अल्ट्राट्रान्सपरंट आणि स्ट्रेचेबल ग्राफीन इलेक्ट्रोड्स

ग्राफीनसारखे द्विमितीय पदार्थ पारंपारिक अर्धवाहक अनुप्रयोगांसाठी आणि लवचिक इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये नवजात अनुप्रयोगांसाठी आकर्षक असतात. तथापि, ग्राफीनच्या उच्च तन्य शक्तीमुळे कमी ताणावर फ्रॅक्चर होते, ज्यामुळे स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये त्याच्या असाधारण इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांचा फायदा घेणे आव्हानात्मक बनते. पारदर्शक ग्राफीन कंडक्टरचे उत्कृष्ट स्ट्रेन-अवलंबित कार्यप्रदर्शन सक्षम करण्यासाठी, आम्ही स्टॅक केलेल्या ग्राफीन थरांमध्ये ग्राफीन नॅनोस्क्रोल तयार केले, ज्यांना मल्टीलेयर ग्राफीन/ग्राफीन स्क्रोल (MGGs) म्हणतात. स्ट्रेन अंतर्गत, काही स्क्रोलने ग्राफीनच्या खंडित डोमेनला ब्रिज केले जेणेकरून एक परकोलेटिंग नेटवर्क राखता येईल ज्यामुळे उच्च ताणांवर उत्कृष्ट चालकता सक्षम होईल. इलास्टोमर्सवर समर्थित ट्रायलेयर MGGs ने त्यांच्या मूळ चालकतेच्या 65% 100% स्ट्रेनवर राखले, जे विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंब आहे, तर नॅनोस्क्रोलशिवाय ग्राफीनच्या ट्रायलेयर फिल्म्सनी त्यांच्या सुरुवातीच्या चालकतेच्या फक्त 25% राखले. MGGs चा इलेक्ट्रोड म्हणून वापर करून बनवलेल्या स्ट्रेचेबल ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टरने 90% पेक्षा जास्त ट्रान्समिटन्स दाखवला आणि 120% स्ट्रेनवर (चार्ज ट्रान्सपोर्टच्या दिशेच्या समांतर) त्याच्या मूळ करंट आउटपुटपैकी 60% राखून ठेवला. हे अत्यंत स्ट्रेचेबल आणि पारदर्शक ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टर अत्याधुनिक स्ट्रेचेबल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स सक्षम करू शकतात.
स्ट्रेचेबल पारदर्शक इलेक्ट्रॉनिक्स हे एक वाढणारे क्षेत्र आहे ज्यामध्ये प्रगत बायोइंटिग्रेटेड सिस्टीममध्ये महत्त्वाचे अनुप्रयोग आहेत (1, 2) तसेच अत्याधुनिक सॉफ्ट रोबोटिक्स आणि डिस्प्ले तयार करण्यासाठी स्ट्रेचेबल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स (3, 4) सह एकत्रित होण्याची क्षमता आहे. ग्राफीन अणु जाडी, उच्च पारदर्शकता आणि उच्च चालकता यांचे अत्यंत इष्ट गुणधर्म प्रदर्शित करते, परंतु स्ट्रेचेबल अनुप्रयोगांमध्ये त्याची अंमलबजावणी लहान स्ट्रेनमध्ये क्रॅक होण्याच्या प्रवृत्तीमुळे रोखली गेली आहे. ग्राफीनच्या यांत्रिक मर्यादांवर मात केल्याने स्ट्रेचेबल पारदर्शक उपकरणांमध्ये नवीन कार्यक्षमता सक्षम होऊ शकते.
ग्राफीनच्या अद्वितीय गुणधर्मांमुळे ते पुढील पिढीच्या पारदर्शक वाहक इलेक्ट्रोडसाठी एक मजबूत उमेदवार बनते (5, 6). सर्वात सामान्यपणे वापरल्या जाणाऱ्या पारदर्शक वाहक, इंडियम टिन ऑक्साईड [ITO; 100 ohms/sq (sq) 90% पारदर्शकतेवर] च्या तुलनेत, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) द्वारे विकसित केलेल्या मोनोलेयर ग्राफीनमध्ये शीट रेझिस्टन्स (125 ohms/sq) आणि पारदर्शकता (97.4%) (5) चे समान संयोजन आहे. याव्यतिरिक्त, ITO (7) च्या तुलनेत ग्राफीन फिल्म्समध्ये असाधारण लवचिकता असते. उदाहरणार्थ, प्लास्टिक सब्सट्रेटवर, त्याची वाहकता 0.8 मिमी (8) इतक्या लहान वक्रतेच्या वाकण्याच्या त्रिज्येसाठी देखील टिकवून ठेवता येते. पारदर्शक लवचिक वाहक म्हणून त्याची विद्युत कार्यक्षमता आणखी वाढविण्यासाठी, मागील कामांनी एक-आयामी (1D) सिल्व्हर नॅनोवायर किंवा कार्बन नॅनोट्यूब (CNTs) (9-11) सह ग्राफीन हायब्रिड मटेरियल विकसित केले आहेत. शिवाय, मिश्रित आयामी हेटेरोस्ट्रक्चरल सेमीकंडक्टर्स (जसे की 2D बल्क Si, 1D नॅनोवायर/नॅनोट्यूब्स आणि 0D क्वांटम डॉट्स) (12), लवचिक ट्रान्झिस्टर, सौर पेशी आणि प्रकाश-उत्सर्जक डायोड्स (LEDs) (13-23) साठी इलेक्ट्रोड म्हणून ग्राफीनचा वापर केला गेला आहे.
जरी ग्राफीनने लवचिक इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी आशादायक परिणाम दाखवले असले तरी, स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये त्याचा वापर त्याच्या यांत्रिक गुणधर्मांमुळे मर्यादित झाला आहे (17, 24, 25); ग्राफीनमध्ये 340 N/m ची इन-प्लेन कडकपणा आणि 0.5 TPa (26) चे यंग मापांक आहे. मजबूत कार्बन-कार्बन नेटवर्क लागू केलेल्या स्ट्रेनसाठी कोणतीही ऊर्जा अपव्यय यंत्रणा प्रदान करत नाही आणि म्हणून 5% पेक्षा कमी स्ट्रेनवर सहजपणे क्रॅक होते. उदाहरणार्थ, पॉलीडायमेथिलसिलॉक्सेन (PDMS) लवचिक सब्सट्रेटवर हस्तांतरित केलेले CVD ग्राफीन केवळ 6% पेक्षा कमी स्ट्रेनवर त्याची चालकता राखू शकते (8). सैद्धांतिक गणना दर्शविते की वेगवेगळ्या थरांमधील क्रंपलिंग आणि इंटरप्लेमुळे कडकपणा लक्षणीयरीत्या कमी होईल (26). ग्राफीनला अनेक थरांमध्ये स्टॅक करून, असे नोंदवले गेले आहे की हे द्वि-किंवा त्रि-स्तरीय ग्राफीन 30% स्ट्रेनपर्यंत स्ट्रेचेबल आहे, जो मोनोलेयर ग्राफीनपेक्षा 13 पट लहान प्रतिकार बदल प्रदर्शित करतो (27). तथापि, ही स्ट्रेचेबिलिटी अजूनही अत्याधुनिक स्ट्रेचेबल सी ऑंडक्टर्सपेक्षा लक्षणीयरीत्या निकृष्ट आहे (28, 29).
