Materiae bidimensionales, ut graphenum, et ad usus semiconductorum conventionales et ad usus nascentes in electronicis flexibilibus attractivae sunt. Attamen, magna vis grapheni ad tensile fracturam sub parva deformatione efficit, ita ut difficile sit commodis eius extraordinariis proprietatibus electronicis in electronicis extensibilibus uti. Ut optimam actionem deformatione dependentem conductorum grapheni pellucidorum efficiamus, nanoscrollas grapheni inter strata grapheni congesta, quae voluta grapheni/grapheni multistrata (MGG) appellantur, creavimus. Sub deformatione, quaedam voluta regiones fragmentatas grapheni iunxerunt ut rete percolans conservarent quod conductivitatem excellentem sub altis deformationibus praebebat. MGG tristratae, elastomeris sustentatae, 65% conductantiae suae originalis sub 100% deformatione, quae perpendicularis est directioni fluxus currentis, retinent, dum pelliculae tristratae grapheni sine nanoscrollis tantum 25% conductantiae suae initialis retinent. Transistor ex carbone omnino extensibilis, electrodis MGG fabricatus, transmittantiam >90% ostendit et 60% currentis sui originalis ad 120% deformationis retinuit (parallelam directioni translationis oneris). Hi transistores ex carbone omnino extensibiles et pellucidi optoelectronicam extensibilem sophisticam efficere possunt.
Electronica pellucida extensibilia est campus crescens qui applicationes magnas habet in systematibus biointegratis provectis (1, 2) necnon potentiam integrationis cum optoelectronica extensibili (3, 4) ad robotica molles et monitoria sophistica producenda. Graphenum proprietates valde desiderabiles crassitudinis atomicae, altae pelluciditatis, et altae conductivitatis exhibet, sed eius implementatio in applicationibus extensibilibus impedita est propter inclinationem ad findendum sub parvis deformationibus. Superando limitationes mechanicas grapheni novam functionem in machinis pellucidis extensibilibus permittere posse.
Proprietates singulares grapheni id candidatum firmum faciunt pro nova generatione electrodorum conductivorum pellucidorum (5, 6). Comparatum cum conductore pellucido vulgatissimo, oxido indii stannei [ITO; 100 ohmia/quadrata (sq) ad 90% pelluciditatem], graphenum monostratum per depositionem vaporis chemici (CVD) cultum similem combinationem resistentiae laminaris (125 ohmia/quadrata) et pelluciditatis (97.4%) habet (5). Praeterea, pelliculae grapheni flexibilitatem extraordinariam habent comparatae cum ITO (7). Exempli gratia, in substrato plastico, eius conductans retineri potest etiam pro radio curvaturae flexionis tam parvo quam 0.8 mm (8). Ad ulterius augendam eius efficaciam electricam ut conductor flexibilis pellucidus, opera priora materias hybridas grapheni cum nanofilis argenteis unidimensionalibus (1D) vel nanotubis carbonis (CNTs) elaboraverunt (9-11). Praeterea, graphenum adhibitum est ut electroda pro semiconductoribus heterostructuralibus mixtae dimensionalis (velut Si bidimensionale, nanofilis/nanotubis unidimensionalibus, et punctis quanticis 0dimensionalibus) (12), transistoribus flexibilibus, cellulis solaribus, et diodis lucis emittentibus (LED) (13-23).
Quamquam graphenum pro electronicis flexibilibus eventus promittentes ostendit, eius applicatio in electronicis extensibilibus proprietatibus mechanicis limitata est (17, 24, 25); graphenum rigiditatem in plano 340 N/m et modulum Youngianum 0.5 TPa habet (26). Fortis reticulum carbonis-carbonis nullos mechanismos dissipationis energiae pro deformatione applicata praebet et ideo facile finditur ad minus quam 5% deformationis. Exempli gratia, graphenum CVD translatum in substratum elasticum polydimethylsiloxanum (PDMS) conductivitatem suam tantum ad minus quam 6% deformationis conservare potest (8). Calculationes theoreticae ostendunt corrugationem et interactionem inter strata diversa rigiditatem valde minuere debere (26). Graphenum in strata multiplicia accumulando, nuntiatur hoc graphenum bi- vel tri-stratum extensibile esse ad 30% deformationis, exhibens mutationem resistentiae 13 vicibus minorem quam graphenum monostratum (27). Attamen, haec extensibilitas adhuc significanter inferior est conductoribus extensibilibus artis recentissimae (28, 29).
