अत्यंत पारदर्शक आणि ताणता येण्याजोगे ग्राफीन इलेक्ट्रोड

ग्राफीनसारखे द्विमितीय पदार्थ, पारंपरिक सेमीकंडक्टर अनुप्रयोगांसाठी आणि लवचिक इलेक्ट्रॉनिक्समधील उदयोन्मुख अनुप्रयोगांसाठी आकर्षक आहेत. तथापि, ग्राफीनच्या उच्च ताणशक्तीमुळे कमी ताणावरही ते तुटते, ज्यामुळे ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रॉनिक्समध्ये त्याच्या विलक्षण इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांचा फायदा घेणे आव्हानात्मक ठरते. पारदर्शक ग्राफीन वाहकांची ताणावर अवलंबून असलेली उत्कृष्ट कामगिरी शक्य करण्यासाठी, आम्ही एकावर एक रचलेल्या ग्राफीनच्या थरांमध्ये ग्राफीन नॅनोस्क्रॉल्स तयार केले, ज्यांना मल्टीलेयर ग्राफीन/ग्राफीन स्क्रोल्स (MGGs) असे संबोधले जाते. ताणाखाली, काही स्क्रोल्सनी ग्राफीनच्या विखंडित भागांना जोडून एक पारगम्य जाळे (percolating network) टिकवून ठेवले, ज्यामुळे उच्च ताणावरही उत्कृष्ट वाहकता शक्य झाली. इलास्टोमर्सवर आधारलेल्या त्रिस्तरीय MGGs ने १००% ताणावर त्यांच्या मूळ वाहकतेपैकी ६५% वाहकता टिकवून ठेवली, जो विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंब असतो, तर नॅनोस्क्रॉल्सशिवाय असलेल्या ग्राफीनच्या त्रिस्तरीय फिल्म्सनी त्यांच्या सुरुवातीच्या वाहकतेपैकी केवळ २५% वाहकता टिकवून ठेवली. इलेक्ट्रोड म्हणून MGG वापरून तयार केलेल्या ताणता येण्याजोग्या संपूर्ण-कार्बन ट्रान्झिस्टरने >९०% पारगम्यता दर्शवली आणि १२०% ताणाखाली (चार्ज वहनाच्या दिशेला समांतर) त्याच्या मूळ विद्युत प्रवाहापैकी ६०% प्रवाह टिकवून ठेवला. हे अत्यंत ताणता येण्याजोगे आणि पारदर्शक संपूर्ण-कार्बन ट्रान्झिस्टर अत्याधुनिक ताणता येण्याजोग्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्सला सक्षम करू शकतात.
ताणता येण्याजोगे पारदर्शक इलेक्ट्रॉनिक्स हे एक वाढते क्षेत्र आहे, ज्याचे प्रगत जैव-एकीकृत प्रणालींमध्ये (१, २) महत्त्वाचे उपयोग आहेत, तसेच अत्याधुनिक सॉफ्ट रोबोटिक्स आणि डिस्प्ले तयार करण्यासाठी ताणता येण्याजोग्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्ससोबत (३, ४) एकत्रित होण्याची क्षमता आहे. ग्राफीनमध्ये अणूइतकी जाडी, उच्च पारदर्शकता आणि उच्च चालकता हे अत्यंत इष्ट गुणधर्म आहेत, परंतु थोड्याशा ताणानेही तडकण्याच्या प्रवृत्तीमुळे ताणता येण्याजोग्या उपयोगांमध्ये त्याचा वापर मर्यादित राहिला आहे. ग्राफीनच्या यांत्रिक मर्यादांवर मात केल्यास ताणता येण्याजोग्या पारदर्शक उपकरणांमध्ये नवीन कार्यक्षमता शक्य होऊ शकते.
ग्राफीनचे अद्वितीय गुणधर्म त्याला पुढच्या पिढीतील पारदर्शक प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड्ससाठी एक प्रबळ दावेदार बनवतात (5, 6). सर्वात सामान्यपणे वापरल्या जाणाऱ्या पारदर्शक प्रवाहक, इंडियम टिन ऑक्साईड [ITO; 90% पारदर्शकतेवर 100 ओहम/स्क्वेअर (sq)] च्या तुलनेत, केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (CVD) द्वारे वाढवलेल्या मोनोलेअर ग्राफीनमध्ये शीट रेझिस्टन्स (125 ओहम/स्क्वेअर) आणि पारदर्शकता (97.4%) यांचे समान संयोजन असते (5). याव्यतिरिक्त, ITO च्या तुलनेत ग्राफीन फिल्म्समध्ये विलक्षण लवचिकता असते (7). उदाहरणार्थ, प्लास्टिक सब्सट्रेटवर, 0.8 मिमी इतक्या लहान वक्रता त्रिज्येसाठी देखील त्याची प्रवाहकता टिकवून ठेवली जाऊ शकते (8). एक पारदर्शक लवचिक प्रवाहक म्हणून त्याची विद्युत कार्यक्षमता आणखी वाढवण्यासाठी, पूर्वीच्या कामांमध्ये एक-मितीय (1D) सिल्व्हर नॅनोवायर किंवा कार्बन नॅनोट्यूब (CNTs) सह ग्राफीन हायब्रीड सामग्री विकसित केली गेली आहे (9-11). शिवाय, ग्राफीनचा वापर मिश्र आयामी हेटरोस्ट्रक्चरल सेमीकंडक्टर (जसे की 2D बल्क Si, 1D नॅनोवायर/नॅनोट्यूब आणि 0D क्वांटम डॉट्स) (12), लवचिक ट्रान्झिस्टर, सौर पेशी आणि प्रकाश-उत्सर्जक डायोड (LEDs) (13-23) साठी इलेक्ट्रोड म्हणून केला गेला आहे.
जरी ग्राफीनने लवचिक इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी आश्वासक परिणाम दाखवले असले तरी, ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रॉनिक्समधील त्याचा वापर त्याच्या यांत्रिक गुणधर्मांमुळे मर्यादित राहिला आहे (17, 24, 25); ग्राफीनची इन-प्लेन स्टिफनेस 340 N/m आणि यंग्स मॉड्युलस 0.5 TPa आहे (26). मजबूत कार्बन-कार्बन नेटवर्क लागू केलेल्या ताणासाठी कोणतीही ऊर्जा क्षय यंत्रणा प्रदान करत नाही आणि म्हणूनच 5% पेक्षा कमी ताणावर सहजपणे तडकते. उदाहरणार्थ, पॉलीडायमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) लवचिक सब्सट्रेटवर स्थानांतरित केलेले CVD ग्राफीन केवळ 6% पेक्षा कमी ताणावर आपली चालकता टिकवून ठेवू शकते (8). सैद्धांतिक गणिते दर्शवतात की चुरगळणे आणि वेगवेगळ्या थरांमधील आंतरक्रिया स्टिफनेसमध्ये मोठ्या प्रमाणात घट करेल (26). ग्राफीनला अनेक थरांमध्ये रचून, असे नोंदवले गेले आहे की हे द्वि- किंवा त्रि-स्तरीय ग्राफीन 30% ताणापर्यंत ताणता येते, जे एक-स्तरीय ग्राफीनच्या तुलनेत 13 पट कमी प्रतिरोध बदल दर्शवते (27). तथापि, ही ताणण्याची क्षमता अजूनही अत्याधुनिक ताणता येण्याजोग्या वाहकांच्या तुलनेत लक्षणीयरीत्या निकृष्ट आहे (28, 29).