स्ट्रेचेबल अॅप्लिकेशन्समध्ये ट्रान्झिस्टर महत्त्वाचे असतात कारण ते अत्याधुनिक सेन्सर रीडआउट आणि सिग्नल विश्लेषण सक्षम करतात (30, 31). स्त्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड आणि चॅनेल मटेरियल म्हणून मल्टीलेयर ग्राफीन असलेल्या PDMS वरील ट्रान्झिस्टर 5% स्ट्रेन (32) पर्यंत इलेक्ट्रिकल फंक्शन राखू शकतात, जे घालण्यायोग्य आरोग्य-निरीक्षण सेन्सर्स आणि इलेक्ट्रॉनिक स्किनसाठी आवश्यक असलेल्या किमान मूल्यापेक्षा (~50%) लक्षणीयरीत्या कमी आहे (33, 34). अलीकडे, ग्राफीन किरिगामी दृष्टिकोनाचा शोध घेण्यात आला आहे आणि द्रव इलेक्ट्रोलाइटद्वारे गेट केलेले ट्रान्झिस्टर 240% पर्यंत वाढवता येते (35). तथापि, या पद्धतीसाठी निलंबित ग्राफीनची आवश्यकता असते, ज्यामुळे फॅब्रिकेशन प्रक्रिया गुंतागुंतीची होते.
येथे, ग्राफीन थरांमध्ये ग्राफीन स्क्रोल (~१ ते २० μm लांब, ~०.१ ते १ μm रुंद आणि ~१० ते १०० nm उंच) इंटरकॅलेट करून आम्ही अत्यंत स्ट्रेचेबल ग्राफीन उपकरणे साध्य करतो. आमचा असा अंदाज आहे की हे ग्राफीन स्क्रोल ग्राफीन शीटमधील भेगा भरण्यासाठी वाहक मार्ग प्रदान करू शकतात, ज्यामुळे ताणाखाली उच्च चालकता राखली जाते. ग्राफीन स्क्रोलना अतिरिक्त संश्लेषण किंवा प्रक्रियेची आवश्यकता नसते; ते ओले हस्तांतरण प्रक्रियेदरम्यान नैसर्गिकरित्या तयार होतात. मल्टीलेयर G/G (ग्राफीन/ग्राफीन) स्क्रोल (MGGs) ग्राफीन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड (स्रोत/निचरा आणि गेट) आणि अर्धवाहक CNT वापरून, आम्ही अत्यंत पारदर्शक आणि अत्यंत स्ट्रेचेबल ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टर प्रदर्शित करण्यास सक्षम होतो, जे १२०% स्ट्रेन (चार्ज ट्रान्सपोर्टच्या दिशेच्या समांतर) पर्यंत ताणले जाऊ शकतात आणि त्यांच्या मूळ करंट आउटपुटच्या ६०% टिकवून ठेवू शकतात. हे आतापर्यंतचे सर्वात स्ट्रेचेबल पारदर्शक कार्बन-आधारित ट्रान्झिस्टर आहे आणि ते अजैविक LED चालविण्यासाठी पुरेसा करंट प्रदान करते.
मोठ्या क्षेत्राचे पारदर्शक स्ट्रेचेबल ग्राफीन इलेक्ट्रोड सक्षम करण्यासाठी, आम्ही Cu फॉइलवर CVD-ग्रोन केलेले ग्राफीन निवडले. Cu फॉइलला CVD क्वार्ट्ज ट्यूबच्या मध्यभागी लटकवले गेले जेणेकरून दोन्ही बाजूंनी ग्राफीनची वाढ होऊ शकेल, ज्यामुळे G/Cu/G संरचना तयार होतील. ग्राफीन हस्तांतरित करण्यासाठी, आम्ही प्रथम ग्राफीनच्या एका बाजूचे संरक्षण करण्यासाठी पॉली(मिथाइल मेथाक्रिलेट) (PMMA) चा पातळ थर फिरवला, ज्याला आम्ही टॉपसाइड ग्राफीन असे नाव दिले (ग्राफीनच्या दुसऱ्या बाजूसाठी उलट), आणि त्यानंतर, संपूर्ण फिल्म (PMMA/टॉप ग्राफीन/Cu/तळाशी ग्राफीन) (NH4)2S2O8 द्रावणात भिजवली गेली जेणेकरून Cu फॉइल खोदले जाईल. PMMA कोटिंगशिवाय तळाशी असलेल्या ग्राफीनमध्ये अपरिहार्यपणे क्रॅक आणि दोष असतील ज्यामुळे एचंट आत प्रवेश करू शकेल (36, 37). आकृती 1A मध्ये दर्शविल्याप्रमाणे, पृष्ठभागाच्या ताणाच्या प्रभावाखाली, सोडलेले ग्राफीन डोमेन स्क्रोलमध्ये गुंडाळले जातात आणि नंतर उर्वरित टॉप-G/PMMA फिल्मवर जोडले जातात. वरच्या G/G स्क्रोल कोणत्याही सब्सट्रेटवर, जसे की SiO2/Si, काच किंवा सॉफ्ट पॉलिमरवर हस्तांतरित केले जाऊ शकतात. ही हस्तांतरण प्रक्रिया एकाच सब्सट्रेटवर अनेक वेळा पुनरावृत्ती केल्याने MGG संरचना मिळतात.
(अ) स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड म्हणून MGGs च्या फॅब्रिकेशन प्रक्रियेचे योजनाबद्ध चित्रण. ग्राफीन ट्रान्सफर दरम्यान, Cu फॉइलवरील मागील बाजूचे ग्राफीन सीमा आणि दोषांवर तुटलेले होते, अनियंत्रित आकारांमध्ये गुंडाळले गेले होते आणि वरच्या फिल्म्सवर घट्ट जोडले गेले होते, ज्यामुळे नॅनोस्क्रोल तयार झाले होते. चौथे कार्टून स्टॅक केलेले MGG स्ट्रक्चर दर्शविते. (ब आणि क) मोनोलेयर MGG चे उच्च-रिझोल्यूशन TEM वैशिष्ट्यीकरण, अनुक्रमे मोनोलेयर ग्राफीन (ब) आणि स्क्रोल (क) प्रदेशावर लक्ष केंद्रित करते. (ब) चा इनसेट हा TEM ग्रिडवरील मोनोलेयर MGGs चे एकूण आकारविज्ञान दर्शविणारा कमी-विस्तारीकरण प्रतिमा आहे. (क) चे इनसेट हे प्रतिमेत दर्शविलेल्या आयताकृती बॉक्ससह घेतलेले तीव्रता प्रोफाइल आहेत, जिथे अणु समतलांमधील अंतर 0.34 आणि 0.41 nm आहे. (ड) कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम वैशिष्ट्यपूर्ण ग्राफिक π* आणि σ* शिखरांसह लेबल केलेले आहे. (ई) मोनोलेयर G/G ची सेक्शनल AFM प्रतिमा पिवळ्या ठिपके असलेल्या रेषेसह उंची प्रोफाइलसह स्क्रोल करते. (F ते I) अनुक्रमे (F आणि H) शिवाय आणि 300-nm-जाडीच्या SiO2/Si सब्सट्रेट्सवर स्क्रोल (G आणि I) सह ट्रायलेयर G चे ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी आणि AFM प्रतिमा. त्यांच्यातील फरक हायलाइट करण्यासाठी प्रातिनिधिक स्क्रोल आणि सुरकुत्या लेबल केल्या गेल्या.