Transistores in applicationibus extensibilibus magni momenti sunt, quia lectionem sensorum et analysin signorum perpolitam permittunt (30, 31). Transistores in PDMS cum grapheno multistrato ut electrodis fontis/exhauriendis et materia canalis functionem electricam usque ad 5% deformationis conservare possunt (32), quod significanter infra valorem minimum requisitum (~50%) pro sensoribus gestabilibus ad salutem monitorandam et cute electronica est (33, 34). Nuper, methodus kirigami grapheni explorata est, et transistor electrolyto liquido clausus usque ad 240% extendi potest (35). Attamen, haec methodus graphenum suspensum requirit, quod processum fabricationis complicat.
Hic, machinas grapheni valde extensibiles adipiscimur intercalando spiras grapheni (~1 ad 20 μm longas, ~0.1 ad 1 μm latas, et ~10 ad 100 nm altas) inter strata grapheni. Hypothesim ponimus has spiras grapheni vias conductivas praebere posse ad rimas in laminis grapheni iaciendas, ita magnam conductivitatem sub tensione servantes. Volumina grapheni non requirunt synthesin aut processum additicium; naturaliter formantur per processum translationis humidae. Utentibus spiralibus multistratis G/G (graphenum/graphenum) electrodis grapheni extensibilibus (fons/drenum et porta) et CNT semiconductoribus, demonstrare potuimus transistores omnino carbonicos valde pellucidos et extensibiles, qui ad 120% deformationis (parallele directioni translationis oneris) extendi possunt et 60% suae currentis originalis retinere. Hic est transistor perspicuus e carbone fundatus hactenus maxime extensibilis, et sufficientem currentem praebet ad LED inorganicum impellendum.
Ad electroda grapheni amplae areae, pellucida et extensibilia, efficienda, graphenum per CVD cultum in lamina Cu delegimus. Lamina Cu in centro tubi quarzi CVD suspensa est ut grapheni in utraque parte accretio permitteretur, structuras G/Cu/G formans. Ad graphenum transferendum, primum tenui strato poly(methyl methacrylatis) (PMMA) per rotationem oblinimus ad unam partem grapheni protegendam, quam "graphenum superiorem" nominavimus (vice versa pro altera parte grapheni), et deinde, tota pellicula (PMMA/graphenum superiorem/Cu/graphenum inferiorem) in solutione (NH4)2S2O8 macerata est ad laminam Cu corrosam. Graphenum inferiorem sine involucro PMMA necessario fissuras et defectus habebit qui agenti corrosivo penetrare sinunt (36, 37). Ut in Figura 1A illustratur, sub effectu tensionis superficialis, regiones grapheni liberatae in volutas convolutae sunt et deinde ad reliquam pelliculam G/PMMA superiorem adhaeserunt. Volutae superiores G/G in quodlibet substratum, ut SiO2/Si, vitrum, vel polymerum molle, transferri possunt. Hoc processu translationis pluries in idem substratum repetendo structuras MGG praebentur.
(A) Schema illustrationis processus fabricationis MGGs ut electrodi extensibilis. Per translationem grapheni, pars posterior grapheni in lamina Cu ad limites et defectus fracta est, in formas arbitrarias convoluta, et arcte ad membranas superiores adhaesit, nanoscrolls formans. Quarta imago structuram MGG stratificatam depingit. (B et C) Characteres TEM altae resolutionis MGG monostrati, in regione grapheni monostrati (B) et volvendi (C) respective intendens. Insertio (B) est imago parvae magnificationis ostendens morphologiam generalem MGGs monostrati in craticula TEM. Insertiones (C) sunt perfiles intensitatis capti secundum quadrata rectangularia in imagine indicata, ubi distantiae inter plana atomica sunt 0.34 et 0.41 nm. (D) Spectrum EEL carbonii K-edge cum cacuminibus graphiticis characteristicis π* et σ* designatis. (E) Imago AFM sectionalis volvendi G/G monostrati cum perfile altitudinis secundum lineam flavam punctatam. (F ad I) Imagines microscopiae opticae et AFM strati tristratoris G sine (F et H) et cum volutis (G et I) in substratis SiO2/Si 300 nm crassitudinis, respective. Volutae et rugae repraesentativae designatae sunt ad differentias earum illustrandas.
