अतिपारदर्शी और खिंचाव योग्य ग्राफीन इलेक्ट्रोड

ग्राफीन जैसी द्वि-आयामी सामग्रियां पारंपरिक अर्धचालक अनुप्रयोगों और लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स में उभरते अनुप्रयोगों दोनों के लिए आकर्षक हैं। हालांकि, ग्राफीन की उच्च तन्यता शक्ति के कारण कम तनाव पर भी यह टूट जाती है, जिससे खिंचाव योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में इसके असाधारण इलेक्ट्रॉनिक गुणों का लाभ उठाना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। पारदर्शी ग्राफीन चालकों के उत्कृष्ट तनाव-निर्भर प्रदर्शन को सक्षम करने के लिए, हमने स्टैक्ड ग्राफीन परतों के बीच ग्राफीन नैनोस्क्रॉल बनाए, जिन्हें मल्टीलेयर ग्राफीन/ग्राफीन स्क्रॉल (MGGs) कहा जाता है। तनाव के तहत, कुछ स्क्रॉल ने ग्राफीन के खंडित डोमेन को जोड़कर एक पारगम्य नेटवर्क बनाए रखा, जिससे उच्च तनाव पर उत्कृष्ट चालकता प्राप्त हुई। इलास्टोमर पर समर्थित त्रिस्तरीय MGGs ने 100% तनाव पर अपनी मूल चालकता का 65% बनाए रखा, जो धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत है, जबकि नैनोस्क्रॉल के बिना ग्राफीन की त्रिस्तरीय फिल्मों ने अपनी प्रारंभिक चालकता का केवल 25% ही बनाए रखा। एमजीजी को इलेक्ट्रोड के रूप में उपयोग करके निर्मित एक खिंचाव योग्य ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर ने 90% से अधिक पारगम्यता प्रदर्शित की और 120% तनाव (चार्ज परिवहन की दिशा के समानांतर) पर अपने मूल करंट आउटपुट का 60% बरकरार रखा। ये अत्यधिक खिंचाव योग्य और पारदर्शी ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर उन्नत खिंचाव योग्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स को संभव बना सकते हैं।
खिंचाव योग्य पारदर्शी इलेक्ट्रॉनिक्स एक उभरता हुआ क्षेत्र है जिसके उन्नत जैव-एकीकृत प्रणालियों (1, 2) में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं, साथ ही खिंचाव योग्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स (3, 4) के साथ एकीकृत होकर परिष्कृत सॉफ्ट रोबोटिक्स और डिस्प्ले बनाने की क्षमता भी है। ग्राफीन परमाणु मोटाई, उच्च पारदर्शिता और उच्च चालकता जैसे अत्यंत वांछनीय गुण प्रदर्शित करता है, लेकिन खिंचाव योग्य अनुप्रयोगों में इसका उपयोग कम खिंचाव पर दरार पड़ने की प्रवृत्ति के कारण बाधित रहा है। ग्राफीन की यांत्रिक सीमाओं को दूर करने से खिंचाव योग्य पारदर्शी उपकरणों में नई कार्यक्षमता संभव हो सकती है।
ग्राफीन के अद्वितीय गुण इसे अगली पीढ़ी के पारदर्शी चालक इलेक्ट्रोड के लिए एक मजबूत दावेदार बनाते हैं (5, 6)। सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले पारदर्शी चालक, इंडियम टिन ऑक्साइड [आईटीओ; 90% पारदर्शिता पर 100 ओम/वर्ग (sq)] की तुलना में, रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) द्वारा विकसित मोनोलेयर ग्राफीन में शीट प्रतिरोध (125 ओम/sq) और पारदर्शिता (97.4%) का समान संयोजन होता है (5)। इसके अलावा, ग्राफीन फिल्मों में आईटीओ की तुलना में असाधारण लचीलापन होता है (7)। उदाहरण के लिए, एक प्लास्टिक सब्सट्रेट पर, इसकी चालकता 0.8 मिमी जितनी छोटी वक्रता त्रिज्या के लिए भी बरकरार रखी जा सकती है (8)। ​​एक पारदर्शी लचीले चालक के रूप में इसके विद्युत प्रदर्शन को और