स्क्रोल हे रोल केलेले ग्राफीन आहेत याची पडताळणी करण्यासाठी, आम्ही मोनोलेयर टॉप-जी/जी स्क्रोल स्ट्रक्चर्सवर हाय-रिझोल्यूशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (टीईएम) आणि इलेक्ट्रॉन एनर्जी लॉस (ईईएल) स्पेक्ट्रोस्कोपी अभ्यास केले. आकृती १ बी मध्ये मोनोलेयर ग्राफीनची षटकोनी रचना दर्शविली आहे आणि इनसेट हा टीईएम ग्रिडच्या एका कार्बन होलवर झाकलेल्या फिल्मचा एकंदर आकारविज्ञान आहे. मोनोलेयर ग्राफीन बहुतेक ग्रिडमध्ये पसरलेला असतो आणि षटकोनी रिंगांच्या अनेक स्टॅकच्या उपस्थितीत काही ग्राफीन फ्लेक्स दिसतात (आकृती १ बी). एका स्वतंत्र स्क्रोलमध्ये झूम करून (आकृती १ सी), आम्हाला मोठ्या प्रमाणात ग्राफीन जाळीच्या कडा आढळल्या, ज्यांचे जाळीचे अंतर ०.३४ ते ०.४१ एनएमच्या श्रेणीत आहे. हे मोजमाप सूचित करतात की फ्लेक्स यादृच्छिकपणे गुंडाळलेले आहेत आणि परिपूर्ण ग्रेफाइट नाहीत, ज्याचे जाळीचे अंतर "एबीएबी" लेयर स्टॅकिंगमध्ये ०.३४ एनएम आहे. आकृती 1D मध्ये कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम दाखवले आहे, जिथे 285 eV वरील शिखर π* ऑर्बिटलमधून उद्भवते आणि 290 eV च्या आसपासचा दुसरा σ* ऑर्बिटलच्या संक्रमणामुळे होतो. या रचनेत sp2 बाँडिंगचे वर्चस्व असल्याचे दिसून येते, जे स्क्रोल अत्यंत ग्राफिक आहेत याची पडताळणी करते.
ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी आणि अणुशक्ती मायक्रोस्कोपी (AFM) प्रतिमा MGGs मध्ये ग्राफीन नॅनोस्क्रोलच्या वितरणाबद्दल अंतर्दृष्टी प्रदान करतात (आकृती 1, E ते G, आणि आकृती S1 आणि S2). स्क्रोल पृष्ठभागावर यादृच्छिकपणे वितरित केले जातात आणि त्यांची इन-प्लेन घनता रचलेल्या थरांच्या संख्येच्या प्रमाणात वाढते. अनेक स्क्रोल गाठींमध्ये गुंतलेले असतात आणि 10 ते 100 nm च्या श्रेणीत एकसमान उंची दर्शवितात. त्यांच्या सुरुवातीच्या ग्राफीन फ्लेक्सच्या आकारानुसार ते 1 ते 20 μm लांब आणि 0.1 ते 1 μm रुंद असतात. आकृती 1 (H आणि I) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, स्क्रोलचे आकार सुरकुत्यांपेक्षा लक्षणीयरीत्या मोठे असतात, ज्यामुळे ग्राफीन थरांमधील इंटरफेस खूपच खडबडीत होतो.
विद्युत गुणधर्म मोजण्यासाठी, आम्ही फोटोलिथोग्राफी वापरून स्क्रोल स्ट्रक्चर्स आणि लेयर स्टॅकिंगसह किंवा त्याशिवाय ग्राफीन फिल्म्सचे नमुने तयार केले आणि 300-μm-रुंद आणि 2000-μm-लांब पट्ट्यांमध्ये लेयर स्टॅकिंग केले. स्ट्रेनच्या कार्य म्हणून दोन-प्रोब रेझिस्टन्स सभोवतालच्या परिस्थितीत मोजले गेले. स्क्रोलच्या उपस्थितीमुळे मोनोलेयर ग्राफीनची प्रतिरोधकता 80% ने कमी झाली आणि ट्रान्समिटन्समध्ये फक्त 2.2% घट झाली (आकृती S4). हे पुष्टी करते की नॅनोस्क्रोल, ज्यांची उच्च प्रवाह घनता 5 × 107 A/cm2 (38, 39) पर्यंत असते, ते MGG मध्ये खूप सकारात्मक विद्युत योगदान देतात. सर्व मोनो-, द्वि- आणि त्रैलेयर प्लेन ग्राफीन आणि MGG मध्ये, त्रैलेयर MGG मध्ये जवळजवळ 90% पारदर्शकतेसह सर्वोत्तम चालकता आहे. साहित्यात नोंदवलेल्या ग्राफीनच्या इतर स्रोतांशी तुलना करण्यासाठी, आम्ही चार-प्रोब शीट रेझिस्टन्स (आकृती S5) देखील मोजले आणि त्यांना आकृती 2A मध्ये 550 nm (आकृती S6) वर ट्रान्समिटन्स फंक्शन म्हणून सूचीबद्ध केले. MGG कृत्रिमरित्या स्टॅक केलेल्या मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीन आणि रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साईड (RGO) (6, 8, 18) पेक्षा तुलनात्मक किंवा उच्च चालकता आणि पारदर्शकता दर्शविते. लक्षात ठेवा की साहित्यातून कृत्रिमरित्या स्टॅक केलेल्या मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीनचे शीट रेझिस्टन्स आमच्या MGG पेक्षा किंचित जास्त आहेत, कदाचित त्यांच्या अप्टिमाइज्ड वाढीच्या परिस्थिती आणि हस्तांतरण पद्धतीमुळे.
(अ) अनेक प्रकारच्या ग्राफीनसाठी ५५० एनएमवर ट्रान्समिटन्स विरुद्ध फोर-प्रोब शीट रेझिस्टन्स, जिथे काळे चौरस मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेअर एमजीजी दर्शवतात; लाल वर्तुळे आणि निळे त्रिकोण अनुक्रमे ली एट अल. (६) आणि किम एट अल. (८) च्या अभ्यासातून Cu आणि Ni वर वाढलेल्या बहुस्तरीय साध्या ग्राफीनशी जुळतात आणि नंतर SiO2/Si किंवा क्वार्ट्जवर हस्तांतरित होतात; आणि हिरवे त्रिकोण बोनाकोर्सो एट अल. (१८) च्या अभ्यासातून वेगवेगळ्या रिड्यूसिंग अंशांवर RGO साठी मूल्ये आहेत. (ब आणि क) मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेअर एमजीजी आणि जी चा सामान्यीकृत प्रतिकार बदल जो प्रवाहाच्या दिशेने लंब (ब) आणि समांतर (क) स्ट्रेनचे कार्य करतो. (ड) चक्रीय स्ट्रेन अंतर्गत बायलेयर जी (लाल) आणि एमजीजी (काळा) चा सामान्यीकृत प्रतिकार बदल जो ५०% लंब स्ट्रेन पर्यंत लोड होतो. (ई) चक्रीय स्ट्रेन अंतर्गत ट्रायलेयर जी (लाल) आणि एमजीजी (काळा) चा सामान्यीकृत प्रतिकार बदल जो ९०% समांतर स्ट्रेन पर्यंत लोड होतो. (F) स्ट्रेनच्या कार्या म्हणून मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेयर G आणि बाय- आणि ट्रायलेयर MGGs चे सामान्यीकृत कॅपेसिटन्स बदल. इनसेट म्हणजे कॅपेसिटर स्ट्रक्चर, जिथे पॉलिमर सब्सट्रेट SEBS आहे आणि पॉलिमर डायलेक्ट्रिक थर 2-μm-जाड SEBS आहे.