Ad comprobandum cylindros natura grapheni convolutos esse, studia microscopiae electronicae transmissionis (TEM) altae resolutionis et spectroscopiae amissionis energiae electronicae (EEL) in structuris cylindris monostratorum top-G/G perfecimus. Figura 1B structuram hexagonalem grapheni monostratos ostendit, et imago inclusa morphologiam generalem pelliculae in uno foramine carbonis reticuli TEM obtectae est. Graphenum monostratos maximam partem reticuli complectitur, et nonnullae lamellae grapheni in praesentia multiplicium acervorum annulorum hexagonalium apparent (Fig. 1B). In cylindro singulari (Fig. 1C) spectando, magnam quantitatem fimbriarum reticuli grapheni observavimus, cum spatio reticuli in intervallo 0.34 ad 0.41 nm. Hae mensurae suggerunt lamellas temere convolutas esse nec graphitum perfectum esse, quod spatium reticuli 0.34 nm in stratis "ABAB" congestis habet. Figura 1D spectrum EEL carbonii marginis K ostendit, ubi cacumen ad 285 eV ex orbitali π* oritur, alterum autem circa 290 eV ex transitione orbitalis σ* oritur. Videtur nexus sp2 in hac structura dominari, quod confirmat volutas valde graphiticas esse.
Imagines microscopiae opticae et microscopiae vi atomica (AFM) perspicuitatem in distributionem nanoscrollorum grapheni in MGGs praebent (Fig. 1, E ad G, et fig. S1 et S2). Voluta per superficiem temere distribuuntur, et densitas earum in plano proportionaliter crescit ad numerum stratorum congestorum. Multa volventia in nodos implicata sunt et altitudines inaequales in spatio 10 ad 100 nm exhibent. Longae sunt 1 ad 20 μm et latae 0.1 ad 1 μm, secundum magnitudines lamellarum grapheni initialium. Ut in Fig. 1 (H et I) demonstratur, volventia magnitudines significanter maiores quam rugae habent, quod ad interfaciem multo asperiorem inter strata grapheni ducit.
Ad proprietates electricas metiendas, pelliculas grapheni cum vel sine structuris volubilibus et stratis accumulatis in fascias 300 μm latas et 2000 μm longas photolithographia adhibita formavimus. Resistentiae duarum sondarum, secundum deformationem, sub condicionibus ambientibus mensuratae sunt. Praesentia volubilium resistivitatem grapheni monostrato 80% minuit, cum tantum 2.2% diminutione transmittantiae (fig. S4). Hoc confirmat nanoscrollas, quae densitatem currentis magnam usque ad 5 × 107 A/cm2 (38, 39) habent, contributionem electricam valde positivam ad MGGs facere. Inter omnia graphenum planum mono-, bi-, et tri-strata et MGGs, MGG tri-stratum optimam conductantiam cum perspicuitate fere 90% habet. Ad comparandum cum aliis fontibus grapheni in litteris relatis, etiam resistentias laminares quattuor specillorum (figura S5) mensuravimus et eas secundum functionem transmittantiae ad 550 nm (figura S6) in Figura 2A enumeravimus. MGG conductivitatem et perspicuitatem comparabilem vel maiorem quam graphenum planum multistratum artificialiter congestum et oxydum grapheni reductum (RGO) (6, 8, 18) ostendit. Nota resistentias laminares grapheni plani multistrati artificialiter congesti ex litteris paulo maiores esse quam nostrae MGG, probabiliter propter condiciones accretionis et methodum translationis non optimales.
(A) Resistentiae laminarum quattuor sondarum contra transmittantiam ad 550 nm pro pluribus generibus grapheni, ubi quadrata nigra MGGs mono-, bi-, et tri-stratas denotant; circuli rubri et triangula caerulea grapheno plano multi-strato in Cu et Ni ex studiis Li et al. (6) et Kim et al. (8) respective crevisse, et deinde in SiO2/Si vel quartzum translatum respondent; et triangula viridia valores RGO ad diversos gradus reducentes ex studio Bonaccorso et al. (18) sunt. (B et C) Mutatio resistentiae normalizata MGGs et G mono-, bi- et tri-stratarum ut functio deformationis perpendicularis (B) et parallelae (C) ad directionem fluxus currentis. (D) Mutatio resistentiae normalizata bi-strati G (rubri) et MGG (nigri) sub onere deformationis cyclicae usque ad 50% deformationis perpendicularis. (E) Mutatio resistentiae normalizata tri-strati G (rubri) et MGG (nigri) sub onere deformationis cyclicae usque ad 90% deformationis parallelae. (F) Mutatio capacitatis normalizata G mono-, bi- et tri-stratorum et MGG bi- et tri-stratorum pro functione deformationis. Insertio structuram condensatoris ostendit, ubi substratum polymericum est SEBS et stratum dielectricum polymericum est SEBS 2 μm crassitudinis.