बेहतर बनाने के लिए, पिछले कार्यों में एक-आयामी (1D) सिल्वर नैनोवायर या कार्बन नैनोट्यूब (CNT) के साथ ग्राफीन हाइब्रिड सामग्री विकसित की गई है (9-11)। इसके अलावा, ग्राफीन का उपयोग मिश्रित आयामी हेट्रोस्ट्रक्चरल सेमीकंडक्टर्स (जैसे 2डी बल्क Si, 1डी नैनोवायर/नैनोट्यूब, और 0डी क्वांटम डॉट्स) (12), लचीले ट्रांजिस्टर, सौर सेल और लाइट-एमिटिंग डायोड (एलईडी) (13-23) के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में किया गया है।
हालाँकि ग्राफीन ने लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आशाजनक परिणाम दिखाए हैं, लेकिन खिंचाव योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में इसका अनुप्रयोग इसके यांत्रिक गुणों (17, 24, 25) द्वारा सीमित रहा है; ग्राफीन की समतलीय कठोरता 340 N/m और यंग मापांक 0.5 TPa (26) है। मजबूत कार्बन-कार्बन नेटवर्क लागू तनाव के लिए कोई ऊर्जा क्षय तंत्र प्रदान नहीं करता है और इसलिए 5% से कम तनाव पर आसानी से टूट जाता है। उदाहरण के लिए, पॉलीडाइमिथाइलसिलोक्सेन (PDMS) लोचदार सब्सट्रेट पर स्थानांतरित CVD ग्राफीन केवल 6% से कम तनाव पर अपनी चालकता बनाए रख सकता है (8)। ​​सैद्धांतिक गणनाएँ दर्शाती हैं कि विभिन्न परतों के बीच सिकुड़न और परस्पर क्रिया से कठोरता में काफी कमी आनी चाहिए (26)। ग्राफीन को कई परतों में स्टैक करके, यह बताया गया है कि यह द्वि- या त्रिस्तरीय ग्राफीन 30% तनाव तक खिंचाव योग्य है, जो एकल-स्तरीय ग्राफीन की तुलना में 13 गुना कम प्रतिरोध परिवर्तन प्रदर्शित करता है (27)। हालाँकि, यह खिंचाव क्षमता अभी भी अत्याधुनिक खिंचाव योग्य कंडक्टरों (28, 29) से काफी कम है।
खिंचाव योग्य अनुप्रयोगों में ट्रांजिस्टर महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे परिष्कृत सेंसर रीडआउट और सिग्नल विश्लेषण को सक्षम बनाते हैं (30, 31)। स्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड और चैनल सामग्री के रूप में बहुपरत ग्राफीन के साथ पीडीएमएस पर ट्रांजिस्टर 5% तक तनाव पर विद्युत कार्यक्षमता बनाए रख सकते हैं (32), जो पहनने योग्य स्वास्थ्य-निगरानी सेंसर और इलेक्ट्रॉनिक त्वचा के लिए आवश्यक न्यूनतम मान (~50%) से काफी कम है (33, 34)। हाल ही में, ग्राफीन किरिगामी दृष्टिकोण का पता लगाया गया है, और तरल इलेक्ट्रोलाइट द्वारा नियंत्रित ट्रांजिस्टर को 240% तक खींचा जा सकता है (35)। हालांकि, इस विधि में निलंबित ग्राफीन की आवश्यकता होती है, जो निर्माण प्रक्रिया को जटिल बनाता है।
यहां, हमने ग्राफीन परतों के बीच ग्राफीन स्क्रॉल (~1 से 20 μm लंबे, ~0.1 से 1 μm चौड़े और ~10 से 100 nm ऊंचे) को अंतर्स्थापित करके अत्यधिक खिंचाव योग्य ग्राफीन उपकरण प्राप्त किए हैं। हमारा मानना ​​है कि ये ग्राफीन स्क्रॉल ग्राफीन शीट में दरारों को पाटने के लिए प्रवाहकीय पथ प्रदान कर सकते हैं, जिससे तनाव की स्थिति में भी उच्च चालकता बनी रहती है। ग्राफीन स्क्रॉल के लिए किसी अतिरिक्त संश्लेषण या प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं होती; ये गीले स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान स्वाभाविक रूप से बनते हैं। बहुपरत G/G (ग्राफीन/ग्राफीन) स्क्रॉल (MGGs) ग्राफीन खिंचाव योग्य इलेक्ट्रोड (स्रोत/ड्रेन और गेट) और अर्धचालक CNTs का उपयोग करके, हम अत्यधिक पारदर्शी और अत्यधिक खिंचाव योग्य ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर प्रदर्शित करने में सक्षम हुए हैं, जिन्हें 120% तक खिंचाव (चार्ज परिवहन की दिशा के समानांतर) दिया जा सकता है और ये अपने मूल करंट आउटपुट का 60% बनाए रखते हैं। यह अब तक का सबसे अधिक खिंचाव योग्य पारदर्शी कार्बन-आधारित ट्रांजिस्टर है, और यह एक अकार्बनिक LED को चलाने के लिए पर्याप्त करंट प्रदान करता है।
