainda é significativamente inferior aos condutores elásticos de última geração (28, 29).
Os transistores são importantes em aplicações extensíveis porque permitem leitura sofisticada do sensor e análise de sinal (30, 31).Transistores em PDMS com grafeno multicamadas como eletrodos de fonte/dreno e material de canal podem manter a função elétrica de até 5% de tensão (32), que é significativamente abaixo do valor mínimo necessário (~ 50%) para sensores de monitoramento de saúde vestíveis e pele eletrônica ( 33, 34).Recentemente, uma abordagem de grafeno kirigami foi explorada, e o transistor fechado por um eletrólito líquido pode ser esticado para até 240% (35).No entanto, este método requer grafeno suspenso, o que complica o processo de fabricação.
Aqui, conseguimos dispositivos de grafeno altamente elásticos intercalando rolos de grafeno (~ 1 a 20 μm de comprimento, ~ 0,1 a 1 μm de largura e ~ 10 a 100 nm de altura) entre as camadas de grafeno.Nossa hipótese é que esses rolos de grafeno poderiam fornecer caminhos condutores para preencher rachaduras nas folhas de grafeno, mantendo assim alta condutividade sob tensão.Os rolos de grafeno não requerem síntese ou processo adicional;eles são formados naturalmente durante o procedimento de transferência úmida.Usando multicamadas G/G (grafene/grafeno) scrolls (MGGs), eletrodos esticáveis de grafeno (fonte/dreno e porta) e CNTs semicondutores, fomos capazes de demonstrar transistores de carbono altamente transparentes e altamente esticáveis, que podem ser esticados para 120 % de deformação (paralelamente à direção de transporte de carga) e retêm 60% de sua saída de corrente original.Este é o transistor à base de carbono transparente mais elástico até agora e fornece corrente suficiente para acionar um LED inorgânico.
Para permitir eletrodos de grafeno esticáveis transparentes de grande área, escolhemos grafeno cultivado em CVD em folha de Cu.A folha de Cu foi suspensa no centro de um tubo de quartzo CVD para permitir o crescimento do grafeno em ambos os lados, formando estruturas G/Cu/G.Para transferir o grafeno, primeiro revestemos uma fina camada de poli(metacrilato de metila) (PMMA) para proteger um lado do grafeno, que chamamos de grafeno topside (vice-versa para o outro lado do grafeno) e, posteriormente, o grafeno filme inteiro (PMMA/top grafeno/Cu/bottom grafeno) foi embebido em solução de (NH4)2S2O8 para gravar a folha de Cu.O grafeno do lado inferior sem o revestimento de PMMA inevitavelmente terá rachaduras e defeitos que permitem que um decapante penetre (36, 37).Conforme ilustrado na Fig. 1A, sob o efeito da tensão superficial, os domínios de grafeno liberados enrolados em rolos e posteriormente anexados ao filme de G/PMMA superior restante.Os rolos G/G superiores podem ser transferidos para qualquer substrato, como SiO2/Si, vidro ou polímero macio.Repetir esse processo de transferência várias vezes no mesmo substrato fornece estruturas MGG.
(A) Ilustração esquemática do procedimento de fabricação de MGGs como um eletrodo elástico.Durante a transferência de grafeno, o grafeno traseiro na folha de Cu foi quebrado em limites e defeitos, enrolado em formas arbitrárias e firmemente preso aos filmes superiores, formando nanocrolls.O quarto desenho mostra a estrutura MGG empilhada.(B e C) Caracterização TEM de alta resolução de uma monocamada MGG, com foco na monocamada grafeno (B) e na região scroll (C), respectivamente.A inserção de (B) é uma imagem de baixa ampliação que mostra a morfologia geral de MGGs de monocamada na grade TEM.Inserções de (C) são os perfis de intensidade tomados ao longo das caixas retangulares indicadas na imagem, onde as distâncias entre os planos atômicos são 0,34 e 0,41 nm.(D) Espectro EEL da borda K do carbono com os picos grafíticos π* e σ* marcados.(E) Imagem AFM seccional de scrolls G/G monocamada com um perfil de altura ao longo da linha pontilhada amarela.(F a I) Microscopia óptica e imagens AFM da tríplice camada G sem (F e H) e com scrolls (G e I) em substratos SiO2/Si de 300 nm de espessura, respectivamente.Pergaminhos e rugas representativos foram rotulados para destacar suas diferenças.