Ad aestimandam efficaciam MGG a deformatione dependentem, graphenum in substrata elastomeri thermoplastici styreni-ethyleni-butadieni-styreni (SEBS) (~2 cm lata et ~5 cm longa) transtulimus, et conductivitas mensurata est dum substratum extendebatur (vide Materiales et Methodos) tam perpendiculariter quam paralleliter directioni fluxus currentis (Fig. 2, B et C). Modus electricus a deformatione dependentis emendatus est cum incorporatione nanovolucrorum et crescente numero stratorum grapheni. Exempli gratia, cum deformatio perpendicularis est fluxui currentis, pro grapheno monostrato, additio volucrorum deformationem ad fracturam electricam a 5 ad 70% auxit. Tolerantia deformationis grapheni tristrato etiam significanter emendata est comparata cum grapheno monostrato. Cum nanovolucris, ad 100% deformationis perpendicularis, resistentia structurae MGG tristrato tantum 50% aucta est, comparata cum 300% pro grapheno tristrato sine volucris. Mutatio resistentiae sub onere deformationis cyclico investigata est. Ad comparationem (Fig. 2D), resistentiae pelliculae grapheni bistratae simplicis circiter 7.5 vicibus auctae sunt post ~700 cyclos cum 50% deformatione perpendiculari et cum deformatione in quoque cyclo crescere pergebant. Contra, resistentia grapheni bistrati MGG tantum circiter 2.5 vicibus aucta est post ~700 cyclos. Applicata usque ad 90% deformationis secundum directionem parallelam, resistentia grapheni tristrati ~100 vicibus aucta est post 1000 cyclos, cum tantum ~8 vicibus sit in MGG tristrato (Fig. 2E). Resultata cyclationis in figura S7 monstrantur. Incrementum relative celerius resistentiae secundum directionem deformationis parallelae est quia orientatio fissurarum perpendicularis est directioni fluxus currentis. Deviatio resistentiae durante oneratione et exoneratione deformationis debetur recuperationi viscoelasticae substrati elastomeri SEBS. Resistentia stabilior laminarum MGG durante cyclatione debetur praesentiae spiralium magnarum quae partes fissuras grapheni pontem iungere possunt (ut observatum est per AFM), adiuvantes ad viam percolationis conservandam. Hoc phaenomenon conductivitatis per viam percolantem conservandae iam antea relatum est pro metallis fissis vel pelliculis semiconductoribus in substratis elastomericis (40, 41).
Ad has membranas grapheno fundatas tamquam electrodos portae in machinis extensibilibus aestimandos, stratum grapheni strato dielectrico SEBS (crasso 2 μm) obduximus et mutationem capacitatis dielectricae secundum deformationem observavimus (vide Fig. 2F et Materias Supplementarias pro singulis). Observavimus capacitates cum electrodis grapheni monostrato et bistratis simplicibus celeriter decrevisse propter iacturam conductivitatis in plano grapheni. Contra, capacitates ab MGGs clausae, necnon graphenum tristratum simplex, augmentum capacitatis cum deformatione ostenderunt, quod expectatur propter reductionem crassitudinis dielectricae cum deformatione. Incrementum capacitatis expectatum optime cum structura MGG congruit (fig. S8). Hoc indicat MGG aptum esse tamquam electrodum portae pro transistoribus extensibilibus.
Ut munus volutae grapheni unidimensionalis in tolerantia deformationis conductivitatis electricae ulterius investigemus et separationem inter stratas grapheni melius moderemur, CNTs aspergine obducti ad volutas grapheni substituendas adhibuimus (vide Materias Supplementarias). Ad structuras MGG imitandas, tres densitates CNTs (id est, CNT1) deposuimus.