MGG च्या स्ट्रेन-अवलंबित कामगिरीचे मूल्यांकन करण्यासाठी, आम्ही ग्राफीन थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर स्टायरीन-इथिलीन-ब्युटाडीन-स्टायरीन (SEBS) सब्सट्रेट्सवर (~2 सेमी रुंद आणि ~5 सेमी लांब) हस्तांतरित केले आणि सब्सट्रेट ताणला जात असताना (सामग्री आणि पद्धती पहा) विद्युत प्रवाहाच्या दिशेने लंब आणि समांतर दोन्ही मोजले गेले (आकृती 2, B आणि C). नॅनोस्क्रोलच्या समावेशामुळे आणि ग्राफीन थरांच्या वाढत्या संख्येमुळे स्ट्रेन-अवलंबित विद्युत वर्तन सुधारले. उदाहरणार्थ, जेव्हा स्ट्रेन प्रवाहाच्या लंब असतो, तेव्हा मोनोलेयर ग्राफीनसाठी, स्क्रोल जोडल्याने विद्युत तुटण्याच्या वेळी स्ट्रेन 5 वरून 70% पर्यंत वाढला. मोनोलेयर ग्राफीनच्या तुलनेत ट्रायलेयर ग्राफीनची स्ट्रेन सहनशीलता देखील लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे. नॅनोस्क्रोलसह, 100% लंब स्ट्रेनवर, ट्रायलेयर MGG स्ट्रक्चरचा प्रतिकार फक्त 50% वाढला, स्क्रोलशिवाय ट्रायलेयर ग्राफीनसाठी 300% च्या तुलनेत. चक्रीय स्ट्रेन लोड अंतर्गत प्रतिकार बदल तपासण्यात आला. तुलनेसाठी (आकृती 2D), एका साध्या बायलेयर ग्राफीन फिल्मचे प्रतिकार ~700 चक्रांनंतर 50% लंबवत स्ट्रेनवर सुमारे 7.5 पट वाढले आणि प्रत्येक सायकलमध्ये स्ट्रेनसह वाढत राहिले. दुसरीकडे, बायलेयर MGG चा प्रतिकार ~700 चक्रांनंतर फक्त 2.5 पट वाढला. समांतर दिशेने 90% पर्यंत स्ट्रेन लागू केल्याने, 1000 चक्रांनंतर ट्रायलेयर ग्राफीनचा प्रतिकार ~100 पट वाढला, तर ट्रायलेयर MGG मध्ये तो फक्त ~8 पट आहे (आकृती 2E). सायकलिंगचे परिणाम आकृती S7 मध्ये दर्शविले आहेत. समांतर स्ट्रेन दिशेने प्रतिकारात तुलनेने जलद वाढ म्हणजे क्रॅकचे अभिमुखीकरण विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंबवत असते. लोडिंग आणि अनलोडिंग स्ट्रेन दरम्यान प्रतिकाराचे विचलन SEBS इलास्टोमर सब्सट्रेटच्या व्हिस्कोइलास्टिक रिकव्हरीमुळे होते. सायकलिंग दरम्यान MGG स्ट्रिप्सचा अधिक स्थिर प्रतिकार हा ग्राफीनच्या क्रॅक झालेल्या भागांना जोडणाऱ्या मोठ्या स्क्रोलच्या उपस्थितीमुळे असतो (जसे की AFM ने पाहिले आहे), ज्यामुळे परकोलेटिंग मार्ग राखण्यास मदत होते. इलास्टोमर सब्सट्रेट्सवरील क्रॅक झालेल्या धातू किंवा सेमीकंडक्टर फिल्मसाठी परकोलेटिंग मार्गाद्वारे चालकता राखण्याची ही घटना यापूर्वी नोंदवली गेली आहे (40, 41).
स्ट्रेचेबल उपकरणांमध्ये गेट इलेक्ट्रोड म्हणून या ग्राफीन-आधारित फिल्म्सचे मूल्यांकन करण्यासाठी, आम्ही ग्राफीन लेयरला SEBS डायलेक्ट्रिक लेयर (2 μm जाडी) ने झाकले आणि स्ट्रेनच्या कार्य म्हणून डायलेक्ट्रिक कॅपेसिटन्स बदलाचे निरीक्षण केले (तपशीलांसाठी आकृती 2F आणि पूरक साहित्य पहा). आम्ही पाहिले की प्लेन मोनोलेयर आणि बायलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोडसह कॅपेसिटन्स त्वरीत कमी होतात कारण ग्राफीनची इन-प्लेन चालकता कमी होते. याउलट, MGGs तसेच प्लेन ट्रायलेयर ग्राफीनद्वारे गेट केलेल्या कॅपेसिटन्समध्ये स्ट्रेनसह कॅपेसिटन्समध्ये वाढ दिसून आली, जी स्ट्रेनसह डायलेक्ट्रिक जाडी कमी झाल्यामुळे अपेक्षित आहे. कॅपेसिटन्समध्ये अपेक्षित वाढ MGG रचनेशी खूप चांगली जुळली (आकृती S8). हे सूचित करते की MGG स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टरसाठी गेट इलेक्ट्रोड म्हणून योग्य आहे.
विद्युत चालकतेच्या ताण सहनशीलतेवर 1D ग्राफीन स्क्रोलची भूमिका अधिक तपासण्यासाठी आणि ग्राफीन थरांमधील पृथक्करण अधिक चांगल्या प्रकारे नियंत्रित करण्यासाठी, आम्ही ग्राफीन स्क्रोल बदलण्यासाठी स्प्रे-लेपित CNTs वापरले (पूरक साहित्य पहा). MGG संरचनांची नक्कल करण्यासाठी, आम्ही CNTs च्या तीन घनता जमा केल्या (म्हणजेच, CNT1
(अ ते क) तीन वेगवेगळ्या घनतेच्या CNTs च्या AFM प्रतिमा (CNT1)
स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी इलेक्ट्रोड म्हणून त्यांची क्षमता अधिक समजून घेण्यासाठी, आम्ही स्ट्रेन अंतर्गत MGG आणि G-CNT-G च्या मॉर्फोलॉजीजचा पद्धतशीरपणे अभ्यास केला. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) या प्रभावी व्यक्तिचित्रण पद्धती नाहीत कारण दोन्हीमध्ये रंग कॉन्ट्रास्टचा अभाव आहे आणि जेव्हा ग्राफीन पॉलिमर सब्सट्रेट्सवर असते तेव्हा इलेक्ट्रॉन स्कॅनिंग दरम्यान SEM प्रतिमा कलाकृतींच्या अधीन असते (आकृती S9 आणि S10). स्ट्रेन अंतर्गत ग्राफीन पृष्ठभागाचे निरीक्षण करण्यासाठी, आम्ही अतिशय पातळ (~0.1 मिमी जाड) आणि लवचिक SEBS सब्सट्रेट्सवर हस्तांतरित केल्यानंतर ट्रायलेयर MGGs आणि साध्या ग्राफीनवर AFM मोजमाप गोळा केले. हस्तांतरण प्रक्रियेदरम्यान CVD ग्राफीनमधील अंतर्गत दोष आणि बाह्य नुकसानामुळे, स्ट्रेन केलेल्या ग्राफीनवर क्रॅक अपरिहार्यपणे निर्माण होतात आणि वाढत्या स्ट्रेनसह, क्रॅक अधिक घन होतात (आकृती 4, A ते D). कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोडच्या स्टॅकिंग स्ट्रक्चरवर अवलंबून, क्रॅक वेगवेगळ्या मॉर्फोलॉजीज प्रदर्शित करतात (आकृती S11) (27). बहुस्तरीय ग्राफीनची क्रॅक एरिया डेन्सिटी (क्रॅक एरिया/विश्लेषित क्षेत्र म्हणून परिभाषित) ही स्ट्रेन नंतर मोनोलेयर ग्राफीनपेक्षा कमी असते, जी MGG साठी विद्युत चालकता वाढीशी सुसंगत असते. दुसरीकडे, स्ट्रेन केलेल्या फिल्ममध्ये अतिरिक्त चालकता मार्ग प्रदान करणारे स्क्रोल अनेकदा क्रॅक ब्रिज करण्यासाठी पाहिले जातात. उदाहरणार्थ, आकृती 4B च्या प्रतिमेत लेबल केल्याप्रमाणे, ट्रायलेयर MGG मधील क्रॅकवर एक रुंद स्क्रोल ओलांडला गेला होता, परंतु साध्या ग्राफीनमध्ये कोणताही स्क्रोल आढळला नाही (आकृती 4, E ते H). त्याचप्रमाणे, CNT ने देखील ग्राफीनमधील क्रॅक ब्रिज केले (आकृती S11). क्रॅक एरिया डेन्सिटी, स्क्रोल एरिया डेन्सिटी आणि फिल्म्सची खडबडीतपणा आकृती 4K मध्ये सारांशित केला आहे.