Para verificar se os scrolls são de grafeno enrolado na natureza, realizamos estudos de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (TEM) e espectroscopia de perda de energia eletrônica (EEL) nas estruturas de scroll G/G de monocamada.A Figura 1B mostra a estrutura hexagonal de um grafeno de monocamada, e a inserção é uma morfologia geral do filme coberto em um único buraco de carbono da grade TEM.O grafeno de monocamada abrange a maior parte da grade, e alguns flocos de grafeno aparecem na presença de várias pilhas de anéis hexagonais (Fig. 1B).Ao fazer zoom em um scroll individual (Fig. 1C), observamos uma grande quantidade de franjas de treliça de grafeno, com o espaçamento de treliça na faixa de 0,34 a 0,41 nm.Essas medidas sugerem que os flocos são enrolados aleatoriamente e não são grafite perfeito, que tem um espaçamento de rede de 0,34 nm no empilhamento de camadas “ABAB”.A Figura 1D mostra o espectro EEL da borda K do carbono, onde o pico em 285 eV se origina do orbital π* e o outro em torno de 290 eV é devido à transição do orbital σ*.Pode-se observar que a ligação sp2 domina nesta estrutura, verificando-se que os scrolls são altamente grafíticos.
As imagens de microscopia óptica e microscopia de força atômica (AFM) fornecem informações sobre a distribuição de nanocrolls de grafeno nos MGGs (Fig. 1, E a G e figs. S1 e S2).Os scrolls são distribuídos aleatoriamente sobre a superfície e sua densidade no plano aumenta proporcionalmente ao número de camadas empilhadas.Muitos rolos estão emaranhados em nós e exibem alturas não uniformes na faixa de 10 a 100 nm.Eles têm de 1 a 20 μm de comprimento e 0,1 a 1 μm de largura, dependendo do tamanho de seus flocos de grafeno iniciais.Conforme mostrado na Fig. 1 (H e I), os scrolls têm tamanhos significativamente maiores do que as rugas, levando a uma interface muito mais áspera entre as camadas de grafeno.
Para medir as propriedades elétricas, modelamos filmes de grafeno com ou sem estruturas de rolagem e empilhamento de camadas em tiras de 300 μm de largura e 2000 μm de comprimento usando fotolitografia.As resistências de duas sondas em função da deformação foram medidas em condições ambientais.A presença de scrolls reduziu a resistividade para grafeno monocamada em 80% com apenas uma diminuição de 2,2% na transmitância (fig. S4).Isso confirma que os nanocrolls, que têm uma alta densidade de corrente de até 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ), fazem uma contribuição elétrica muito positiva para os MGGs.Entre todos os grafenos simples e MGGs mono, bi e trilayer, o MGG trilayer tem a melhor condutância com uma transparência de quase 90%.Para comparar com outras fontes de grafeno relatadas na literatura, também medimos resistências de folha de quatro sondas (fig. S5) e as listamos em função da transmitância em 550 nm (fig. S6) na Fig. 2A.O MGG mostra condutividade e transparência comparáveis ou mais altas do que o grafeno simples multicamada empilhado artificialmente e o óxido de grafeno reduzido (RGO) (6, 8, 18).Observe que as resistências de folha de grafeno simples multicamada empilhado artificialmente da literatura são ligeiramente maiores que as do nosso MGG, provavelmente devido às suas condições de crescimento e método de transferência não otimizados.
(A) Resistências de folha de quatro sondas versus transmitância em 550 nm para vários tipos de grafeno, onde os quadrados pretos denotam MGGs mono, bi e trilayer;círculos vermelhos e triângulos azuis correspondem a grafeno simples multicamada cultivado em Cu e Ni dos estudos de Li et al.(6) e Kim et al.(8), respectivamente, e posteriormente transferidos para SiO2/Si ou quartzo;e triângulos verdes são valores para RGO em diferentes graus redutores do estudo de Bonaccorso et al.(18).(B e C) Mudança de resistência normalizada de MGGs de mono, bi e tricamada e G em função da deformação perpendicular (B) e paralela (C) à direção do fluxo de corrente.(D) Mudança de resistência normalizada da bicamada G (vermelho) e MGG (preto) sob carga de deformação cíclica até 50% de deformação perpendicular.(E) Mudança de resistência normalizada da tríplice camada G (vermelho) e MGG (preto) sob carga de deformação cíclica até 90% de deformação paralela.(F) Mudança de capacitância normalizada de mono-, bi- e trilayer G e bi- e trilayer MGGs como uma função de deformação.A inserção é a estrutura do capacitor, onde o substrato de polímero é SEBS e a camada dielétrica de polímero é o SEBS de 2 μm de espessura.