(A ad C) Imagines AFM trium densitatum diversarum CNT (CNT1)
Ut eorum facultatem tamquam electroda pro electronicis extensibilibus ulterius intellegerem, morphologias MGG et G-CNT-G sub tensione systematice investigavimus. Microscopia optica et microscopia electronica perlustrativa (SEM) non sunt methodi efficaces ad characterizationem, quia utraque caret contrasto coloris et SEM obnoxia est artefactis imaginis durante perlustratione electronica cum graphenum in substratis polymericis est (figurae S9 et S10). Ut in situ superficiem grapheni sub tensione observemus, mensuras AFM in MGG tristrato et grapheno simplici collegimus post translationem in substrata SEBS tenuissima (~0.1 mm crassitudine) et elastica. Ob defectus intrinsecos in grapheno CVD et damnum extrinsecum durante processu translationis, fissurae inevitabiliter in grapheno tenso generantur, et cum crescente tensione, fissurae densiores factae sunt (Figura 4, A ad D). Secundum structuram stratificationis electrodorum carbonis fundatorum, fissurae morphologias diversas exhibent (figura S11) (27). Densitas areae fissurae (definita ut area fissurae/area analysata) grapheni multistrati minor est quam grapheni monostrati post deformationem, quod congruit cum incremento conductivitatis electricae pro MGGs. Contra, voluta saepe observantur rimas iungere, vias conductivas additionales in pellicula deformata praebentes. Exempli gratia, ut in imagine Fig. 4B notatum est, voluta lata rimam in MGG tristrato transiit, sed nulla voluta in grapheno simplici observata est (Fig. 4, E ad H). Similiter, CNTs etiam rimas in grapheno iunxerunt (fig. S11). Densitas areae fissurae, densitas areae volutarum, et asperitas pellicularum in Fig. 4K summarizantur.
(A ad H) Imagines AFM in situ spiralium tristratarum G/G (A ad D) et structurarum tristratarum G (E ad H) in elastomero SEBS tenuissimo (crassitudine ~0.1 mm) ad deformationem 0, 20, 60, et 100%. Fissurae et spirae repraesentativae sagittis designantur. Omnes imagines AFM in area 15 μm × 15 μm sunt, eadem scala colorum ut inscripta utuntur. (I) Simulatio geometriae electrodorum grapheni monostrati figuratorum in substrato SEBS. (J) Simulatio mappae linearum deformationis logarithmicae principalis maximae in grapheno monostrato et substrato SEBS ad deformationem externam 20%. (K) Comparatio densitatis areae fissurae (columna rubra), densitatis areae spiralium (columna flava), et asperitatis superficiei (columna caerulea) pro diversis structuris grapheni.
Cum membranae MGG extenduntur, est mechanismus additus magni momenti quo spirae regiones fissas grapheni pontem iungere possunt, rete percolans servantes. Volumina grapheni promittentia sunt quia decem micrometrorum longitudine esse possunt et ideo rimas quae typice usque ad scalam micrometricam sunt, pontem iungere possunt. Praeterea, quia spirae ex multis stratis grapheni constant, resistentiam humilem habere exspectantur. Comparate, retia CNT relative densa (minore transmittantia) requiruntur ad comparabilem facultatem pontem conductivam praebendam, cum CNT minores sint (typice paucos micrometrorum longitudine) et minus conductivae quam spirae. Ex altera parte, ut in figura S12 demonstratur, cum graphenum durante extensione finditur ad tensionem accommodandam, spirae non finduntur, quod indicat hoc fortasse in grapheno subiacente labi. Causa cur non findantur probabiliter debetur structurae convolutae, ex multis stratis grapheni (longitudine ~1 ad 20 μm, latitudine ~0.1 ad 1 μm, et altitudine ~10 ad 100 nm) compositae, quae modulum effectivum maiorem habet quam graphenum unius strati. Ut rettulerunt Green et Hersam (42), retia metallica CNT (diametro tubi 1.0 nm) resistentias laminares humiles <100 ohms/sq consequi possunt, quamvis magna resistentia iuncturae inter CNT sit. Cum spirae nostrae grapheni latitudines 0.1 ad 1 μm habeant et spirae G/G areas contactus multo maiores quam CNT habeant, resistentia contactus et area contactus inter graphenum et spiras grapheni non debent esse factores limitantes ad altam conductivitatem conservandam.
Graphenum modulum multo altiorem quam substratum SEBS habet. Quamquam crassitudo effectiva electrodi grapheni multo minor est quam crassitudo substrati, rigiditas grapheni crassitudine multiplicata cum crassitudine substrati comparabilis est (43, 44), quod effectum insulae rigidae moderatum efficit. Deformationem grapheni 1 nm crassitudinis in substrato SEBS simulavimus (vide Materias Supplementares pro singulis). Secundum eventus simulationis, cum 20% deformationis substrato SEBS externe applicatur, deformatio media in grapheno est ~6.6% (Fig. 4J et fig. S13D), quod cum observationibus experimentalibus congruit (vide fig. S13). Deformationem in regionibus grapheni figuratis et substrati microscopio optico comparavimus et deformationem in regione substrati saltem duplo maiorem quam deformationem in regione grapheni invenimus. Hoc indicat deformationem in figuras electrodi grapheni applicatam significanter coartari posse, insulas rigidas grapheni supra SEBS formans (26, 43, 44).