(A ते H) 0, 20, 60 आणि 100% स्ट्रेनवर अतिशय पातळ SEBS (~0.1 मिमी जाडी) इलास्टोमरवर ट्रायलेयर G/G स्क्रोल (A ते D) आणि ट्रायलेयर G स्ट्रक्चर्स (E ते H) च्या इन सिटू AFM प्रतिमा. प्रतिनिधी क्रॅक आणि स्क्रोल बाणांनी टोकदार आहेत. सर्व AFM प्रतिमा लेबल केलेल्या समान रंग स्केल बारचा वापर करून 15 μm × 15 μm च्या क्षेत्रात आहेत. (I) SEBS सब्सट्रेटवर पॅटर्न केलेल्या मोनोलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड्सची सिम्युलेशन भूमिती. (J) मोनोलेयर ग्राफीनमधील जास्तीत जास्त प्रिन्सिपल लॉगरिथमिक स्ट्रेन आणि 20% बाह्य स्ट्रेनवर SEBS सब्सट्रेटचा सिम्युलेशन कॉन्टूर मॅप. (K) वेगवेगळ्या ग्राफीन स्ट्रक्चर्ससाठी क्रॅक एरिया डेन्सिटी (लाल कॉलम), स्क्रोल एरिया डेन्सिटी (पिवळा कॉलम) आणि पृष्ठभाग खडबडीतपणा (निळा कॉलम) यांची तुलना.
जेव्हा MGG फिल्म्स ताणल्या जातात तेव्हा स्क्रोल ग्राफीनच्या क्रॅक झालेल्या भागांना जोडू शकतात आणि एक परकोलेटिंग नेटवर्क राखू शकतात अशी एक महत्त्वाची अतिरिक्त यंत्रणा असते. ग्राफीन स्क्रोल आशादायक असतात कारण त्यांची लांबी दहा मायक्रोमीटर असू शकते आणि त्यामुळे ते सामान्यतः मायक्रोमीटर स्केलपर्यंतच्या क्रॅकना जोडू शकतात. शिवाय, स्क्रोलमध्ये ग्राफीनचे बहुस्तरीय थर असल्याने, त्यांचा प्रतिकार कमी असण्याची अपेक्षा आहे. त्या तुलनेत, तुलनेने दाट (कमी ट्रान्समिटन्स) CNT नेटवर्क्सना तुलनात्मक कंडक्टिव्ह ब्रिजिंग क्षमता प्रदान करणे आवश्यक आहे, कारण CNTs लहान असतात (सामान्यत: काही मायक्रोमीटर लांबीचे) आणि स्क्रोलपेक्षा कमी कंडक्टिव्ह असतात. दुसरीकडे, आकृती S12 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, स्ट्रेन सामावून घेण्यासाठी स्ट्रेचिंग दरम्यान ग्राफीन क्रॅक होतात, तर स्क्रोल क्रॅक होत नाहीत, जे दर्शविते की नंतरचे कदाचित अंतर्निहित ग्राफीनवर सरकत असतील. ते क्रॅक होत नाहीत याचे कारण कदाचित त्यांच्या गुंडाळलेल्या रचनेमुळे असू शकते, ज्यामध्ये ग्राफीनचे अनेक थर (~१ ते २ ० ​​μm लांब, ~०.१ ते १ μm रुंद आणि ~१० ते १०० nm उंच) असतात, ज्याचा प्रभावी मापांक एकल-स्तरीय ग्राफीनपेक्षा जास्त असतो. ग्रीन आणि हर्सम (४२) यांनी नोंदवल्याप्रमाणे, CNT मधील मोठ्या जंक्शन प्रतिरोध असूनही, धातूचा CNT नेटवर्क (ट्यूब व्यास १.० nm) कमी शीट प्रतिरोध साध्य करू शकतो <१०० ohms/sq. आमच्या ग्राफीन स्क्रोलची रुंदी ०.१ ते १ μm आहे आणि G/G स्क्रोलमध्ये CNT पेक्षा खूप मोठे संपर्क क्षेत्र आहे हे लक्षात घेता, ग्राफीन आणि ग्राफीन स्क्रोलमधील संपर्क प्रतिकार आणि संपर्क क्षेत्र उच्च चालकता राखण्यासाठी मर्यादित घटक नसावेत.
SEBS सब्सट्रेटपेक्षा ग्राफीनमध्ये खूप जास्त मॉड्यूलस आहे. जरी ग्राफीन इलेक्ट्रोडची प्रभावी जाडी सब्सट्रेटपेक्षा खूपच कमी असली तरी, ग्राफीनची कडकपणा त्याच्या जाडीच्या तुलनेत सब्सट्रेटच्या तुलनेत जास्त आहे (43, 44), ज्यामुळे मध्यम कडक-बेट प्रभाव निर्माण होतो. आम्ही SEBS सब्सट्रेटवर 1-nm-जाडीच्या ग्राफीनचे विकृतीकरण सिम्युलेट केले (तपशीलांसाठी पूरक साहित्य पहा). सिम्युलेशन निकालांनुसार, जेव्हा SEBS सब्सट्रेटवर 20% स्ट्रेन बाहेरून लागू केले जाते, तेव्हा ग्राफीनमधील सरासरी स्ट्रेन ~6.6% (आकृती 4J आणि आकृती S13D) असते, जे प्रायोगिक निरीक्षणांशी सुसंगत आहे (आकृती S13 पहा). आम्ही ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी वापरून पॅटर्न केलेल्या ग्राफीन आणि सब्सट्रेट प्रदेशांमधील स्ट्रेनची तुलना केली आणि सब्सट्रेट प्रदेशातील स्ट्रेन ग्राफीन प्रदेशातील स्ट्रेनपेक्षा कमीत कमी दुप्पट असल्याचे आढळले. हे सूचित करते की ग्राफीन इलेक्ट्रोड पॅटर्नवर लागू केलेला स्ट्रेन लक्षणीयरीत्या मर्यादित असू शकतो, ज्यामुळे SEBS वर ग्राफीन कडक बेटे तयार होतात (26, 43, 44).