Para avaliar o desempenho dependente da tensão do MGG, transferimos grafeno para substratos de elastômero termoplástico estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) (~ 2 cm de largura e ~ 5 cm de comprimento), e a condutividade foi medida à medida que o substrato foi esticado (veja Materiais e Métodos) tanto perpendicular quanto paralelamente à direção do fluxo de corrente (Fig. 2, B e C).O comportamento elétrico dependente de deformação melhorou com a incorporação de nanocrolls e aumento do número de camadas de grafeno.Por exemplo, quando a tensão é perpendicular ao fluxo de corrente, para grafeno monocamada, a adição de scrolls aumentou a tensão na ruptura elétrica de 5 a 70%.A tolerância à tensão do grafeno de três camadas também é significativamente melhorada em comparação com o grafeno de monocamada.Com nanocrolls, em 100% de deformação perpendicular, a resistência da estrutura MGG trilayer aumentou apenas 50%, em comparação com 300% para grafeno trilayer sem scrolls.A mudança de resistência sob carga de deformação cíclica foi investigada.Para comparação (Fig. 2D), as resistências de um filme de grafeno de camada dupla simples aumentaram cerca de 7,5 vezes após ~ 700 ciclos a 50% de deformação perpendicular e continuaram aumentando com a deformação em cada ciclo.Por outro lado, a resistência de uma bicamada MGG aumentou apenas cerca de 2,5 vezes após ~700 ciclos.Aplicando até 90% de tensão ao longo da direção paralela, a resistência do grafeno tricamada aumentou ~ 100 vezes após 1000 ciclos, enquanto é apenas ~ 8 vezes em um MGG tricamada (Fig. 2E).Os resultados do ciclismo são mostrados na fig.S7.O aumento relativamente mais rápido na resistência ao longo da direção de deformação paralela ocorre porque a orientação das trincas é perpendicular à direção do fluxo de corrente.O desvio da resistência durante a deformação de carga e descarga é devido à recuperação viscoelástica do substrato de elastômero SEBS.A resistência mais estável das tiras de MGG durante a ciclagem se deve à presença de grandes scrolls que podem fazer a ponte entre as partes trincadas do grafeno (conforme observado pelo AFM), ajudando a manter uma via de percolação.Este fenômeno de manutenção da condutividade por uma via de percolação foi relatado anteriormente para filmes de metal ou semicondutores rachados em substratos de elastômero (40, 41).
Para avaliar esses filmes à base de grafeno como eletrodos de porta em dispositivos extensíveis, cobrimos a camada de grafeno com uma camada dielétrica SEBS (2 μm de espessura) e monitoramos a mudança de capacitância dielétrica em função da deformação (ver Fig. 2F e os Materiais Suplementares para detalhes).Observamos que as capacitâncias com eletrodos de grafeno simples e bicamada diminuíram rapidamente devido à perda de condutividade no plano do grafeno.Em contraste, capacitâncias controladas por MGGs, bem como grafeno de camada tripla simples, mostraram um aumento de capacitância com deformação, o que é esperado devido à redução na espessura dielétrica com deformação.O aumento esperado na capacitância combinou muito bem com a estrutura MGG (fig. S8).Isso indica que o MGG é adequado como um eletrodo de porta para transistores elásticos.