Ergo, facultas electrodorum MGG ad conservandam conductivitatem magnam sub magna tensione verisimiliter duobus mechanismis praecipuis efficitur: (i) spirae regiones disiunctas ponte iungere possunt ad viam percolationis conductivam conservandam, et (ii) laminae grapheni/elastomer multistratae inter se labi possunt, quod tensionem in electrodis grapheni minuit. Pro stratis multiplicibus grapheni in elastomer translatis, strata non fortiter inter se adhaerent, quae in responsione ad tensionem labi possunt (27). Spirae etiam asperitatem stratorum grapheni auxerunt, quod separationem inter strata grapheni augere et ergo lapsum stratorum grapheni permittere potest.
Instrumenta omnino carbonica ob pretium vile et celerem productionem enthusiastice persequuntur. In nostro casu, transistores omnino carbonici fabricati sunt utens porta grapheni inferiori, contactu fontis/dreni grapheni superiori, semiconductore CNT ordinato, et SEBS ut dielectrico (Figura 5A). Ut in Figura 5B demonstratur, instrumentum omnino carbonicum cum CNT ut fonte/dreni et porta (instrumentum inferius) opacius est quam instrumentum cum electrodis grapheni (instrumentum superius). Hoc est quia retia CNT crassitudines maiores et, consequenter, transmissiones opticas inferiores requirunt ut resistentias laminares similes illis grapheni consequantur (figura S4). Figura 5 (C et D) curvas translationis et output repraesentativas ante deformationem pro transistore facto cum electrodis MGG bistratis. Latitudo et longitudo canalis transistoris non deformati erant 800 et 100 μm respective. Ratio on/off mensurata maior est quam 103 cum currentibus on et off ad gradus 10⁻⁵ et 10⁻⁸ A respective. Curva exitus ostendit regimen lineare ideale et saturationis cum clara dependentia a tensione portae, contactum idealem inter CNTs et electrodos grapheni indicans (45). Resistentia contactus cum electrodis grapheni inferior observata est quam ea cum pellicula Au evaporata (vide figuram S14). Mobilitas saturationis transistoris extensibilis est circiter 5.6 cm²/Vs, similis ei eorundem transistoriorum CNT polymerico-ordinatorum in substratis rigidis Si cum SiO₂ 300-nm ut strato dielectrico. Ulterior emendatio mobilitatis possibilis est cum densitate tuborum optimizata et aliis generibus tuborum (46).
(A) Schema transistoris extensibilis grapheno fundati. SWNTs, nanotubuli carbonii simplici pariete. (B) Photographia transistoris extensibilis ex electrodis grapheno (supra) et electrodis CNT (infra). Differentia in perspicuitate clare conspicua est. (C et D) Curvae translationis et exitus transistoris grapheno fundati in SEBS ante deformationem. (E et F) Curvae translationis, fluxus electricus activatus et inactivus, proportio activationis/inactivationis, et mobilitas transistoris grapheno fundati sub diversis deformationibus.
Cum instrumentum pellucidum, totum carbonis factum, in directionem parallelam directioni translationis oneris extensum est, minima degradatio usque ad 120% deformationis observata est. Per extensionem, mobilitas continue decrevit a 5.6 cm²/Vs ad 0% deformationis ad 2.5 cm²/Vs ad 120% deformationis (Fig. 5F). Etiam comparavimus efficaciam transistoris pro diversis longitudinibus canalium (vide tabulam S1). Notandum est, ad deformationem tam magnam quam 105%, omnes hi transistores adhuc altam rationem on/off (>10³) et mobilitatem (>3 cm²/Vs) exhibuerunt. Praeterea, omnia opera recentiora de transistoribus omnino carbonis facta summarizavimus (vide tabulam S2) (47-52). Fabricationem instrumentorum in elastomeris optimizando et MGGs ut contactus utendo, nostri transistores omnino carbonis bonam efficaciam ostendunt quoad mobilitatem et hysteresin, necnon valde extensibiles.