ताणता येण्याजोग्या अनुप्रयोगांमध्ये ट्रान्झिस्टर महत्त्वाचे आहेत कारण ते अत्याधुनिक सेन्सर रीडआउट आणि सिग्नल विश्लेषणास सक्षम करतात (30, 31). सोर्स/ड्रेन इलेक्ट्रोड आणि चॅनल मटेरियल म्हणून मल्टीलेयर ग्राफीन असलेले PDMS वरील ट्रान्झिस्टर 5% ताणापर्यंत विद्युत कार्य टिकवून ठेवू शकतात (32), जे वेअरेबल आरोग्य-निगरानी सेन्सर आणि इलेक्ट्रॉनिक त्वचेसाठी आवश्यक असलेल्या किमान मूल्यापेक्षा (~50%) लक्षणीयरीत्या कमी आहे (33, 34). अलीकडे, ग्राफीन किरिगामी पद्धतीचा शोध घेण्यात आला आहे, आणि द्रव इलेक्ट्रोलाइटद्वारे गेट केलेला ट्रान्झिस्टर 240% पर्यंत ताणला जाऊ शकतो (35). तथापि, या पद्धतीसाठी निलंबित ग्राफीनची आवश्यकता असते, ज्यामुळे निर्मिती प्रक्रिया गुंतागुंतीची होते.
येथे, आम्ही ग्राफीनच्या थरांमध्ये ग्राफीन स्क्रोल (~१ ते २० μm लांब, ~०.१ ते १ μm रुंद आणि ~१० ते १०० nm उंच) अंतर्भूत करून अत्यंत ताणता येण्याजोगी ग्राफीन उपकरणे मिळवतो. आमचा असा अंदाज आहे की, हे ग्राफीन स्क्रोल ग्राफीनच्या थरांमधील भेगा जोडण्यासाठी प्रवाहकीय मार्ग प्रदान करू शकतात, ज्यामुळे ताणाखाली उच्च प्रवाहकता टिकून राहते. या ग्राफीन स्क्रोलसाठी अतिरिक्त संश्लेषण किंवा प्रक्रियेची आवश्यकता नसते; ते वेट ट्रान्सफर प्रक्रियेदरम्यान नैसर्गिकरित्या तयार होतात. मल्टीलेयर G/G (ग्राफीन/ग्राफीन) स्क्रोल (MGGs), ग्राफीन ताणता येण्याजोगे इलेक्ट्रोड (सोर्स/ड्रेन आणि गेट) आणि सेमीकंडक्टिंग CNTs वापरून, आम्ही अत्यंत पारदर्शक आणि अत्यंत ताणता येण्याजोगे ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टर प्रदर्शित करू शकलो, जे १२०% ताणापर्यंत (चार्ज वहनाच्या दिशेला समांतर) ताणले जाऊ शकतात आणि त्यांच्या मूळ करंट आउटपुटपैकी ६०% टिकवून ठेवतात. हा आतापर्यंतचा सर्वात जास्त ताणता येण्याजोगा पारदर्शक कार्बन-आधारित ट्रान्झिस्टर आहे आणि तो एका अजैविक LED ला चालवण्यासाठी पुरेसा करंट प्रदान करतो.
मोठ्या क्षेत्राचे पारदर्शक ताणता येण्याजोगे ग्राफीन इलेक्ट्रोड तयार करण्यासाठी, आम्ही Cu फॉइलवर CVD-पद्धतीने वाढवलेले ग्राफीन निवडले. Cu फॉइलला CVD क्वार्ट्झ ट्यूबच्या मध्यभागी टांगले होते, ज्यामुळे दोन्ही बाजूंना ग्राफीनची वाढ होऊन G/Cu/G संरचना तयार झाली. ग्राफीन हस्तांतरित करण्यासाठी, आम्ही प्रथम ग्राफीनच्या एका बाजूचे संरक्षण करण्याकरिता पॉली(मिथाइल मेथॅक्रिलेट) (PMMA) चा एक पातळ थर स्पिन-कोट केला, ज्याला आम्ही टॉपसाइड ग्राफीन असे नाव दिले (ग्राफीनच्या दुसऱ्या बाजूसाठी याच्या उलट केले), आणि त्यानंतर, Cu फॉइल काढून टाकण्यासाठी संपूर्ण फिल्म (PMMA/टॉप ग्राफीन/Cu/बॉटम ग्राफीन) (NH4)2S2O8 द्रावणात भिजवली. PMMA कोटिंगशिवाय बॉटम-साइड ग्राफीनमध्ये अपरिहार्यपणे भेगा आणि दोष असतील, ज्यामुळे इचंट (etchant) त्यातून आत शिरू शकेल (36, 37). आकृती 1A मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, पृष्ठताणाच्या प्रभावाखाली, मुक्त झालेले ग्राफीन डोमेन्स गुंडाळून स्क्रोल बनले आणि त्यानंतर उर्वरित टॉप-G/PMMA फिल्मला चिकटले. टॉप-जी/जी स्क्रोल्स SiO2/Si, काच किंवा सॉफ्ट पॉलिमर यांसारख्या कोणत्याही सब्सट्रेटवर स्थानांतरित केले जाऊ शकतात. त्याच सब्सट्रेटवर ही स्थानांतरण प्रक्रिया अनेक वेळा पुन्हा केल्याने MGG संरचना मिळतात.
(अ) ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रोड म्हणून MGGs च्या निर्मिती प्रक्रियेचे योजनाबद्ध चित्रण. ग्राफीन हस्तांतरणादरम्यान, Cu फॉइलवरील मागील बाजूचे ग्राफीन सीमा आणि दोषांवर तोडले गेले, अनियंत्रित आकारात गुंडाळले गेले आणि वरच्या फिल्म्सवर घट्टपणे जोडले गेले, ज्यामुळे नॅनोस्क्रॉल्स तयार झाले. चौथे कार्टून रचलेली MGG रचना दर्शवते. (ब आणि क) मोनोलेअर MGG चे उच्च-रिझोल्यूशन TEM वैशिष्ट्यीकरण, अनुक्रमे मोनोलेअर ग्राफीन (ब) आणि स्क्रोल (क) क्षेत्रावर लक्ष केंद्रित करून. (ब) मधील इनसेट ही कमी-विस्तारित प्रतिमा आहे जी TEM ग्रिडवरील मोनोलेअर MGGs ची एकूण रचना दर्शवते. (क) मधील इनसेट हे प्रतिमेत दर्शविलेल्या आयताकृती बॉक्सच्या बाजूने घेतलेले तीव्रता प्रोफाइल आहेत, जिथे अणूंच्या पातळ्यांमधील अंतर ०.३४ आणि ०.४१ nm आहे. (ड) कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम, ज्यामध्ये वैशिष्ट्यपूर्ण ग्राफिटिक π* आणि σ* शिखरे चिन्हांकित आहेत. (इ) पिवळ्या ठिपक्यांच्या रेषेनुसार उंचीचा आलेख दर्शवणारी, एकस्तरीय G/G स्क्रोलची छेदात्मक AFM प्रतिमा. (एफ ते आय) अनुक्रमे ३००-एनएम-जाड SiO2/Si सब्सट्रेटवरील, स्क्रोलशिवाय (एफ आणि एच) आणि स्क्रोलसह (जी आणि आय) असलेल्या त्रिस्तरीय G च्या ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी आणि AFM प्रतिमा. त्यांमधील फरक ठळकपणे दाखवण्यासाठी प्रातिनिधिक स्क्रोल आणि सुरकुत्यांना नावे दिली आहेत.