Para investigar ainda mais o papel do rolo de grafeno 1D na tolerância à deformação da condutividade elétrica e controlar melhor a separação entre as camadas de grafeno, usamos CNTs revestidos por spray para substituir os rolos de grafeno (consulte Materiais Suplementares).Para imitar as estruturas MGG, depositamos três densidades de CNTs (ou seja, CNT1
(A a C) Imagens AFM de três densidades diferentes de CNTs (CNT1
Para entender melhor sua capacidade como eletrodos para eletrônica elástica, investigamos sistematicamente as morfologias de MGG e G-CNT-G sob tensão.A microscopia óptica e a microscopia eletrônica de varredura (MEV) não são métodos de caracterização eficazes porque ambos não possuem contraste de cor e o SEM está sujeito a artefatos de imagem durante a varredura eletrônica quando o grafeno está em substratos poliméricos (figs. S9 e S10).Para observar in situ a superfície do grafeno sob tensão, coletamos medições de AFM em MGGs de três camadas e grafeno simples após a transferência para substratos SEBS muito finos (~0,1 mm de espessura) e elásticos.Por causa dos defeitos intrínsecos no grafeno CVD e danos extrínsecos durante o processo de transferência, rachaduras são inevitavelmente geradas no grafeno deformado e, com o aumento da deformação, as trincas se tornam mais densas (Fig. 4, A a D).Dependendo da estrutura de empilhamento dos eletrodos à base de carbono, as fissuras apresentam diferentes morfologias (fig. S11) (27).A densidade da área de rachadura (definida como área de rachadura/área analisada) do grafeno multicamada é menor que a do grafeno monocamada após a deformação, o que é consistente com o aumento da condutividade elétrica para MGGs.Por outro lado, os scrolls são frequentemente observados para preencher as rachaduras, fornecendo caminhos condutores adicionais no filme tensionado.Por exemplo, como rotulado na imagem da Fig. 4B, um rolo largo cruzou uma fenda na tríplice camada MGG, mas nenhum rolo foi observado no grafeno simples (Fig. 4, E a H).Da mesma forma, os NTCs também preencheram as rachaduras no grafeno (fig. S11).A densidade da área de fissura, densidade da área de rolagem e rugosidade dos filmes estão resumidas na Fig. 4K.
(A a H) Imagens de AFM in situ de rolos G/G de três camadas (A a D) e estruturas G de três camadas (E a H) em um elastômero SEBS muito fino (~ 0,1 mm de espessura) em 0, 20, 60 e 100 % cepa.Rachaduras e pergaminhos representativos são apontados com setas.Todas as imagens AFM estão em uma área de 15 μm × 15 μm, usando a mesma barra de escala de cores conforme rotulada.(I) Geometria de simulação de eletrodos de grafeno monocamada padronizados no substrato SEBS.(J) Mapa de contorno de simulação da deformação logarítmica principal máxima no grafeno de monocamada e no substrato SEBS a 20% de deformação externa.(K) Comparação da densidade da área de fissura (coluna vermelha), densidade da área de rolagem (coluna amarela) e rugosidade da superfície (coluna azul) para diferentes estruturas de grafeno.
Quando os filmes de MGG são esticados, existe um importante mecanismo adicional que os scrolls podem fazer a ponte entre regiões trincadas de grafeno, mantendo uma rede de percolação.Os rolos de grafeno são promissores porque podem ter dezenas de micrômetros de comprimento e, portanto, capazes de preencher rachaduras que normalmente são de escala micrométrica.Além disso, como os rolos consistem em multicamadas de grafeno, espera-se que tenham baixa resistência.Em comparação, as redes CNT relativamente densas (menor transmitância) são necessárias para fornecer capacidade de ponte condutiva comparável, pois os CNTs são menores (normalmente alguns micrômetros de comprimento) e menos condutivos que os scrolls.Por outro lado, como mostrado na fig.S12, enquanto o grafeno racha durante o alongamento para acomodar a deformação, os scrolls não racham, indicando que o último pode estar deslizando no grafeno subjacente.A razão pela qual eles não racham é provavelmente devido à estrutura enrolada, composta por muitas camadas de grafeno (~ 1 a 2 0 μm de comprimento, ~ 0,1 a 1 μm de largura e ~ 10 a 100 nm de altura), que tem um módulo efetivo mais alto do que o grafeno de camada única.Conforme relatado por Green e Hersam (42), as redes CNT metálicas (diâmetro do tubo de 1,0 nm) podem atingir baixas resistências de folha <100 ohms/sq, apesar da grande resistência de junção entre os CNTs.Considerando que nossos scrolls de grafeno têm larguras de 0,1 a 1 μm e que os scrolls G/G têm áreas de contato muito maiores que os CNTs, a resistência de contato e a área de contato entre grafeno e scrolls de grafeno não devem ser fatores limitantes para manter a alta condutividade.