बड़े क्षेत्रफल वाले पारदर्शी खिंचाव योग्य ग्राफीन इलेक्ट्रोड बनाने के लिए, हमने Cu फॉयल पर CVD विधि से विकसित ग्राफीन का चयन किया। ग्राफीन को दोनों तरफ विकसित होने देने के लिए Cu फॉयल को CVD क्वार्ट्ज ट्यूब के केंद्र में रखा गया, जिससे G/Cu/G संरचनाएं बनीं। ग्राफीन को स्थानांतरित करने के लिए, हमने सबसे पहले ग्राफीन के एक तरफ को सुरक्षित रखने के लिए पॉली(मिथाइल मेथैक्रिलेट) (PMMA) की एक पतली परत को स्पिन-कोट किया, जिसे हमने टॉपसाइड ग्राफीन नाम दिया (ग्राफीन के दूसरी तरफ के लिए भी यही)। इसके बाद, पूरी फिल्म (PMMA/टॉप ग्राफीन/Cu/बॉटम ग्राफीन) को Cu फॉयल को हटाने के लिए (NH4)2S2O8 विलयन में भिगोया गया। PMMA कोटिंग के बिना बॉटम-साइड ग्राफीन में दरारें और दोष आ जाते हैं, जिससे घोलक अंदर तक प्रवेश कर सकता है (36, 37)। जैसा कि चित्र 1A में दिखाया गया है, सतह तनाव के प्रभाव में, मुक्त ग्राफीन डोमेन लुढ़क कर स्क्रॉल बन गए और बाद में शेष टॉप-G/PMMA फिल्म से जुड़ गए। टॉप-जी/जी स्क्रॉल को किसी भी सब्सट्रेट, जैसे SiO2/Si, ग्लास या सॉफ्ट पॉलीमर पर स्थानांतरित किया जा सकता है। इसी सब्सट्रेट पर इस स्थानांतरण प्रक्रिया को कई बार दोहराने से एमजीजी संरचनाएं प्राप्त होती हैं।
(A) खिंचाव योग्य इलेक्ट्रोड के रूप में MGGs के निर्माण प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण। ग्रेफीन स्थानांतरण के दौरान, Cu पन्नी पर पीछे की ओर स्थित ग्रेफीन सीमाओं और दोषों पर टूट गया, मनमाने आकार में लुढ़क गया, और ऊपरी फिल्मों पर कसकर चिपक गया, जिससे नैनोस्क्रॉल बन गए। चौथा कार्टून स्टैक्ड MGG संरचना को दर्शाता है। (B और C) एक मोनोलेयर MGG का उच्च-रिज़ॉल्यूशन TEM लक्षण वर्णन, क्रमशः मोनोलेयर ग्रेफीन (B) और स्क्रॉल (C) क्षेत्र पर केंद्रित। (B) का इनसेट एक कम आवर्धन वाली छवि है जो TEM ग्रिड पर मोनोलेयर MGGs की समग्र आकृति विज्ञान को दर्शाती है। (C) के इनसेट छवि में दर्शाए गए आयताकार बॉक्स के साथ लिए गए तीव्रता प्रोफाइल हैं, जहां परमाणु तलों के बीच की दूरी 0.34 और 0.41 nm है। (D) कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम जिसमें विशिष्ट ग्रेफाइट π* और σ* शिखर अंकित हैं। (E) पीली बिंदीदार रेखा के अनुदिश ऊंचाई प्रोफ़ाइल के साथ मोनोलेयर G/G स्क्रॉल की अनुभागीय AFM छवि। (F से I) 300-nm-मोटी SiO2/Si सब्सट्रेट पर स्क्रॉल के बिना (F और H) और स्क्रॉल के साथ (G और I) ट्राइलेयर G की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और AFM छवियां। प्रतिनिधि स्क्रॉल और झुर्रियों को उनके अंतर को उजागर करने के लिए लेबल किया गया है।