हे स्क्रोल गुंडाळलेल्या ग्राफीन स्वरूपाचे आहेत हे सत्यापित करण्यासाठी, आम्ही मोनोलेअर टॉप-जी/जी स्क्रोल संरचनांवर उच्च-रिझोल्यूशन ट्रान्समिशन इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (TEM) आणि इलेक्ट्रॉन एनर्जी लॉस (EEL) स्पेक्ट्रोस्कोपी अभ्यास केले. आकृती 1B मोनोलेअर ग्राफीनची षटकोनी रचना दर्शवते, आणि इन्सेट हे TEM ग्रिडच्या एका कार्बन होलवर आच्छादित फिल्मचे एकूण स्वरूप आहे. मोनोलेअर ग्राफीन ग्रिडच्या बहुतेक भागावर पसरलेले आहे, आणि षटकोनी रिंगांच्या अनेक थरांच्या उपस्थितीत काही ग्राफीन फ्लेक्स दिसतात (आकृती 1B). एका स्क्रोलवर झूम केल्यावर (आकृती 1C), आम्हाला मोठ्या प्रमाणात ग्राफीन लॅटिस फ्रिंजेस दिसले, ज्यांचे लॅटिस स्पेसिंग 0.34 ते 0.41 nm च्या श्रेणीत होते. या मोजमापांवरून असे सूचित होते की हे फ्लेक्स यादृच्छिकपणे गुंडाळलेले आहेत आणि ते परिपूर्ण ग्रॅफाइट नाहीत, ज्याचे "ABAB" लेयर स्टॅकिंगमध्ये 0.34 nm चे लॅटिस स्पेसिंग असते. आकृती 1D मध्ये कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम दाखवला आहे, जिथे 285 eV वरील शिखर π* ऑर्बिटलमुळे आहे आणि 290 eV च्या आसपासचे दुसरे शिखर σ* ऑर्बिटलच्या संक्रमणामुळे आहे. यावरून असे दिसून येते की या संरचनेत sp2 बंधनाचे प्राबल्य आहे, जे हे सिद्ध करते की हे स्क्रोल्स मोठ्या प्रमाणात ग्राफायटिक आहेत.
ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी आणि ॲटोमिक फोर्स मायक्रोस्कोपी (AFM) प्रतिमा MGGs मधील ग्राफीन नॅनोस्क्रॉल्सच्या वितरणाबद्दल माहिती देतात (आकृती १, E ते G, आणि आकृत्या S1 आणि S2). हे स्क्रोल्स पृष्ठभागावर यादृच्छिकपणे (randomly) वितरित झालेले आहेत आणि त्यांची समतल घनता (in-plane density) रचलेल्या थरांच्या संख्येच्या प्रमाणात वाढते. अनेक स्क्रोल्स गाठींमध्ये गुंतलेले आहेत आणि त्यांची उंची १० ते १०० nm च्या दरम्यान असमान आहे. त्यांच्या सुरुवातीच्या ग्राफीन फ्लेक्सच्या आकारानुसार, ते १ ते २० μm लांब आणि ०.१ ते १ μm रुंद आहेत. आकृती १ (H आणि I) मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, स्क्रोल्सचा आकार सुरकुत्यांपेक्षा लक्षणीयरीत्या मोठा आहे, ज्यामुळे ग्राफीनच्या थरांमध्ये एक अधिक खडबडीत इंटरफेस तयार होतो.
विद्युत गुणधर्म मोजण्यासाठी, आम्ही फोटोलिथोग्राफीचा वापर करून स्क्रोल संरचना आणि थरांच्या रचनेसह किंवा त्याशिवाय ग्राफीन फिल्म्सना ३००-μm-रुंद आणि २०००-μm-लांब पट्ट्यांमध्ये पॅटर्न केले. सभोवतालच्या परिस्थितीत ताणाच्या कार्यानुसार टू-प्रोब प्रतिरोध मोजले गेले. स्क्रोलच्या उपस्थितीमुळे मोनोलेअर ग्राफीनची रोधकता ८०% ने कमी झाली, तर पारगम्यतेमध्ये केवळ २.२% घट झाली (आकृती S4). हे पुष्टी करते की नॅनोस्क्रोल, ज्यांची ५ × १०⁷ A/cm² पर्यंत उच्च विद्युत घनता आहे (३८, ३९), MGGs मध्ये खूप सकारात्मक विद्युत योगदान देतात. सर्व मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेअर प्लेन ग्राफीन आणि MGGs पैकी, ट्रायलेअर MGG मध्ये सर्वोत्तम चालकता आहे, ज्याची पारदर्शकता जवळपास ९०% आहे. साहित्यात नोंदवलेल्या ग्राफीनच्या इतर स्रोतांशी तुलना करण्यासाठी, आम्ही चार-प्रोब शीट रेझिस्टन्स (आकृती S5) देखील मोजले आणि आकृती 2A मध्ये 550 nm वरील ट्रान्समिटन्सच्या (आकृती S6) फंक्शन म्हणून त्यांची सूची दिली. MGG कृत्रिमरित्या रचलेल्या मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीन आणि रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड (RGO) (6, 8, 18) पेक्षा तुलनीय किंवा जास्त चालकता आणि पारदर्शकता दर्शवते. हे लक्षात घ्या की साहित्यातील कृत्रिमरित्या रचलेल्या मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीनचे शीट रेझिस्टन्स आमच्या MGG पेक्षा किंचित जास्त आहेत, कदाचित त्यांच्या वाढीच्या अ-इष्टतम परिस्थितीमुळे आणि हस्तांतरण पद्धतीमुळे.
(अ) विविध प्रकारच्या ग्राफीनसाठी ५५० एनएमवरील पारगम्यतेच्या तुलनेत फोर-प्रोब शीट रेझिस्टन्स, जिथे काळे चौरस मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेयर एमजीव्ही दर्शवतात; लाल वर्तुळे आणि निळे त्रिकोण अनुक्रमे ली एट अल. (6) आणि किम एट अल. (8) यांच्या अभ्यासातून Cu आणि Ni वर वाढवलेल्या आणि नंतर SiO2/Si किंवा क्वार्ट्झवर स्थानांतरित केलेल्या मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीनशी संबंधित आहेत; आणि हिरवे त्रिकोण बोनाकोर्सो एट अल. (18) यांच्या अभ्यासातून वेगवेगळ्या रिड्यूसिंग डिग्रीवरील आरजीओसाठीची मूल्ये आहेत. (ब आणि क) विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंब (ब) आणि समांतर (क) स्ट्रेनच्या कार्यानुसार मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेयर एमजीव्ही आणि जी मधील सामान्यीकृत रेझिस्टन्स बदल. (ड) ५०% लंब स्ट्रेनपर्यंत चक्रीय स्ट्रेन लोडिंग अंतर्गत बायलेयर जी (लाल) आणि एमजीव्ही (काळा) मधील सामान्यीकृत रेझिस्टन्स बदल. (इ) ९०% समांतर ताणापर्यंतच्या चक्रीय ताण भाराखाली ट्रायलेअर G (लाल) आणि MGG (काळा) यांच्या सामान्यीकृत रोधातील बदल. (फ) ताणाच्या फलनानुसार मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेअर G आणि बाय- आणि ट्रायलेअर MGGs यांच्या सामान्यीकृत धारकतेतील बदल. इनसेटमध्ये कपॅसिटरची रचना दर्शविली आहे, जिथे पॉलिमर सबस्ट्रेट SEBS आहे आणि पॉलिमर डायइलेक्ट्रिक थर २-μm-जाड SEBS आहे.