O grafeno tem um módulo muito maior do que o substrato SEBS.Embora a espessura efetiva do eletrodo de grafeno seja muito menor que a do substrato, a rigidez do grafeno vezes sua espessura é comparável à do substrato (43, 44), resultando em um efeito ilha rígida moderada.Simulamos a deformação de um grafeno de 1 nm de espessura em um substrato SEBS (consulte Materiais Suplementares para obter detalhes).De acordo com os resultados da simulação, quando 20% de deformação é aplicada externamente ao substrato SEBS, a deformação média no grafeno é de ~6,6% (Fig. 4J e fig. S13D), o que é consistente com as observações experimentais (ver fig. S13) .Comparamos a deformação nas regiões padronizadas de grafeno e substrato usando microscopia óptica e descobrimos que a deformação na região do substrato era pelo menos duas vezes a deformação na região do grafeno.Isso indica que a tensão aplicada nos padrões de eletrodos de grafeno pode ser significativamente confinada, formando ilhas rígidas de grafeno no topo do SEBS (26, 43, 44).
Portanto, a capacidade dos eletrodos de MGG de manter alta condutividade sob alta tensão é provavelmente habilitada por dois mecanismos principais: (i) os rolos podem conectar regiões desconectadas para manter uma via de percolação condutora e (ii) as folhas/elastômero de grafeno multicamadas podem deslizar uns sobre os outros, resultando em tensão reduzida nos eletrodos de grafeno.Para múltiplas camadas de grafeno transferido em elastômero, as camadas não estão fortemente ligadas umas às outras, o que pode deslizar em resposta à tensão (27).Os scrolls também aumentaram a rugosidade das camadas de grafeno, o que pode ajudar a aumentar a separação entre as camadas de grafeno e, portanto, possibilitar o deslizamento das camadas de grafeno.
Dispositivos totalmente em carbono são buscados com entusiasmo devido ao baixo custo e alto rendimento.No nosso caso, os transistores de carbono foram fabricados usando uma porta de grafeno inferior, um contato fonte/dreno de grafeno superior, um semicondutor CNT classificado e SEBS como dielétrico (Fig. 5A).Conforme mostrado na Fig. 5B, um dispositivo todo em carbono com CNTs como fonte/dreno e porta (dispositivo inferior) é mais opaco do que o dispositivo com eletrodos de grafeno (dispositivo superior).Isso ocorre porque as redes CNT requerem espessuras maiores e, consequentemente, transmitâncias ópticas menores para atingir resistências de folha semelhantes às do grafeno (fig. S4).A Figura 5 (C e D) mostra curvas representativas de transferência e saída antes da deformação para um transistor feito com eletrodos MGG de bicamada.A largura do canal e o comprimento do transistor sem tensão foram de 800 e 100 μm, respectivamente.A relação liga/desliga medida é maior que 103 com correntes liga e desliga nos níveis de 10−5 e 10−8 A, respectivamente.A curva de saída exibe regimes de saturação e lineares ideais com clara dependência da tensão de porta, indicando contato ideal entre os CNTs e os eletrodos de grafeno (45).A resistência de contato com eletrodos de grafeno foi menor do que com filme de Au evaporado (ver fig. S14).A mobilidade de saturação do transistor extensível é de cerca de 5,6 cm2/Vs, semelhante à dos mesmos transistores CNT classificados por polímeros em substratos rígidos de Si com SiO2 de 300 nm como camada dielétrica.É possível melhorar ainda mais a mobilidade com a densidade otimizada do tubo e outros tipos de tubos ( 46).
(A) Esquema de transistor elástico baseado em grafeno.SWNTs, nanotubos de carbono de parede simples.(B) Foto dos transistores elásticos feitos de eletrodos de grafeno (superior) e eletrodos CNT (inferior).A diferença na transparência é claramente perceptível.(C e D) Transferência e curvas de saída do transistor baseado em grafeno em SEBS antes da deformação.(E e F) Curvas de transferência, corrente liga/desliga, relação liga/desliga e mobilidade do transistor baseado em grafeno em diferentes tensões.
Quando o dispositivo transparente, todo em carbono, foi esticado na direção paralela à direção do transporte de carga, foi observada degradação mínima de até 120% de tensão.Durante o alongamento, a mobilidade diminuiu continuamente de 5,6 cm2/Vs com 0% de tensão para 2,5 cm2/Vs com 120% de tensão (Fig. 5F).Também comparamos o desempenho do transistor para diferentes comprimentos de canal (consulte a tabela S1).Notavelmente, em uma tensão tão grande quanto 105%, todos esses transistores ainda exibiam uma alta relação liga/desliga (> 103) e mobilidade (> 3 cm2/Vs).Além disso, resumimos todo o trabalho recente sobre transistores de carbono (ver tabela S2) (47–52).Ao otimizar a fabricação de dispositivos em elastômeros e usar MGGs como contatos, nossos transistores totalmente em carbono apresentam bom desempenho em termos de mobilidade e histerese, além de serem altamente elásticos.