Ut applicationem transistoris plene pellucidi et extensibilis, eum adhibuimus ad commutationem luminis LED moderandam (Fig. 6A). Ut in Fig. 6B demonstratur, lumen LED viride clare videri potest per instrumentum extensibile ex carbone directo supra positum. Dum ad ~100% extenditur (Fig. 6, C et D), intensitas lucis LED non mutatur, quod congruit cum effectu transistoris supra descripto (vide pelliculam S1). Haec est prima relatio unitatum moderationis extensibilium utens electrodis grapheni fabricatarum, novam possibilitatem electronicarum extensibilium grapheni demonstrans.
(A) Circuitus transistoris ad LED excitandum. GND, humus. (B) Imago transistoris carbonis extensibilis et pellucidi, supra LED viridem positi, sub 0% deformatione. (C) Transistor carbonis pellucidus et extensibilis, ad LED commutandum adhibitus, supra LED sub 0% (sinistra) et ~100% deformatione (dextra) positus est. Sagittae albae, ut indices flavi in instrumento, mutationem distantiae extendendae ostendunt. (D) Prospectus lateralis transistoris extensi, cum LED in elastomerum impulso.
In conclusione, structuram grapheni conductivam pellucidam elaboravimus, quae magnam conductivitatem sub magnis deformationibus conservat, ut electroda extensibilia, per nanoscrollas grapheni inter strata grapheni congesta efficiendam. Hae structurae electrodarum MGG bi- et tri-stratarum in elastomero 21 et 65% respective conductivitatis suae 0% deformationis conservare possunt ad deformationem usque ad 100%, comparatae cum completa amissione conductivitatis ad 5% deformationis pro electrodis grapheni monostrato typicis. Viae conductivae additae spirarum grapheni necnon interactio debilis inter strata translata ad stabilitatem conductivitatis superiorem sub deformatione conferunt. Porro hanc structuram grapheni adhibuimus ad transistores extensibiles ex toto carbone fabricandos. Hactenus, hic est transistorus grapheno fundatus maxime extensibilis cum optima perspicuitate sine usu flexionis. Quamquam praesens studium peractum est ad graphenum pro electronicis extensibilibus efficiendum, credimus hanc methodum ad alias materias bidimensionales extendi posse ad electronicas bidimensionales extensibiles efficiendas.
Graphenum magnae areae per CVD in laminis Cu suspensis (99.999%; Alfa Aesar) sub pressione constanti 0.5 mtorr cum 50–SCCM (centimetro cubico normali per minutum) CH4 et 20–SCCM H2 ut praecursoribus ad 1000°C crevit. Utraque pars laminae Cu grapheno monostrato tecta est. Stratum tenue PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) in una parte laminae Cu per rotationem oblinendum est, structuram PMMA/G/laminae Cu/G formans. Deinde, tota pellicula in solutione 0.1 M ammonii persulfatis [(NH4)2S2O8] per circiter duas horas macerata est ad laminam Cu corrosam. Hoc tempore, graphenum posterius non protectum primum secundum limites granorum laceratum est, deinde in volutas propter tensionem superficialem convolutum est. Volutae pelliculae grapheni superiori PMMA sustentatae adfixae sunt, volutas PMMA/G/G formantes. Deinde pelliculae in aqua deionizata pluries lavatae et in substrato destinato, ut substrato rigido SiO2/Si vel plastico, positae sunt. Simul ac pellicula adhaerens in substrato siccavit, exemplum successive in acetono, acetono/IPA (alcohol isopropylicus) 1:1, et IPA per 30 secunda singulis maceratum est ad PMMA removendum. Pelliculae ad 100°C per 15 minuta calefactae sunt vel in vacuo per noctem servatae ad aqua inclusa omnino removendam, antequam aliud stratum spiralis G/G super id transferretur. Hoc gradum fiebat ad vitandam separationem pelliculae grapheni a substrato et ad curandam plenam tegumentum MGGs durante liberatione strati vectoris PMMA.