MGG च्या ताणावर अवलंबून असलेल्या कामगिरीचे मूल्यांकन करण्यासाठी, आम्ही ग्राफीन थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर स्टायरीन-इथिलीन-ब्युटाडाईन-स्टायरीन (SEBS) सब्सट्रेट्सवर (~२ सेमी रुंद आणि ~५ सेमी लांब) स्थानांतरित केले, आणि जेव्हा सब्सट्रेटला विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंब आणि समांतर अशा दोन्ही दिशांनी ताणले गेले (सामग्री आणि पद्धती पहा) तेव्हा चालकता मोजली गेली (आकृती २, B आणि C). नॅनोस्क्रॉल्सच्या समावेशाने आणि ग्राफीनच्या थरांची संख्या वाढवल्याने ताणावर अवलंबून असलेले विद्युत वर्तन सुधारले. उदाहरणार्थ, जेव्हा ताण विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंब असतो, तेव्हा मोनोलेअर ग्राफीनसाठी, स्क्रोल्सच्या जोडणीमुळे विद्युत तुटण्याच्या वेळी ताण ५% वरून ७०% पर्यंत वाढला. मोनोलेअर ग्राफीनच्या तुलनेत ट्रायलेअर ग्राफीनची ताण सहनशीलता देखील लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे. नॅनोस्क्रॉल्ससह, १००% लंब ताणावर, ट्रायलेअर MGG संरचनेचा रोध केवळ ५०% ने वाढला, तर स्क्रोल्सशिवाय ट्रायलेअर ग्राफीनसाठी हा रोध ३००% ने वाढला होता. चक्रीय ताण भाराखालील रोधातील बदलाचा अभ्यास केला गेला. तुलनेसाठी (आकृती २डी), ५०% लंबवत ताणाखाली एका साध्या बायलेअर ग्राफीन फिल्मचा रोध सुमारे ७०० आवर्तनांनंतर सुमारे ७.५ पटींनी वाढला आणि प्रत्येक आवर्तनात ताणासोबत वाढतच राहिला. याउलट, बायलेअर MGG चा रोध सुमारे ७०० आवर्तनांनंतर केवळ २.५ पटींनी वाढला. समांतर दिशेने ९०% पर्यंत ताण दिल्यावर, ट्रायलेअर ग्राफीनचा रोध १००० आवर्तनांनंतर सुमारे १०० पटींनी वाढला, तर ट्रायलेअर MGG मध्ये तो केवळ सुमारे ८ पटींनी वाढला (आकृती २ई). आवर्तनांचे परिणाम आकृती एस७ मध्ये दर्शविले आहेत. समांतर ताणाच्या दिशेने रोधामध्ये होणारी तुलनेने जलद वाढ ही भेगांची दिशा विद्युत प्रवाहाच्या दिशेला लंब असल्यामुळे होते. भारण आणि भारमुक्त ताणादरम्यान रोधातील विचलन हे SEBS इलास्टोमर सब्सट्रेटच्या व्हिस्कोइलास्टिक पुनर्प्राप्तीमुळे होते. सायकलिंग दरम्यान MGG पट्ट्यांचा अधिक स्थिर प्रतिकार हा मोठ्या स्क्रोलच्या उपस्थितीमुळे आहे जे ग्राफीनच्या तडकलेल्या भागांना जोडू शकतात (AFM द्वारे निरीक्षण केल्याप्रमाणे), ज्यामुळे पारगम्य मार्ग राखण्यास मदत होते. पारगम्य मार्गाने चालकता टिकवून ठेवण्याची ही घटना इलास्टोमर सब्सट्रेटवरील तडकलेल्या धातू किंवा सेमीकंडक्टर फिल्म्ससाठी यापूर्वी नोंदवली गेली आहे (40, 41).
ताणता येण्याजोग्या उपकरणांमध्ये गेट इलेक्ट्रोड म्हणून या ग्राफीन-आधारित फिल्म्सचे मूल्यांकन करण्यासाठी, आम्ही ग्राफीनच्या थरावर SEBS डायलेक्ट्रिक थर (२ μm जाडीचा) चढवला आणि ताणानुसार डायलेक्ट्रिक कॅपॅसिटन्स बदलाचे निरीक्षण केले (तपशिलांसाठी आकृती २F आणि पूरक साहित्य पहा). आमच्या असे लक्षात आले की, ग्राफीनच्या इन-प्लेन चालकतेच्या नुकसानीमुळे साध्या मोनोलेअर आणि बायलेअर ग्राफीन इलेक्ट्रोडसह कॅपॅसिटन्स झपाट्याने कमी झाले. याउलट, MGGs तसेच साध्या ट्रायलेअर ग्राफीनद्वारे गेट केलेल्या कॅपॅसिटन्समध्ये ताणानुसार वाढ दिसून आली, जी ताणामुळे डायलेक्ट्रिकची जाडी कमी होत असल्याने अपेक्षित आहे. कॅपॅसिटन्समधील अपेक्षित वाढ MGG संरचनेशी अगदी जुळली (आकृती S8). हे दर्शवते की MGG हे ताणता येण्याजोग्या ट्रान्झिस्टरसाठी गेट इलेक्ट्रोड म्हणून योग्य आहे.
विद्युत वाहकतेच्या ताण सहनशीलतेवर 1D ग्राफीन स्क्रोलच्या भूमिकेचा अधिक तपास करण्यासाठी आणि ग्राफीन थरांमधील अंतर अधिक चांगल्या प्रकारे नियंत्रित करण्यासाठी, आम्ही ग्राफीन स्क्रोलच्या जागी स्प्रे-कोटेड CNTs वापरले (पूरक साहित्य पहा). MGG संरचनांचे अनुकरण करण्यासाठी, आम्ही CNTs च्या तीन घनता जमा केल्या (म्हणजेच, CNT1
(A ते C) सीएनटीच्या तीन वेगवेगळ्या घनतेच्या एएफएम प्रतिमा (सीएनटी1
ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी इलेक्ट्रोड म्हणून त्यांची क्षमता अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यासाठी, आम्ही ताणाखाली असलेल्या MGG आणि G-CNT-G च्या आकारशास्त्राचा पद्धतशीरपणे अभ्यास केला. ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोपी (SEM) या प्रभावी वैशिष्ट्यीकरण पद्धती नाहीत कारण दोन्हींमध्ये रंग विरोधाभासाचा अभाव असतो आणि जेव्हा ग्राफीन पॉलिमर सब्सट्रेटवर असते तेव्हा इलेक्ट्रॉन स्कॅनिंग दरम्यान SEM मध्ये प्रतिमा कलाकृती निर्माण होतात (आकृत्या S9 आणि S10). ताणाखाली असलेल्या ग्राफीनच्या पृष्ठभागाचे जागेवरच निरीक्षण करण्यासाठी, आम्ही ट्रायलेयर MGGs आणि साध्या ग्राफीनचे अतिशय पातळ (~0.1 मिमी जाड) आणि लवचिक SEBS सब्सट्रेटवर स्थानांतरण केल्यानंतर AFM मोजमाप घेतले. CVD ग्राफीनमधील आंतरिक दोष आणि स्थानांतरण प्रक्रियेदरम्यान होणाऱ्या बाह्य नुकसानीमुळे, ताणलेल्या ग्राफीनवर अपरिहार्यपणे तडे निर्माण होतात आणि ताण वाढल्याने हे तडे अधिक दाट झाले (आकृती 4, A ते D). कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोडच्या स्टॅकिंग संरचनेनुसार, तडे वेगवेगळे आकारशास्त्र दर्शवतात (आकृती S11) (27). ताण दिल्यानंतर, मल्टीलेयर ग्राफीनची भेग क्षेत्र घनता (भेग क्षेत्र/विश्लेषण केलेले क्षेत्र म्हणून परिभाषित) मोनोलेयर ग्राफीनपेक्षा कमी असते, जे MGGs च्या विद्युत वाहकतेतील वाढीशी सुसंगत आहे. दुसरीकडे, ताणलेल्या फिल्ममध्ये भेगांना जोडणारे स्क्रोल अनेकदा दिसून येतात, जे अतिरिक्त प्रवाहकीय मार्ग प्रदान करतात. उदाहरणार्थ, आकृती 4B च्या प्रतिमेत दर्शवल्याप्रमाणे, ट्रायलेयर MGG मध्ये एका भेगेवरून एक रुंद स्क्रोल गेला होता, परंतु साध्या ग्राफीनमध्ये (आकृती 4, E ते H) कोणताही स्क्रोल दिसला नाही. त्याचप्रमाणे, CNTs ने देखील ग्राफीनमधील भेगांना जोडले (आकृती S11). फिल्म्सची भेग क्षेत्र घनता, स्क्रोल क्षेत्र घनता आणि खडबडीतपणा आकृती 4K मध्ये सारांशित केले आहेत.