म्हणून, उच्च ताणाखाली उच्च चालकता राखण्याची MGG इलेक्ट्रोडची क्षमता दोन प्रमुख यंत्रणांद्वारे सक्षम केली जाऊ शकते: (i) स्क्रोल विस्कळीत प्रदेशांना जोडून वाहक पाझर मार्ग राखू शकतात आणि (ii) बहुस्तरीय ग्राफीन शीट्स/इलास्टोमर एकमेकांवर सरकू शकतात, ज्यामुळे ग्राफीन इलेक्ट्रोडवरील ताण कमी होतो. इलास्टोमरवरील हस्तांतरित ग्राफीनच्या अनेक थरांसाठी, थर एकमेकांशी घट्ट जोडलेले नसतात, जे ताणाच्या प्रतिसादात सरकू शकतात (27). स्क्रोलमुळे ग्राफीन थरांची खडबडीतपणा देखील वाढला, ज्यामुळे ग्राफीन थरांमधील पृथक्करण वाढण्यास मदत होऊ शकते आणि त्यामुळे ग्राफीन थरांचे सरकणे सक्षम होते.
कमी किमतीच्या आणि उच्च थ्रूपुटमुळे सर्व-कार्बन उपकरणांचा उत्साहाने पाठपुरावा केला जातो. आमच्या बाबतीत, सर्व-कार्बन ट्रान्झिस्टर तळाशी ग्राफीन गेट, वरचा ग्राफीन स्रोत/ड्रेन संपर्क, एक सॉर्टेड CNT सेमीकंडक्टर आणि SEBS डायलेक्ट्रिक म्हणून वापरून तयार केले गेले (आकृती 5A). आकृती 5B मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, CNTs असलेले सर्व-कार्बन उपकरण स्त्रोत/ड्रेन आणि गेट (तळाशी डिव्हाइस) ग्राफीन इलेक्ट्रोड (वरचा डिव्हाइस) असलेल्या उपकरणापेक्षा अधिक अपारदर्शक असते. याचे कारण असे की CNT नेटवर्कना मोठ्या जाडीची आवश्यकता असते आणि परिणामी, ग्राफीन (आकृती S4) सारख्या शीट प्रतिरोधकता प्राप्त करण्यासाठी कमी ऑप्टिकल ट्रान्समिटन्सची आवश्यकता असते. आकृती 5 (C आणि D) बायलेयर MGG इलेक्ट्रोडसह बनवलेल्या ट्रान्झिस्टरसाठी स्ट्रेनपूर्वी प्रतिनिधी हस्तांतरण आणि आउटपुट वक्र दर्शविते. ताण नसलेल्या ट्रान्झिस्टरची चॅनेल रुंदी आणि लांबी अनुक्रमे 800 आणि 100 μm होती. मोजलेले चालू/बंद प्रमाण अनुक्रमे 10−5 आणि 10−8 A च्या पातळीवर चालू आणि बंद प्रवाहांसह 103 पेक्षा जास्त आहे. आउटपुट वक्र स्पष्ट गेट-व्होल्टेज अवलंबित्वासह आदर्श रेषीय आणि संतृप्तीकरण व्यवस्था प्रदर्शित करते, जे CNTs आणि ग्राफीन इलेक्ट्रोड्समधील आदर्श संपर्क दर्शवते (45). ग्राफीन इलेक्ट्रोड्ससह संपर्क प्रतिकार बाष्पीभवन झालेल्या Au फिल्मपेक्षा कमी असल्याचे आढळून आले (आकृती S14 पहा). स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टरची संतृप्तता गतिशीलता सुमारे 5.6 cm2/Vs आहे, जी 300-nm SiO2 डायलेक्ट्रिक थर म्हणून कठोर Si सब्सट्रेट्सवर समान पॉलिमर-सॉर्ट केलेल्या CNT ट्रान्झिस्टरसारखीच आहे. ऑप्टिमाइझ्ड ट्यूब घनता आणि इतर प्रकारच्या ट्यूब्ससह गतिशीलतेमध्ये पुढील सुधारणा शक्य आहे (46).
(अ) ग्राफीन-आधारित स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टरची योजना. SWNTs, सिंगल-वॉलेड कार्बन नॅनोट्यूब. (ब) ग्राफीन इलेक्ट्रोड (वर) आणि CNT इलेक्ट्रोड (खाली) पासून बनवलेल्या स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टरचा फोटो. पारदर्शकतेतील फरक स्पष्टपणे लक्षात येतो. (क आणि ड) स्ट्रेनपूर्वी SEBS वर ग्राफीन-आधारित ट्रान्झिस्टरचे ट्रान्सफर आणि आउटपुट वक्र. (ई आणि एफ) वेगवेगळ्या स्ट्रेनवर ग्राफीन-आधारित ट्रान्झिस्टरचे ट्रान्सफर वक्र, चालू आणि बंद करंट, चालू/बंद गुणोत्तर आणि गतिशीलता.
जेव्हा पारदर्शक, सर्व-कार्बन उपकरण चार्ज ट्रान्सपोर्ट दिशेच्या समांतर दिशेने ताणले गेले तेव्हा १२०% स्ट्रेनपर्यंत किमान क्षय दिसून आला. स्ट्रेचिंग दरम्यान, गतिशीलता ०% स्ट्रेनवर ५.६ सेमी२/व्हीएस वरून १२०% स्ट्रेनवर २.५ सेमी२/व्हीएस पर्यंत सतत कमी झाली (आकृती ५F). आम्ही वेगवेगळ्या चॅनेल लांबीसाठी ट्रान्झिस्टर कामगिरीची तुलना देखील केली (टेबल S1 पहा). उल्लेखनीय म्हणजे, १०५% इतक्या मोठ्या स्ट्रेनवर, या सर्व ट्रान्झिस्टरमध्ये अजूनही उच्च ऑन/ऑफ रेशो (>१०३) आणि गतिशीलता (>३ सेमी२/व्हीएस) दिसून आली. याव्यतिरिक्त, आम्ही सर्व-कार्बन ट्रान्झिस्टरवरील सर्व अलीकडील कामांचा सारांश दिला (टेबल S2 पहा) (४७–५२). इलास्टोमर्सवर डिव्हाइस फॅब्रिकेशन ऑप्टिमाइझ करून आणि संपर्क म्हणून MGG चा वापर करून, आमचे सर्व-कार्बन ट्रान्झिस्टर गतिशीलता आणि हिस्टेरेसिस तसेच उच्च स्ट्रेचेबल असण्याच्या बाबतीत चांगली कामगिरी दर्शवतात.