Morphologia structurae MGG observata est microscopio optico (Leica) et microscopio electronico perlustrante (1 kV; FEI). Microscopium vim atomicam (Nanoscope III, Digital Instrument) in modo "tapping" operatum est ad singula spiralium G observanda. Transparentia pelliculae probata est spectrometro ultraviolaceo-visibili (Agilent Cary 6000i). Pro experimentis cum deformatio secundum directionem perpendicularem fluxus currentis erat, photolithographia et plasma O2 adhibita sunt ad structuras grapheni in fascias (~300 μm latas et ~2000 μm longas) formandas, et electrodi Au (50 nm) thermaliter depositi sunt utens larvis umbraticis ad utrumque extremum lateris longi. Fasciae grapheni deinde in contactum positae sunt cum elastomero SEBS (~2 cm lato et ~5 cm longo), cum axe longo fasciarum parallelo lateri brevi SEBS, deinde corrosionem BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) et eutecticum gallium indium (EGaIn) ut contactus electrici. Ad probationes deformationis parallelae, structurae grapheni sine figura (~5 × 10 mm) in substrata SEBS translatae sunt, axibus longis parallelis lateri longo substrati SEBS. In utroque casu, totum G (sine spiralibus G)/SEBS secundum latus longum elastomeri in apparatu manuali extensum est, et in situ, mutationes resistentiae sub deformatione in statione exploratoria cum analysatore semiconductorum (Keithley 4200-SCS) mensuravimus.
Transistores ex carbone omnino confecti, valde extensibiles et pellucidi, in substrato elastico, his modis fabricati sunt, ne dielectrici polymeri et substrati a solvente organico laedantur. Structurae MGG in SEBS ut electroda portae translatae sunt. Ad stratum dielectricum polymericum tenue uniforme (2 μm crassitudine) obtinendum, solutio SEBS tolueni (80 mg/ml) in substrato SiO2/Si modificato octadecyltrichlorosilano (OTS) ad 1000 rpm per 1 minutum per rotationem oblita est. Pellicula dielectrica tenuis facile a superficie hydrophobica OTS in substratum SEBS grapheno praeparato tectum transferri potest. Capacitor fieri potuit deponendo electrodum superius metalli liquidi (EGaIn; Sigma-Aldrich) ad capacitatem determinandam ut functionem deformationis utens metro LCR (inductantiae, capacitatis, resistentiae) (Agilent). Altera pars transistoris constabat ex CNT semiconductoribus polymericis ordinatis, secundum modos antea relatos (53). Electroda fontis/dreni figurata in substratis rigidis SiO2/Si fabricata sunt. Deinde, duae partes, dielectrica/G/SEBS et CNTs/G/SiO2/Si figurata, inter se laminatae et in BOE maceratae sunt ut substratum rigidum SiO2/Si removeretur. Ita transistores plene pellucidi et extensibiles fabricati sunt. Probationes electricae sub tensione in apparatu extensionis manuali, methodo supradicta, peractae sunt.
Materia supplementaria huic articulo inveniri potest apud http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1.
figura S1. Imagines microscopiae opticae monostrati MGG in substratis SiO2/Si ad magnificationes diversas.
figura S4. Comparatio resistentiarum et transmittantiarum duarum laminarum specillorum @550 nm grapheni plani mono-, bi- et tri-strati (quadrata nigra), MGG (circuli rubri), et CNT (triangulum caeruleum).
figura S7. Mutatio resistentiae normalizata MGG (nigra) et G (rubra) mono- et bi-stratarum sub onere deformationis cyclicae ~1000 usque ad 40 et 90% deformationis parallelae, respective.
figura S10. Imago microscopiae electronicae per scanner (SEM) MGG tripartiti in elastomero SEBS post deformationem, longam volubilem crucem super aliquot fissuras ostendens.
Fig. S12. Imago AFM MGG tristratorum in elastomero SEBS tenuissimo ad 20% deformationis, ostendens volutam fissuram transiisse.
Tabula S1. Mobilitates transistorum bistratorum MGG–tubulorum carbonis parietis simplicis ad longitudines canalium diversas ante et post deformationem.
Hic est articulus libere accessibilis distributus sub condicionibus licentiae Creative Commons Attribution-NonCommercial, quae usum, distributionem, et reproductionem in quolibet medio permittit, dummodo usus inde ortus non sit ad commodum commerciale et opus originale rite citetur.
NOTA: Inscriptionem electronicam tuam tantum rogamus ut persona cui paginam commendas sciat te eam videre voluisse, et non litteras inutiles esse. Nullam inscriptionem electronicam capimus.
Haec quaestio est ad explorandum utrum sis visitator humanus necne et ad prohibendas submissiones automatas epistularum inutilium.
Per Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Vincitur-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Per Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Vincitur-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 American Associationis ad profectum Scientiae. All rights reserved. AAAS socius HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef et COUNTER.Scientiae progressuum ISSN 2375-2548.
Tempus publicationis: XXVIII Ianuarii MMXXI