(A ते H) अतिशय पातळ SEBS (~०.१ मिमी जाडीच्या) इलास्टोमरवरील ०, २०, ६०, आणि १००% स्ट्रेनवरील ट्रायलेअर G/G स्क्रोल (A ते D) आणि ट्रायलेअर G संरचनांच्या (E ते H) इन-सिटू AFM प्रतिमा. प्रातिनिधिक भेगा आणि स्क्रोल बाणांनी दर्शविले आहेत. सर्व AFM प्रतिमा १५ μm × १५ μm क्षेत्रात आहेत, आणि त्यासाठी लेबल केल्याप्रमाणेच कलर स्केल बार वापरला आहे. (I) SEBS सबस्ट्रेटवरील पॅटर्न केलेल्या मोनोलेअर ग्राफीन इलेक्ट्रोड्सची सिम्युलेशन भूमिती. (J) २०% बाह्य स्ट्रेनवर मोनोलेअर ग्राफीन आणि SEBS सबस्ट्रेटमधील कमाल प्रिन्सिपल लॉगरिदमिक स्ट्रेनचा सिम्युलेशन कॉन्टूर नकाशा. (K) वेगवेगळ्या ग्राफीन संरचनांसाठी भेगांच्या क्षेत्राची घनता (लाल स्तंभ), स्क्रोलच्या क्षेत्राची घनता (पिवळा स्तंभ), आणि पृष्ठभागाची खडबडपणा (निळा स्तंभ) यांची तुलना.
जेव्हा MGG फिल्म्स ताणल्या जातात, तेव्हा एक महत्त्वाची अतिरिक्त यंत्रणा कार्यरत असते, ज्याद्वारे हे स्क्रोल्स ग्राफीनच्या तडकलेल्या भागांना जोडून एक पारगम्य जाळे (percolating network) टिकवून ठेवतात. ग्राफीन स्क्रोल्स आशादायक आहेत कारण ते अनेक मायक्रोमीटर लांबीचे असू शकतात आणि त्यामुळे साधारणपणे मायक्रोमीटर स्केलपर्यंतच्या भेगांना जोडण्यास सक्षम असतात. शिवाय, हे स्क्रोल्स ग्राफीनच्या बहुस्तरीय थरांचे बनलेले असल्यामुळे, त्यांचा रोध कमी असण्याची अपेक्षा आहे. याउलट, तुलनीय प्रवाहकीय जोडणी क्षमता प्रदान करण्यासाठी तुलनेने दाट (कमी पारगम्यता असलेले) CNT नेटवर्क्स आवश्यक असतात, कारण CNTs हे स्क्रोल्सपेक्षा लहान (साधारणपणे काही मायक्रोमीटर लांबीचे) आणि कमी प्रवाहकीय असतात. दुसरीकडे, आकृती S12 मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, ताण सामावून घेण्यासाठी ग्राफीन ताणताना तडकते, तर स्क्रोल्स तडकत नाहीत, यावरून असे सूचित होते की स्क्रोल्स कदाचित खालच्या ग्राफीनवर घसरत असावेत. त्यांना तडे न जाण्याचे कारण बहुधा त्यांची गुंडाळलेली रचना आहे, जी ग्रॅफीनच्या अनेक थरांनी (~१ ते २० μm लांब, ~०.१ ते १ μm रुंद आणि ~१० ते १०० nm उंच) बनलेली असते, आणि जिचा प्रभावी मॉड्युलस एकल-थर ग्रॅफीनपेक्षा जास्त असतो. ग्रीन आणि हर्सम (42) यांनी नोंदवल्यानुसार, सीएनटींमधील मोठा जंक्शन प्रतिरोध असूनही, मेटॅलिक सीएनटी नेटवर्क्स (नळीचा व्यास १.० nm) <१०० ओहम/स्क्वेअर इतका कमी शीट प्रतिरोध साध्य करू शकतात. आपल्या ग्रॅफीन स्क्रोलची रुंदी ०.१ ते १ μm आहे आणि जी/जी स्क्रोलचा संपर्क क्षेत्र सीएनटींपेक्षा खूप मोठा आहे हे लक्षात घेता, ग्रॅफीन आणि ग्रॅफीन स्क्रोलमधील संपर्क प्रतिरोध आणि संपर्क क्षेत्र हे उच्च चालकता टिकवून ठेवण्यासाठी मर्यादा घालणारे घटक नसावेत.
ग्राफीनचा मॉड्युलस SEBS सबस्ट्रेटपेक्षा खूप जास्त आहे. जरी ग्राफीन इलेक्ट्रोडची प्रभावी जाडी सबस्ट्रेटपेक्षा खूपच कमी असली तरी, ग्राफीनची त्याच्या जाडीच्या पटीतील कडकपणा सबस्ट्रेटच्या कडकपणाशी तुलना करण्याजोगा आहे (43, 44), ज्यामुळे मध्यम स्वरूपाचा रिजिड-आयलंड इफेक्ट दिसून येतो. आम्ही SEBS सबस्ट्रेटवरील 1-nm-जाडीच्या ग्राफीनच्या विरूपणाचे सिम्युलेशन केले (तपशिलांसाठी पूरक साहित्य पहा). सिम्युलेशनच्या निकालांनुसार, जेव्हा SEBS सबस्ट्रेटवर बाहेरून 20% स्ट्रेन लावला जातो, तेव्हा ग्राफीनमधील सरासरी स्ट्रेन ~6.6% असतो (आकृती 4J आणि आकृती S13D), जे प्रायोगिक निरीक्षणांशी सुसंगत आहे (आकृती S13 पहा). आम्ही ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी वापरून पॅटर्न केलेल्या ग्राफीन आणि सबस्ट्रेट भागांमधील स्ट्रेनची तुलना केली आणि असे आढळले की सबस्ट्रेट भागातील स्ट्रेन हा ग्राफीन भागातील स्ट्रेनपेक्षा किमान दुप्पट आहे. हे सूचित करते की ग्राफीन इलेक्ट्रोड पॅटर्नवर लावलेला स्ट्रेन लक्षणीयरीत्या मर्यादित केला जाऊ शकतो, ज्यामुळे SEBS च्या वर ग्राफीनची कडक बेटे तयार होतात (26, 43, 44).