Como aplicação do transistor totalmente transparente e extensível, foi utilizado para controlar a comutação de um LED (Fig. 6A).Conforme mostrado na Fig. 6B, o LED verde pode ser visto claramente através do dispositivo elástico todo em carbono colocado diretamente acima.Ao esticar para ~100% (Fig. 6, C e D), a intensidade da luz do LED não muda, o que é consistente com o desempenho do transistor descrito acima (veja o filme S1).Este é o primeiro relato de unidades de controle esticáveis feitas com eletrodos de grafeno, demonstrando uma nova possibilidade de eletrônica esticável de grafeno.
(A) Circuito de um transistor para acionar o LED.GND, terra.(B) Foto do transistor de carbono elástico e transparente a 0% de tensão montado acima de um LED verde.(C) O transistor transparente e elástico todo em carbono usado para alternar o LED está sendo montado acima do LED em 0% (esquerda) e ~100% de tensão (direita).As setas brancas apontam como os marcadores amarelos no dispositivo para mostrar a mudança de distância sendo esticada.(D) Vista lateral do transistor esticado, com o LED inserido no elastômero.
Em conclusão, desenvolvemos uma estrutura de grafeno condutora transparente que mantém alta condutividade sob grandes deformações como eletrodos esticáveis, habilitados por nanocrolls de grafeno entre camadas de grafeno empilhadas.Essas estruturas de eletrodos de MGG de duas e três camadas em um elastômero podem manter 21 e 65%, respectivamente, de suas condutividades de deformação de 0% em uma deformação tão alta quanto 100%, em comparação com a perda completa de condutividade em deformação de 5% para eletrodos de grafeno de monocamada típicos .Os caminhos condutores adicionais dos rolos de grafeno, bem como a fraca interação entre as camadas transferidas, contribuem para a estabilidade superior da condutividade sob tensão.Aplicamos ainda mais essa estrutura de grafeno para fabricar transistores elásticos totalmente em carbono.Até agora, este é o transistor baseado em grafeno mais elástico com a melhor transparência sem usar flambagem.Embora o presente estudo tenha sido realizado para habilitar o grafeno para eletrônicos extensíveis, acreditamos que essa abordagem pode ser estendida a outros materiais 2D para permitir eletrônicos 2D extensíveis.
Grafeno CVD de grande área foi cultivado em folhas de Cu suspensas (99,999%; Alfa Aesar) sob uma pressão constante de 0,5 mtorr com 50-SCCM (centímetro cúbico padrão por minuto) CH4 e 20-SCCM H2 como precursores a 1000°C.Ambos os lados da folha de Cu foram cobertos por grafeno monocamada.Uma fina camada de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) foi revestida por rotação em um lado da folha de Cu, formando uma estrutura de folha/G de PMMA/G/Cu.subsequentemente, todo o filme foi embebido em solução de persulfato de amônio 0,1 M [(NH4)2S2O8] por cerca de 2 horas para gravar a folha de Cu.Durante esse processo, o grafeno traseiro desprotegido primeiro rasgou ao longo dos contornos de grão e depois enrolou em rolos por causa da tensão superficial.Os rolos foram fixados no filme de grafeno superior suportado por PMMA, formando rolos de PMMA/G/G.Os filmes foram posteriormente lavados em água deionizada várias vezes e colocados em um substrato alvo, como um SiO2/Si rígido ou substrato plástico.Assim que o filme aderido secou no substrato, a amostra foi embebida sequencialmente em acetona, acetona/IPA (álcool isopropílico) 1:1 e IPA por 30 s cada para remover o PMMA.Os filmes foram aquecidos a 100°C por 15 min ou mantidos em vácuo durante a noite para remover completamente a água retida antes que outra camada de rolagem G/G fosse transferida para ele.Essa etapa foi para evitar o desprendimento do filme de grafeno do substrato e garantir a cobertura total dos MGGs durante a liberação da camada carreadora de PMMA.