यह सत्यापित करने के लिए कि ये स्क्रॉल लुढ़के हुए ग्राफीन हैं, हमने मोनोलेयर टॉप-जी/जी स्क्रॉल संरचनाओं पर उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि (ईईएल) स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन किए। चित्र 1बी एक मोनोलेयर ग्राफीन की षट्कोणीय संरचना को दर्शाता है, और इनसेट टीईएम ग्रिड के एक कार्बन छिद्र पर ढकी फिल्म की समग्र आकृति विज्ञान को दर्शाता है। मोनोलेयर ग्राफीन ग्रिड के अधिकांश भाग में फैला हुआ है, और षट्कोणीय छल्लों के कई ढेरों की उपस्थिति में कुछ ग्राफीन परतें दिखाई देती हैं (चित्र 1बी)। एक व्यक्तिगत स्क्रॉल को ज़ूम करके (चित्र 1सी), हमने बड़ी मात्रा में ग्राफीन जाली फ्रिंज देखे, जिनकी जाली रिक्ति 0.34 से 0.41 एनएम की सीमा में है। ये माप दर्शाते हैं कि परतें बेतरतीब ढंग से लुढ़की हुई हैं और पूर्ण ग्रेफाइट नहीं हैं, जिसकी "एबीएबी" परत स्टैकिंग में जाली रिक्ति 0.34 एनएम होती है। चित्र 1D कार्बन K-एज EEL स्पेक्ट्रम को दर्शाता है, जहाँ 285 eV पर शिखर π* ऑर्बिटल से उत्पन्न होता है और दूसरा शिखर लगभग 290 eV पर σ* ऑर्बिटल के संक्रमण के कारण होता है। यह देखा जा सकता है कि इस संरचना में sp2 बॉन्डिंग प्रमुख है, जो इस बात की पुष्टि करता है कि स्क्रॉल अत्यधिक ग्रेफाइटिक हैं।
ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (AFM) छवियों से MGG में ग्राफीन नैनोस्क्रॉल के वितरण की जानकारी मिलती है (चित्र 1, E से G, और चित्र S1 और S2)। स्क्रॉल सतह पर बेतरतीब ढंग से वितरित हैं, और उनकी समतलीय घनत्व परतों की संख्या के अनुपात में बढ़ती है। कई स्क्रॉल गांठों में उलझे हुए हैं और 10 से 100 nm की असमान ऊँचाई प्रदर्शित करते हैं। ये 1 से 20 μm लंबे और 0.1 से 1 μm चौड़े होते हैं, जो उनके प्रारंभिक ग्राफीन कणों के आकार पर निर्भर करता है। जैसा कि चित्र 1 (H और I) में दिखाया गया है, स्क्रॉल झुर्रियों की तुलना में काफी बड़े होते हैं, जिससे ग्राफीन परतों के बीच का इंटरफ़ेस काफी खुरदरा हो जाता है।
विद्युत गुणों को मापने के लिए, हमने फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके स्क्रॉल संरचनाओं के साथ या बिना स्क्रॉल संरचनाओं के ग्रेफीन फिल्मों को पैटर्न किया और परतों को 300-μm चौड़ी और 2000-μm लंबी पट्टियों में व्यवस्थित किया। परिवेशीय परिस्थितियों में तनाव के फलन के रूप में दो-प्रोब प्रतिरोधों को मापा गया। स्क्रॉल की उपस्थिति ने मोनोलेयर ग्रेफीन के प्रतिरोध को 80% तक कम कर दिया, जबकि पारगम्यता में केवल 2.2% की कमी आई (चित्र S4)। यह पुष्टि करता है कि नैनोस्क्रॉल, जिनकी उच्च धारा घनत्व 5 × 107 A/cm2 (38, 39) तक होती है, MGG में बहुत सकारात्मक विद्युत योगदान देते हैं। सभी मोनो-, द्वि- और त्रि-परत सादे ग्रेफीन और MGG में, त्रि-परत MGG में लगभग 90% पारदर्शिता के साथ सर्वोत्तम चालकता है। साहित्य में वर्णित ग्राफीन के अन्य स्रोतों से तुलना करने के लिए, हमने चार-प्रोब शीट प्रतिरोधों (चित्र S5) को भी मापा और उन्हें चित्र 2A में 550 nm पर पारगम्यता के फलन के रूप में सूचीबद्ध किया (चित्र S6)। MGG कृत्रिम रूप से स्टैक्ड मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीन और रिड्यूस्ड ग्राफीन ऑक्साइड (RGO) (6, 8, 18) की तुलना में तुलनीय या उच्च चालकता और पारदर्शिता दर्शाता है। ध्यान दें कि साहित्य से कृत्रिम रूप से स्टैक्ड मल्टीलेयर प्लेन ग्राफीन के शीट प्रतिरोध हमारे MGG की तुलना में थोड़े अधिक हैं, संभवतः उनकी अनुकूलित वृद्धि स्थितियों और स्थानांतरण विधि के कारण।