म्हणून, उच्च ताणाखाली उच्च चालकता टिकवून ठेवण्याची MGG इलेक्ट्रोड्सची क्षमता दोन प्रमुख यंत्रणांमुळे शक्य होते: (i) स्क्रोल्स तुटलेल्या भागांना जोडून एक प्रवाहकीय परकोलेशन मार्ग टिकवून ठेवू शकतात, आणि (ii) मल्टीलेयर ग्राफीन शीट्स/इलास्टोमर एकमेकांवरून सरकू शकतात, ज्यामुळे ग्राफीन इलेक्ट्रोड्सवरील ताण कमी होतो. इलास्टोमरवर स्थानांतरित केलेल्या ग्राफीनच्या अनेक थरांसाठी, थर एकमेकांना घट्ट जोडलेले नसतात, जे ताणाच्या प्रतिसादात सरकू शकतात (27). स्क्रोल्समुळे ग्राफीनच्या थरांचा खडबडीतपणा देखील वाढला, ज्यामुळे ग्राफीनच्या थरांमधील अंतर वाढण्यास मदत होऊ शकते आणि त्यामुळे ग्राफीनच्या थरांना सरकणे शक्य होते.
कमी खर्च आणि उच्च थ्रुपुटमुळे संपूर्ण-कार्बन उपकरणांना उत्साहाने स्वीकारले जात आहे. आमच्या बाबतीत, तळाशी ग्राफीन गेट, वरच्या बाजूला ग्राफीन सोर्स/ड्रेन कॉन्टॅक्ट, एक वर्गीकृत सीएनटी सेमीकंडक्टर आणि डायइलेक्ट्रिक म्हणून एसईबीएस वापरून संपूर्ण-कार्बन ट्रान्झिस्टर तयार केले गेले (आकृती ५अ). आकृती ५ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, सोर्स/ड्रेन आणि गेट म्हणून सीएनटी असलेले संपूर्ण-कार्बन उपकरण (तळाचे उपकरण) हे ग्राफीन इलेक्ट्रोड असलेल्या उपकरणापेक्षा (वरचे उपकरण) अधिक अपारदर्शक आहे. याचे कारण असे की, ग्राफीनसारखा शीट रेझिस्टन्स मिळवण्यासाठी सीएनटी नेटवर्कला जास्त जाडी आणि परिणामी, कमी ऑप्टिकल ट्रान्समिटन्सची आवश्यकता असते (आकृती एस४). आकृती ५ (क आणि ड) मध्ये बायलेअर एमजीजी इलेक्ट्रोड वापरून बनवलेल्या ट्रान्झिस्टरसाठी ताण येण्यापूर्वीचे प्रातिनिधिक ट्रान्सफर आणि आउटपुट वक्र दाखवले आहेत. ताण न आलेल्या ट्रान्झिस्टरची चॅनल रुंदी आणि लांबी अनुक्रमे ८०० आणि १०० μm होती. मोजलेले ऑन/ऑफ गुणोत्तर १०३ पेक्षा जास्त आहे, ज्यामध्ये ऑन आणि ऑफ प्रवाह अनुक्रमे १०⁻⁵ आणि १०⁻⁸ A पातळीवर आहेत. आउटपुट वक्र स्पष्ट गेट-व्होल्टेज अवलंबनासह आदर्श रेषीय आणि संपृक्तता अवस्था दर्शवितो, जे CNTs आणि ग्राफीन इलेक्ट्रोड्समधील आदर्श संपर्क दर्शवते (४५). ग्राफीन इलेक्ट्रोड्ससोबतचा संपर्क प्रतिरोध बाष्पीकृत Au फिल्मपेक्षा कमी असल्याचे दिसून आले (आकृती S14 पहा). ताणता येण्याजोग्या ट्रान्झिस्टरची संपृक्त गतिशीलता सुमारे ५.६ cm²/Vs आहे, जी ३००-nm SiO₂ डायलेक्ट्रिक थर असलेल्या कठोर Si सब्सट्रेट्सवरील त्याच पॉलिमर-वर्गीकृत CNT ट्रान्झिस्टरच्या गतिशीलतेसारखीच आहे. अनुकूलित ट्यूब घनता आणि इतर प्रकारच्या ट्यूब्ससह गतिशीलतेमध्ये पुढील सुधारणा शक्य आहे (४६).
(अ) ग्राफीन-आधारित ताणता येण्याजोग्या ट्रान्झिस्टरची योजना. SWNTs, सिंगल-वॉल्ड कार्बन नॅनोट्यूब. (ब) ग्राफीन इलेक्ट्रोड्स (वर) आणि CNT इलेक्ट्रोड्स (खाली) पासून बनवलेल्या ताणता येण्याजोग्या ट्रान्झिस्टरचा फोटो. पारदर्शकतेमधील फरक स्पष्टपणे दिसून येतो. (क आणि ड) ताण देण्यापूर्वी SEBS वरील ग्राफीन-आधारित ट्रान्झिस्टरचे ट्रान्सफर आणि आउटपुट वक्र. (इ आणि फ) वेगवेगळ्या ताणांवर ग्राफीन-आधारित ट्रान्झिस्टरचे ट्रान्सफर वक्र, ऑन आणि ऑफ करंट, ऑन/ऑफ रेशो आणि मोबिलिटी.
जेव्हा पारदर्शक, संपूर्ण-कार्बन उपकरण चार्ज वहनाच्या दिशेला समांतर दिशेने ताणले गेले, तेव्हा १२०% ताणापर्यंत किमान ऱ्हास दिसून आला. ताणण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान, गतिशीलता ०% ताणावरील ५.६ cm²/Vs पासून १२०% ताणावरील २.५ cm²/Vs पर्यंत सतत कमी झाली (आकृती ५F). आम्ही वेगवेगळ्या चॅनल लांबीसाठी ट्रान्झिस्टरच्या कामगिरीची तुलना देखील केली (तक्ता S1 पहा). विशेष म्हणजे, १०५% इतक्या मोठ्या ताणावरही, या सर्व ट्रान्झिस्टरनी उच्च ऑन/ऑफ गुणोत्तर (>१०३) आणि गतिशीलता (>३ cm²/Vs) दर्शविली. याव्यतिरिक्त, आम्ही संपूर्ण-कार्बन ट्रान्झिस्टरवरील सर्व अलीकडील कामाचा सारांश दिला आहे (तक्ता S2 पहा) (४७-५२). इलास्टोमरवर उपकरण निर्मिती अनुकूलित करून आणि संपर्क म्हणून MGGs वापरून, आमचे संपूर्ण-कार्बन ट्रान्झिस्टर गतिशीलता आणि हिस्टेरेसिसच्या बाबतीत चांगली कामगिरी दर्शवतात, तसेच ते अत्यंत ताणण्यायोग्य आहेत.