पूर्णपणे पारदर्शक आणि स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टरचा वापर म्हणून, आम्ही त्याचा वापर LED च्या स्विचिंग नियंत्रित करण्यासाठी केला (आकृती 6A). आकृती 6B मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, हिरवा LED थेट वर ठेवलेल्या स्ट्रेचेबल ऑल-कार्बन उपकरणाद्वारे स्पष्टपणे दिसू शकतो. ~100% पर्यंत स्ट्रेचेंग करताना (आकृती 6, C आणि D), LED प्रकाशाची तीव्रता बदलत नाही, जी वर वर्णन केलेल्या ट्रान्झिस्टर कामगिरीशी सुसंगत आहे (चित्रपट S1 पहा). ग्राफीन इलेक्ट्रोड वापरून बनवलेल्या स्ट्रेचेबल कंट्रोल युनिट्सचा हा पहिला अहवाल आहे, जो ग्राफीन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी एक नवीन शक्यता दर्शवितो.
(अ) LED चालविण्यासाठी ट्रान्झिस्टरचे सर्किट. GND, ग्राउंड. (ब) हिरव्या LED वर ०% स्ट्रेनवर बसवलेल्या स्ट्रेचेबल आणि पारदर्शक ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टरचा फोटो. (क) LED स्विच करण्यासाठी वापरलेला ऑल-कार्बन पारदर्शक आणि स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टर LED वर ०% (डावीकडे) आणि ~१००% स्ट्रेन (उजवीकडे) बसवला जात आहे. अंतर बदल ताणले जात असल्याचे दर्शविण्यासाठी डिव्हाइसवरील पिवळ्या मार्करकडे पांढरे बाण निर्देशित करतात. (ड) एलईडी इलास्टोमरमध्ये ढकलून ताणलेल्या ट्रान्झिस्टरचे बाजूचे दृश्य.
शेवटी, आम्ही एक पारदर्शक वाहक ग्राफीन रचना विकसित केली आहे जी मोठ्या स्ट्रेन अंतर्गत स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड म्हणून उच्च चालकता राखते, जे स्टॅक केलेल्या ग्राफीन थरांमधील ग्राफीन नॅनोस्क्रोलद्वारे सक्षम केले जाते. इलास्टोमरवरील या द्वि- आणि त्रि-स्तरीय MGG इलेक्ट्रोड संरचना त्यांच्या 0% स्ट्रेन चालकतेपैकी अनुक्रमे 21 आणि 65% राखू शकतात, 100% पर्यंत उच्च स्ट्रेनवर, सामान्य मोनोलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोडसाठी 5% स्ट्रेनवर चालकतेचे पूर्ण नुकसान होते. ग्राफीन स्क्रोलचे अतिरिक्त वाहक मार्ग तसेच हस्तांतरित थरांमधील कमकुवत परस्परसंवाद स्ट्रेन अंतर्गत उत्कृष्ट चालकता स्थिरतेत योगदान देतात. आम्ही ऑल-कार्बन स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टर तयार करण्यासाठी ही ग्राफीन रचना पुढे लागू केली. आतापर्यंत, बकलिंग न वापरता सर्वोत्तम पारदर्शकता असलेले हे सर्वात स्ट्रेचेबल ग्राफीन-आधारित ट्रान्झिस्टर आहे. जरी सध्याचा अभ्यास स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी ग्राफीन सक्षम करण्यासाठी केला गेला असला तरी, आम्हाला विश्वास आहे की स्ट्रेचेबल 2D इलेक्ट्रॉनिक्स सक्षम करण्यासाठी हा दृष्टिकोन इतर 2D सामग्रीवर वाढवता येऊ शकतो.
मोठ्या क्षेत्राचे CVD ग्राफीन ०.५ मीटरच्या सतत दाबाखाली निलंबित Cu फॉइल्स (९९.९९९%; अल्फा एसर) वर वाढवले ​​गेले, ज्यामध्ये १०००°C वर ५०-SCCM (मानक घन सेंटीमीटर प्रति मिनिट) CH4 आणि २०-SCCM H2 हे पूर्वसूचक होते. Cu फॉइलच्या दोन्ही बाजूंना मोनोलेयर ग्राफीनने झाकले गेले. Cu फॉइलच्या एका बाजूला PMMA (२००० rpm; A4, मायक्रोकेम) चा पातळ थर फिरवला गेला, ज्यामुळे PMMA/G/Cu फॉइल/G रचना तयार झाली. त्यानंतर, संपूर्ण फिल्म ०.१ M अमोनियम पर्सल्फेट [(NH4)2S2O8] द्रावणात सुमारे २ तास भिजवली गेली जेणेकरून Cu फॉइल कोरले जाईल. या प्रक्रियेदरम्यान, असुरक्षित बॅकसाइड ग्राफीन प्रथम धान्याच्या सीमांवर फाडले गेले आणि नंतर पृष्ठभागावरील ताणामुळे स्क्रोलमध्ये गुंडाळले गेले. स्क्रोल PMMA-समर्थित वरच्या ग्राफीन फिल्मवर जोडले गेले, ज्यामुळे PMMA/G/G स्क्रोल तयार झाले. त्यानंतर फिल्म्स अनेक वेळा डीआयोनाइज्ड पाण्यात धुतल्या गेल्या आणि कठोर SiO2/Si किंवा प्लास्टिक सब्सट्रेटसारख्या लक्ष्य सब्सट्रेटवर ठेवल्या गेल्या. सब्सट्रेटवर जोडलेली फिल्म सुकताच, नमुना अनुक्रमे एसीटोन, 1:1 एसीटोन/IPA (आयसोप्रोपाइल अल्कोहोल) आणि IPA मध्ये प्रत्येकी 30 सेकंदांसाठी PMMA काढून टाकण्यासाठी भिजवला गेला. फिल्म्स 100°C वर 15 मिनिटांसाठी गरम केले गेले किंवा G/G स्क्रोलचा दुसरा थर त्यावर हस्तांतरित करण्यापूर्वी अडकलेले पाणी पूर्णपणे काढून टाकण्यासाठी रात्रभर व्हॅक्यूममध्ये ठेवले गेले. हे पाऊल सब्सट्रेटमधून ग्राफीन फिल्म वेगळे होऊ नये आणि PMMA वाहक थर सोडताना MGGs चे पूर्ण कव्हरेज सुनिश्चित करण्यासाठी होते.
MGG संरचनेचे आकारविज्ञान ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप (Leica) आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (1 kV; FEI) वापरून निरीक्षण करण्यात आले. G स्क्रोलच्या तपशीलांचे निरीक्षण करण्यासाठी टॅपिंग मोडमध्ये एक अणुबल बल सूक्ष्मदर्शक (नॅनोस्कोप III, डिजिटल इन्स्ट्रुमेंट) चालवण्यात आला. अल्ट्राव्हायोलेट-दृश्यमान स्पेक्ट्रोमीटर (Agilent Cary 6000i) द्वारे फिल्म पारदर्शकता तपासण्यात आली. जेव्हा स्ट्रेन प्रवाहाच्या लंब दिशेने होता तेव्हा चाचण्यांसाठी, फोटोलिथोग्राफी आणि O2 प्लाझ्माचा वापर ग्राफीन संरचनांना पट्ट्यांमध्ये (~300 μm रुंद आणि ~2000 μm लांब) नमुना करण्यासाठी केला गेला आणि Au (50 nm) इलेक्ट्रोड लांब बाजूच्या दोन्ही टोकांवर शॅडो मास्क वापरून थर्मली जमा केले गेले. त्यानंतर ग्राफीन स्ट्रिप्सना SEBS इलास्टोमर (~2 सेमी रुंद आणि ~5 सेमी लांब) च्या संपर्कात ठेवण्यात आले, स्ट्रिप्सचा लांब अक्ष SEBS च्या लहान बाजूस समांतर होता आणि त्यानंतर BOE (बफर्ड ऑक्साईड एच) (HF:H2O 1:6) एचिंग आणि युटेक्टिक गॅलियम इंडियम (EGaIn) विद्युत संपर्क म्हणून वापरला गेला. समांतर स्ट्रेन चाचण्यांसाठी, नमुने नसलेले ग्राफीन स्ट्रक्चर (~5 × 10 मिमी) SEBS सब्सट्रेट्सवर हस्तांतरित केले गेले, SEBS सब्सट्रेटच्या लांब बाजूस समांतर लांब अक्षांसह. दोन्ही प्रकरणांमध्ये, संपूर्ण G (G स्क्रोलशिवाय)/SEBS मॅन्युअल उपकरणात इलास्टोमरच्या लांब बाजूने ताणले गेले आणि स्थितीत, आम्ही सेमीकंडक्टर विश्लेषक (कीथली 4200-SCS) असलेल्या प्रोब स्टेशनवर ताणाखाली त्यांचे प्रतिकार बदल मोजले.