A morfologia da estrutura do MGG foi observada usando um microscópio óptico (Leica) e um microscópio eletrônico de varredura (1 kV; FEI).Um microscópio de força atômica (Nanoscope III, Digital Instrument) foi operado no modo tapping para observar os detalhes dos scrolls G.A transparência do filme foi testada por um espectrômetro ultravioleta-visível (Agilent Cary 6000i).Para os testes quando a deformação estava ao longo da direção perpendicular do fluxo de corrente, fotolitografia e plasma de O2 foram usados para padronizar estruturas de grafeno em tiras (~300 μm de largura e ~2000 μm de comprimento), e eletrodos de Au (50 nm) foram depositados termicamente usando máscaras de sombra em ambas as extremidades do lado comprido.As tiras de grafeno foram então colocadas em contato com um elastômero SEBS (~2 cm de largura e ~5 cm de comprimento), com o eixo longo das tiras paralelo ao lado curto do SEBS seguido de BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) corrosão e gálio índio eutético (EGaIn) como contatos elétricos.Para testes de deformação paralela, estruturas de grafeno não padronizadas (~ 5 × 10 mm) foram transferidas para substratos SEBS, com eixos longos paralelos ao lado longo do substrato SEBS.Para ambos os casos, todo o G (sem G scrolls)/SEBS foi esticado ao longo do lado comprido do elastômero em um aparelho manual e in situ, medimos suas mudanças de resistência sob tensão em uma estação de sonda com um analisador de semicondutores (Keithley 4200 -SC).
Os transistores de carbono altamente elásticos e transparentes em um substrato elástico foram fabricados pelos seguintes procedimentos para evitar danos por solvente orgânico do dielétrico do polímero e do substrato.As estruturas MGG foram transferidas para SEBS como eletrodos de porta.Para obter uma camada dielétrica de polímero de película fina uniforme (2 μm de espessura), uma solução de tolueno SEBS (80 mg/ml) foi revestida por rotação em um substrato de SiO2/Si modificado com octadeciltriclorossilano (OTS) a 1000 rpm por 1 min.O filme dielétrico fino pode ser facilmente transferido da superfície hidrofóbica OTS para o substrato SEBS coberto com o grafeno preparado.Um capacitor pode ser feito depositando um eletrodo superior de metal líquido (EGaIn; Sigma-Aldrich) para determinar a capacitância em função da deformação usando um medidor LCR (indutância, capacitância, resistência) (Agilent).A outra parte do transistor consistia em CNTs semicondutores classificados por polímeros, seguindo os procedimentos relatados anteriormente (53).Os eletrodos fonte/dreno padronizados foram fabricados em substratos rígidos de SiO2/Si.Posteriormente, as duas partes, dielétrico/G/SEBS e CNTs/padronizado G/SiO2/Si, foram laminadas entre si e embebidas em BOE para remover o substrato rígido de SiO2/Si.Assim, os transistores totalmente transparentes e elásticos foram fabricados.O teste elétrico sob tensão foi realizado em uma configuração de alongamento manual como o método acima mencionado.
O material suplementar para este artigo está disponível em http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
FIG.S1.Imagens de microscopia óptica de MGG monocamada em substratos SiO2/Si em diferentes ampliações.
FIG.S4.Comparação das resistências de folha de duas sondas e transmitâncias a 550 nm de grafeno simples de mono, bi e tricamada (quadrados pretos), MGG (círculos vermelhos) e CNTs (triângulo azul).
FIG.S7.Mudança de resistência normalizada de MGGs de camada única e bicamada (preto) e G (vermelho) sob ~1000 deformação cíclica carregando até 40 e 90% de deformação paralela, respectivamente.
FIG.S10.Imagem SEM de MGG trilayer no elastômero SEBS após a deformação, mostrando uma longa cruz de rolagem sobre várias rachaduras.
FIG.S12.Imagem AFM de MGG tricamada em elastômero SEBS muito fino a 20% de tensão, mostrando que um rolo cruzou uma rachadura.
tabela S1.Mobilidades de transistores de nanotubos de carbono de parede simples MGG bicamada em diferentes comprimentos de canal antes e depois da deformação.
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Por 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
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© 2021 Associação Americana para o Avanço da Ciência.Todos os direitos reservados.AAAS é parceira de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef e COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Horário da postagem: 28 de janeiro de 2021