पूर्णपणे पारदर्शक आणि ताणता येण्याजोग्या ट्रान्झिस्टरचा एक उपयोग म्हणून, आम्ही त्याचा वापर एका LED चे स्विचिंग नियंत्रित करण्यासाठी केला (आकृती 6A). आकृती 6B मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, थेट वर ठेवलेल्या ताणता येण्याजोग्या संपूर्ण-कार्बन उपकरणातून हिरवा LED स्पष्टपणे दिसतो. सुमारे 100% पर्यंत ताणल्यावर (आकृती 6, C आणि D), LED च्या प्रकाशाची तीव्रता बदलत नाही, जे वर वर्णन केलेल्या ट्रान्झिस्टरच्या कामगिरीशी सुसंगत आहे (व्हिडिओ S1 पहा). ग्राफीन इलेक्ट्रोड्स वापरून बनवलेल्या ताणता येण्याजोग्या नियंत्रण युनिट्सचा हा पहिला अहवाल आहे, जो ग्राफीन ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी एक नवीन शक्यता दर्शवतो.
(A) LED चालवण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या ट्रान्झिस्टरचे सर्किट. GND, ग्राउंड. (B) हिरव्या LED च्या वर बसवलेल्या, ०% ताणावरील ताणता येण्याजोग्या आणि पारदर्शक संपूर्ण-कार्बन ट्रान्झिस्टरचा फोटो. (C) LED चालू-बंद करण्यासाठी वापरलेला संपूर्ण-कार्बन पारदर्शक आणि ताणता येण्याजोगा ट्रान्झिस्टर, LED च्या वर ०% (डावीकडे) आणि ~१००% ताणावर (उजवीकडे) बसवला जात आहे. ताणल्यामुळे होणारे अंतरातील बदल दाखवण्यासाठी, पांढरे बाण डिव्हाइसवरील पिवळ्या मार्करकडे निर्देशित करतात. (D) ताणलेल्या ट्रान्झिस्टरचे बाजूकडील दृश्य, ज्यामध्ये LED इलास्टोमरमध्ये आत ढकललेला आहे.
सारांशतः, आम्ही एक पारदर्शक प्रवाहकीय ग्राफीन संरचना विकसित केली आहे, जी ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रोड्सच्या रूपात मोठ्या ताणाखालीही उच्च प्रवाहकता टिकवून ठेवते. हे एकावर एक रचलेल्या ग्राफीन थरांमधील ग्राफीन नॅनोस्क्रॉल्समुळे शक्य झाले आहे. इलास्टोमरवरील या द्वि- आणि त्रि-स्तरीय MGG इलेक्ट्रोड संरचना, १००% इतक्या उच्च ताणाखालीही त्यांच्या ०% ताणावरील प्रवाहकतेच्या अनुक्रमे २१% आणि ६५% प्रवाहकता टिकवून ठेवू शकतात. याउलट, सामान्य एक-स्तरीय ग्राफीन इलेक्ट्रोड्समध्ये ५% ताणाखाली प्रवाहकता पूर्णपणे नष्ट होते. ग्राफीन स्क्रॉल्सचे अतिरिक्त प्रवाहकीय मार्ग तसेच स्थानांतरित थरांमधील कमकुवत आंतरक्रिया, ताणाखाली प्रवाहकतेच्या उत्कृष्ट स्थिरतेस हातभार लावतात. आम्ही पुढे या ग्राफीन संरचनेचा उपयोग करून संपूर्ण-कार्बन ताणता येण्याजोगे ट्रान्झिस्टर तयार केले. आतापर्यंत, बकलिंगचा वापर न करता सर्वोत्तम पारदर्शकतेसह, हा सर्वात जास्त ताणता येण्याजोगा ग्राफीन-आधारित ट्रान्झिस्टर आहे. जरी हा अभ्यास ग्राफीनला ताणता येण्याजोग्या इलेक्ट्रॉनिक्ससाठी सक्षम करण्याकरिता केला गेला असला तरी, आमचा विश्वास आहे की हा दृष्टिकोन इतर २डी पदार्थांपर्यंत वाढवून ताणता येण्याजोगे २डी इलेक्ट्रॉनिक्स सक्षम करता येऊ शकतात.
मोठ्या क्षेत्रावरील सीव्हीडी ग्राफीन, निलंबित तांब्याच्या फॉइल्सवर (९९.९९९%; अल्फा एसर) १०००°C तापमानावर, ०.५ mtorr च्या स्थिर दाबाखाली, ५०-SCCM (स्टँडर्ड क्यूबिक सेंटीमीटर प्रति मिनिट) CH4 आणि २०-SCCM H2 हे पूर्वगामी वायू वापरून वाढवण्यात आले. तांब्याच्या फॉइलच्या दोन्ही बाजूंना मोनोलेयर ग्राफीनने आच्छादित केले होते. तांब्याच्या फॉइलच्या एका बाजूला PMMA चा एक पातळ थर (२००० rpm; A4, मायक्रोकेम) स्पिन-कोट केला गेला, ज्यामुळे PMMA/G/Cu फॉइल/G रचना तयार झाली. त्यानंतर, तांब्याची फॉइल काढून टाकण्यासाठी संपूर्ण फिल्म सुमारे २ तासांसाठी ०.१ M अमोनियम पर्सल्फेट [(NH4)2S2O8] द्रावणात भिजवण्यात आली. या प्रक्रियेदरम्यान, असुरक्षित मागील बाजूचे ग्राफीन प्रथम कणांच्या सीमांवर फाटले आणि नंतर पृष्ठताणामुळे गुंडाळून स्क्रोल बनले. हे स्क्रोल PMMA-आधारित वरच्या ग्राफीन फिल्मला जोडले गेले, ज्यामुळे PMMA/G/G स्क्रोल तयार झाले. त्यानंतर फिल्म्स अनेक वेळा डीआयनाइज्ड पाण्यात धुतल्या गेल्या आणि एका लक्ष्य सब्सट्रेटवर, जसे की कडक SiO2/Si किंवा प्लास्टिक सब्सट्रेटवर, ठेवल्या गेल्या. सब्सट्रेटवर चिकटलेली फिल्म सुकल्याबरोबर, PMMA काढून टाकण्यासाठी नमुना अनुक्रमे ॲसिटोन, १:१ ॲसिटोन/IPA (आयसोप्रोपिल अल्कोहोल), आणि IPA मध्ये प्रत्येकी ३० सेकंदांसाठी भिजवला गेला. G/G स्क्रोलचा दुसरा थर त्यावर स्थानांतरित करण्यापूर्वी, अडकलेले पाणी पूर्णपणे काढून टाकण्यासाठी फिल्म्स १००°C वर १५ मिनिटांसाठी गरम केल्या गेल्या किंवा रात्रभर व्हॅक्यूममध्ये ठेवल्या गेल्या. PMMA वाहक थर सोडताना ग्राफीन फिल्म सब्सट्रेटपासून वेगळी होऊ नये आणि MGGs चे पूर्ण आच्छादन सुनिश्चित करण्यासाठी ही पायरी होती.