पॉलिमर डायलेक्ट्रिक आणि सब्सट्रेटचे सेंद्रिय सॉल्व्हेंट नुकसान टाळण्यासाठी लवचिक सब्सट्रेटवरील अत्यंत स्ट्रेचेबल आणि पारदर्शक ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टर खालील प्रक्रियांद्वारे तयार केले गेले. एमजीजी स्ट्रक्चर्स SEBS वर गेट इलेक्ट्रोड म्हणून हस्तांतरित केले गेले. एकसमान पातळ-फिल्म पॉलिमर डायलेक्ट्रिक थर (2 μm जाड) मिळविण्यासाठी, SEBS टोल्युइन (80 mg/ml) द्रावण 1 मिनिटासाठी 1000 rpm वर ऑक्टाडेसिलट्रायक्लोरोसिलेन (OTS)-सुधारित SiO2/Si सब्सट्रेटवर स्पिन-लेपित केले गेले. पातळ डायलेक्ट्रिक फिल्म हायड्रोफोबिक OTS पृष्ठभागावरून तयार केलेल्या ग्राफीनने झाकलेल्या SEBS सब्सट्रेटवर सहजपणे हस्तांतरित केली जाऊ शकते. LCR (इंडक्टन्स, कॅपेसिटन्स, रेझिस्टन्स) मीटर (एजिलेंट) वापरून स्ट्रेनचे कार्य म्हणून कॅपेसिटन्स निश्चित करण्यासाठी द्रव-धातू (EGaIn; सिग्मा-अल्ड्रिच) टॉप इलेक्ट्रोड जमा करून कॅपेसिटर बनवता येतो. ट्रान्झिस्टरच्या दुसऱ्या भागात पूर्वी नोंदवलेल्या प्रक्रियांचे अनुसरण करून पॉलिमर-सॉर्ट केलेले सेमीकंडक्टिंग CNTs होते (53). नमुन्यातील स्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड हे कठोर SiO2/Si सब्सट्रेट्सवर तयार केले गेले. त्यानंतर, डायलेक्ट्रिक/G/SEBS आणि CNTs/पॅटर्न केलेले G/SiO2/Si हे दोन भाग एकमेकांना लॅमिनेट केले गेले आणि कठोर SiO2/Si सब्सट्रेट काढून टाकण्यासाठी BOE मध्ये भिजवले गेले. अशा प्रकारे, पूर्णपणे पारदर्शक आणि स्ट्रेचेबल ट्रान्झिस्टर तयार केले गेले. उपरोक्त पद्धतीनुसार मॅन्युअल स्ट्रेचिंग सेटअपवर ताणाखाली विद्युत चाचणी केली गेली.
या लेखासाठी पूरक साहित्य http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 येथे उपलब्ध आहे.
आकृती १. वेगवेगळ्या वाढीवर SiO2/Si सब्सट्रेट्सवरील मोनोलेयर MGG च्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी प्रतिमा.
आकृती S4. मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेयर प्लेन ग्राफीन (काळे चौरस), MGG (लाल वर्तुळे) आणि CNTs (निळा त्रिकोण) च्या 550 nm वर दोन-प्रोब शीट रेझिस्टन्स आणि ट्रान्समिटन्सची तुलना.
आकृती S7. अनुक्रमे ४० आणि ९०% समांतर स्ट्रेन पर्यंत लोडिंग करून ~१००० चक्रीय स्ट्रेन अंतर्गत मोनो- आणि बायलेयर MGGs (काळा) आणि G (लाल) चे सामान्यीकृत प्रतिकार बदल.
आकृती १०. स्ट्रेननंतर SEBS इलास्टोमरवर ट्रायलेयर MGG ची SEM प्रतिमा, अनेक क्रॅकवर एक लांब स्क्रोल क्रॉस दर्शवित आहे.
आकृती S12. २०% स्ट्रेनवर अतिशय पातळ SEBS इलास्टोमरवर ट्रायलेयर MGG ची AFM प्रतिमा, ज्यामध्ये एक स्क्रोल एका भेगावरून जात असल्याचे दिसून येते.
टेबल S1. स्ट्रेनच्या आधी आणि नंतर वेगवेगळ्या चॅनेल लांबीवर बायलेयर MGG-सिंगल-वॉल्ड कार्बन नॅनोट्यूब ट्रान्झिस्टरची गतिशीलता.
हा एक मुक्त-प्रवेश लेख आहे जो क्रिएटिव्ह कॉमन्स अॅट्रिब्यूशन-नॉन-कमर्शियल परवान्याच्या अटींनुसार वितरित केला जातो, जो कोणत्याही माध्यमात वापर, वितरण आणि पुनरुत्पादन करण्यास परवानगी देतो, जोपर्यंत परिणामी वापर व्यावसायिक फायद्यासाठी नाही आणि मूळ काम योग्यरित्या उद्धृत केले असल्यास.
टीप: आम्ही फक्त तुमचा ईमेल पत्ता मागतो जेणेकरून तुम्ही ज्या व्यक्तीला पेजची शिफारस करत आहात त्याला कळेल की तुम्हाला ते पहायचे आहे आणि ते जंक मेल नाही. आम्ही कोणताही ईमेल पत्ता कॅप्चर करत नाही.
हा प्रश्न तुम्ही मानवी अभ्यागत आहात की नाही हे तपासण्यासाठी आणि स्वयंचलित स्पॅम सबमिशन रोखण्यासाठी आहे.
नान लिऊ, ॲलेक्स चोरटोस, टिंग लेई, लिहुआ जिन, ताएहो रॉय किम, वॉन-ग्यु बे, चेन्क्सिन झू, सिहॉन्ग वांग, राफेल फॅटनर, झियुआन चेन, रॉबर्ट सिंक्लेअर, झेनान बाओ यांनी
नान लिऊ, ॲलेक्स चोरटोस, टिंग लेई, लिहुआ जिन, ताएहो रॉय किम, वॉन-ग्यु बे, चेन्क्सिन झू, सिहॉन्ग वांग, राफेल फॅटनर, झियुआन चेन, रॉबर्ट सिंक्लेअर, झेनान बाओ यांनी
© 2021 अमेरिकन असोसिएशन फॉर द ॲडव्हान्समेंट ऑफ सायन्स. सर्व हक्क राखीव. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef आणि COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 चे भागीदार आहे.