(A) विभिन्न प्रकार के ग्राफीन के लिए 550 nm पर पारगम्यता के सापेक्ष चार-प्रोब शीट प्रतिरोध, जहाँ काले वर्ग मोनो-, द्वि- और त्रिस्तरीय MGG को दर्शाते हैं; लाल वृत्त और नीले त्रिभुज क्रमशः ली एट अल. (6) और किम एट अल. (8) के अध्ययनों से Cu और Ni पर उगाए गए बहुस्तरीय सादे ग्राफीन के अनुरूप हैं, जिन्हें बाद में SiO2/Si या क्वार्ट्ज पर स्थानांतरित किया गया; और हरे त्रिभुज बोनाकोर्सो एट अल. (18) के अध्ययन से विभिन्न अपचयन डिग्री पर RGO के मान हैं। (B और C) धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत (B) और समानांतर (C) तनाव के फलन के रूप में मोनो-, द्वि- और त्रिस्तरीय MGG और G के सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (D) 50% लंबवत तनाव तक चक्रीय तनाव लोडिंग के तहत द्विस्तरीय G (लाल) और MGG (काला) के सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (E) 90% समानांतर तनाव तक चक्रीय तनाव भारण के अंतर्गत त्रिपरत G (लाल) और MGG (काला) के सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (F) तनाव के फलन के रूप में मोनो-, द्वि- और त्रिपरत G तथा द्वि- और त्रिपरत MGG की सामान्यीकृत धारिता परिवर्तन। इनसेट संधारित्र संरचना है, जहाँ बहुलक सब्सट्रेट SEBS है और बहुलक परावैद्युत परत 2-μm मोटी SEBS है।
MGG के तनाव-निर्भर प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, हमने ग्रेफीन को थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर स्टाइरीन-एथिलीन-ब्यूटाडीन-स्टाइरीन (SEBS) सब्सट्रेट (~2 सेमी चौड़ा और ~5 सेमी लंबा) पर स्थानांतरित किया, और सब्सट्रेट को धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत और समानांतर दोनों दिशाओं में खींचने पर चालकता को मापा गया (सामग्री और विधियाँ देखें) (चित्र 2, B और C)। नैनोस्क्रॉल के समावेश और ग्रेफीन परतों की बढ़ती संख्या के साथ तनाव-निर्भर विद्युत व्यवहार में सुधार हुआ। उदाहरण के लिए, जब तनाव धारा प्रवाह के लंबवत होता है, तो मोनोलेयर ग्रेफीन के लिए, स्क्रॉल जोड़ने से विद्युत विखंडन पर तनाव 5% से बढ़कर 70% हो गया। मोनोलेयर ग्रेफीन की तुलना में ट्राइलेयर ग्रेफीन की तनाव सहनशीलता में भी काफी सुधार हुआ है। नैनोस्क्रॉल के साथ, 100% लंबवत तनाव पर, ट्राइलेयर MGG संरचना का प्रतिरोध केवल 50% बढ़ा, जबकि स्क्रॉल रहित ट्राइलेयर ग्रेफीन के लिए यह 300% था। चक्रीय तनाव भार के तहत प्रतिरोध परिवर्तन की जांच की गई। तुलना के लिए (चित्र 2D), एक साधारण द्विपरत ग्राफीन फिल्म का प्रतिरोध 50% लंबवत तनाव पर लगभग 700 चक्रों के बाद लगभग 7.5 गुना बढ़ गया और प्रत्येक चक्र में तनाव के साथ बढ़ता रहा। दूसरी ओर, द्विपरत एमजीजी का प्रतिरोध लगभग 700 चक्रों के बाद केवल 2.5 गुना बढ़ा। समानांतर दिशा में 90% तक तनाव लगाने पर, त्रिपरत ग्राफीन का प्रतिरोध 1000 चक्रों के बाद लगभग 100 गुना बढ़ गया, जबकि त्रिपरत एमजीजी में यह केवल लगभग 8 गुना बढ़ा (चित्र 2E)। चक्रण परिणाम चित्र S7 में दिखाए गए हैं। समानांतर तनाव दिशा में प्रतिरोध में अपेक्षाकृत तेज़ वृद्धि का कारण यह है कि दरारों का अभिविन्यास धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत होता है। लोडिंग और अनलोडिंग तनाव के दौरान प्रतिरोध में विचलन