ऑप्टिकल मायक्रोस्कोप (लायका) आणि स्कॅनिंग इलेक्ट्रॉन मायक्रोस्कोप (१ केव्ही; एफईआय) वापरून एमजीजी संरचनेच्या आकारविज्ञानाचे निरीक्षण करण्यात आले. जी स्क्रोलचे तपशील पाहण्यासाठी ॲटोमिक फोर्स मायक्रोस्कोप (नॅनोस्कोप III, डिजिटल इन्स्ट्रुमेंट) टॅपिंग मोडमध्ये चालवण्यात आला. फिल्मची पारदर्शकता अल्ट्राव्हायोलेट-व्हिजिबल स्पेक्ट्रोमीटर (ॲजिलेंट कॅरी ६०००आय) द्वारे तपासण्यात आली. ज्या चाचण्यांमध्ये ताण विद्युत प्रवाहाच्या लंब दिशेने होता, त्यासाठी फोटोलिथोग्राफी आणि O2 प्लाझ्मा वापरून ग्राफीन संरचनांना पट्ट्यांमध्ये (~३०० μm रुंद आणि ~२००० μm लांब) आकार देण्यात आला, आणि लांब बाजूच्या दोन्ही टोकांना शॅडो मास्क वापरून Au (५० nm) इलेक्ट्रोड उष्णतेने जमा करण्यात आले. त्यानंतर ग्राफीनच्या पट्ट्या SEBS इलास्टोमरच्या (~२ सेमी रुंद आणि ~५ सेमी लांब) संपर्कात ठेवण्यात आल्या, ज्यात पट्ट्यांचा लांब अक्ष SEBS च्या लहान बाजूला समांतर होता. त्यानंतर BOE (बफर्ड ऑक्साइड एच) (HF:H2O १:६) एचिंग आणि विद्युत संपर्क म्हणून युटेक्टिक गॅलियम इंडियम (EGaIn) वापरण्यात आले. समांतर ताण चाचण्यांसाठी, नमुना नसलेल्या ग्राफीन संरचना (~५ × १० मिमी) SEBS सब्सट्रेटवर स्थानांतरित करण्यात आल्या, ज्यात लांब अक्ष SEBS सब्सट्रेटच्या लांब बाजूला समांतर होते. दोन्ही प्रकरणांमध्ये, संपूर्ण G (G स्क्रोलशिवाय)/SEBS एका मॅन्युअल उपकरणात इलास्टोमरच्या लांब बाजूने ताणले गेले आणि जागेवरच, आम्ही सेमीकंडक्टर विश्लेषक (कीथली ४२००-SCS) असलेल्या प्रोब स्टेशनवर ताणामुळे होणारे त्यांच्या रोधातील बदल मोजले.
पॉलिमर डायइलेक्ट्रिक आणि सबस्ट्रेटचे सेंद्रिय द्रावकांमुळे होणारे नुकसान टाळण्यासाठी, लवचिक सबस्ट्रेटवरील अत्यंत ताणता येण्याजोगे आणि पारदर्शक ऑल-कार्बन ट्रान्झिस्टर खालील प्रक्रियांनी तयार करण्यात आले. गेट इलेक्ट्रोड म्हणून MGG संरचना SEBS वर स्थानांतरित करण्यात आल्या. एकसमान पातळ-फिल्म पॉलिमर डायइलेक्ट्रिक थर (२ μm जाडीचा) मिळवण्यासाठी, SEBS टोल्युइन (८० mg/ml) द्रावण ऑक्टाडेसिलट्रायक्लोरोसिलिन (OTS)–सुधारित SiO2/Si सबस्ट्रेटवर १००० rpm वेगाने १ मिनिटासाठी स्पिन-कोट करण्यात आले. ही पातळ डायइलेक्ट्रिक फिल्म हायड्रोफोबिक OTS पृष्ठभागावरून, तयार केलेल्या ग्राफिनने आच्छादित SEBS सबस्ट्रेटवर सहजपणे स्थानांतरित केली जाऊ शकते. LCR (इंडक्टन्स, कपॅसिटन्स, रेझिस्टन्स) मीटर (ॲजिलेंट) वापरून स्ट्रेनच्या कार्यानुसार कपॅसिटन्स निश्चित करण्यासाठी, लिक्विड-मेटल (EGaIn; सिग्मा-अल्ड्रिच) टॉप इलेक्ट्रोड जमा करून एक कपॅसिटर बनवता आला. ट्रान्झिस्टरचा दुसरा भाग, पूर्वी नमूद केलेल्या कार्यपद्धती (53) नुसार, पॉलिमर-वर्गीकृत अर्धसंवाहक CNTs चा बनलेला होता. पॅटर्न केलेले सोर्स/ड्रेन इलेक्ट्रोड्स कडक SiO2/Si सबस्ट्रेट्सवर तयार करण्यात आले. त्यानंतर, डायलेक्ट्रिक/G/SEBS आणि CNTs/पॅटर्न केलेले G/SiO2/Si हे दोन भाग एकमेकांवर लॅमिनेट करण्यात आले आणि कडक SiO2/Si सबस्ट्रेट काढून टाकण्यासाठी BOE मध्ये भिजवण्यात आले. अशाप्रकारे, पूर्णपणे पारदर्शक आणि ताणता येण्याजोगे ट्रान्झिस्टर तयार करण्यात आले. ताणाखालील विद्युत चाचणी, वर नमूद केलेल्या पद्धतीनुसार, हाताने ताणण्याच्या सेटअपवर करण्यात आली.
या लेखासाठी पूरक साहित्य http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 येथे उपलब्ध आहे.
आकृती S1. SiO2/Si सब्सट्रेटवरील मोनोलेयर MGG च्या वेगवेगळ्या मॅग्निफिकेशनवरील ऑप्टिकल मायक्रोस्कोपी प्रतिमा.
आकृती S4. मोनो-, बाय- आणि ट्रायलेयर प्लेन ग्राफीन (काळे चौरस), MGG (लाल वर्तुळे), आणि CNTs (निळा त्रिकोण) यांच्या दोन-प्रोब शीट रेझिस्टन्स आणि ट्रान्समिटन्स @550 nm ची तुलना.
आकृती S7. अनुक्रमे 40 आणि 90% समांतर स्ट्रेन पर्यंत ~1000 चक्रीय स्ट्रेन लोडिंग अंतर्गत मोनो- आणि बायलेयर MGGs (काळा) आणि G (लाल) चा सामान्यीकृत प्रतिकार बदल.
आकृती S10. ताण दिल्यानंतर SEBS इलास्टोमरवरील ट्रायलेयर MGG ची SEM प्रतिमा, ज्यामध्ये अनेक भेगांवरून जाणारा एक लांब स्क्रोल क्रॉस दिसत आहे.
आकृती S12. 20% स्ट्रेनवर अतिशय पातळ SEBS इलास्टोमरवरील ट्रायलेयर MGG ची AFM प्रतिमा, ज्यामध्ये एक स्क्रोल क्रॅकवरून ओलांडला गेला आहे हे दर्शविते.
सारणी S1. ताण येण्यापूर्वी आणि नंतर वेगवेगळ्या चॅनेल लांबीवर बायलेयर MGG–सिंगल-वॉल्ड कार्बन नॅनोट्यूब ट्रान्झिस्टरची गतिशीलता.
हा एक मुक्त-प्रवेश लेख आहे जो क्रिएटिव्ह कॉमन्स ॲट्रिब्युशन-नॉन-कमर्शियल परवान्याच्या अटींनुसार वितरित केला जातो, जो कोणत्याही माध्यमात वापर, वितरण आणि पुनरुत्पादनास परवानगी देतो, जोपर्यंत परिणामी वापर व्यावसायिक फायद्यासाठी नाही आणि मूळ कामाचा योग्यरित्या संदर्भ दिला जातो.
टीप: आम्ही तुमचा ईमेल पत्ता फक्त यासाठी मागतो, जेणेकरून तुम्ही ज्या व्यक्तीला हे पेज सुचवत आहात, त्यांना कळावे की तुम्ही त्यांना हे दाखवावे अशी इच्छा व्यक्त केली होती आणि हा जंक मेल नाही. आम्ही कोणताही ईमेल पत्ता नोंदवून घेत 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.