एसईबीएस इलास्टोमर सब्सट्रेट के विस्कोइलास्टिक रिकवरी के कारण होता है। साइक्लिंग के दौरान एमजीजी स्ट्रिप्स का अधिक स्थिर प्रतिरोध बड़े स्क्रॉल की उपस्थिति के कारण होता है जो ग्राफीन के दरार वाले हिस्सों को जोड़ सकते हैं (जैसा कि एएफएम द्वारा देखा गया है), जिससे एक परकोलेटिंग मार्ग बनाए रखने में मदद मिलती है। परकोलेटिंग मार्ग द्वारा चालकता बनाए रखने की इस घटना की रिपोर्ट पहले भी इलास्टोमर सब्सट्रेट पर दरार वाली धातु या अर्धचालक फिल्मों के लिए की गई है (40, 41)।
स्ट्रेचेबल उपकरणों में गेट इलेक्ट्रोड के रूप में इन ग्राफीन-आधारित फिल्मों का मूल्यांकन करने के लिए, हमने ग्राफीन परत को एक SEBS डाइइलेक्ट्रिक परत (2 μm मोटी) से ढक दिया और स्ट्रेन के फलन के रूप में डाइइलेक्ट्रिक कैपेसिटेंस में परिवर्तन की निगरानी की (विवरण के लिए चित्र 2F और पूरक सामग्री देखें)। हमने देखा कि सादे मोनोलेयर और बाइलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड के साथ कैपेसिटेंस ग्राफीन की इन-प्लेन चालकता के नुकसान के कारण तेजी से कम हो गया। इसके विपरीत, MGG और सादे ट्राइलेयर ग्राफीन द्वारा नियंत्रित कैपेसिटेंस ने स्ट्रेन के साथ कैपेसिटेंस में वृद्धि दिखाई, जो स्ट्रेन के साथ डाइइलेक्ट्रिक मोटाई में कमी के कारण अपेक्षित है। कैपेसिटेंस में अपेक्षित वृद्धि MGG संरचना के साथ बहुत अच्छी तरह से मेल खाती है (चित्र S8)। यह इंगित करता है कि MGG स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर के लिए गेट इलेक्ट्रोड के रूप में उपयुक्त है।
विद्युत चालकता की तनाव सहनशीलता पर 1D ग्राफीन स्क्रॉल की भूमिका की आगे जांच करने और ग्राफीन परतों के बीच अलगाव को बेहतर ढंग से नियंत्रित करने के लिए, हमने ग्राफीन स्क्रॉल को स्प्रे-कोटेड CNTs से बदल दिया (पूरक सामग्री देखें)। MGG संरचनाओं की नकल करने के लिए, हमने CNTs के तीन घनत्व जमा किए (अर्थात, CNT1
(A से C) सीएनटी के तीन अलग-अलग घनत्वों (CNT1) की एएफएम छवियां
खिंचाव योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में उनकी क्षमता को और बेहतर ढंग से समझने के लिए, हमने तनाव के तहत MGG और G-CNT-G की संरचनाओं का व्यवस्थित रूप से अध्ययन किया। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) प्रभावी लक्षण वर्णन विधियाँ नहीं हैं क्योंकि दोनों में रंग कंट्रास्ट की कमी होती है और पॉलीमर सब्सट्रेट पर ग्रेफीन होने पर इलेक्ट्रॉन स्कैनिंग के दौरान SEM में छवि संबंधी त्रुटियाँ उत्पन्न होती हैं (चित्र S9 और S10)। तनाव के तहत ग्रेफीन सतह का यथास्थान अवलोकन करने के लिए, हमने त्रिस्तरीय MGG और सादे ग्रेफीन को बहुत पतले (~0.1 मिमी मोटे) और लोचदार SEBS सब्सट्रेट पर स्थानांतरित करने के बाद AFM माप एकत्र किए। CVD ग्रेफीन में आंतरिक दोषों और स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान बाहरी क्षति के कारण, तनावग्रस्त ग्रेफीन पर दरारें अनिवार्य रूप से उत्पन्न होती हैं, और तनाव बढ़ने के साथ, दरारें सघन हो जाती हैं (चित्र 4, A से D)। कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोड की स्टैकिंग संरचना के आधार पर, दरारें अलग-अलग संरचनाएँ प्रदर्शित करती हैं (चित्र S11) (27)। तनाव के बाद, बहुपरत ग्राफीन की दरार क्षेत्र घनत्व (दरार क्षेत्र/विश्लेषित क्षेत्र के रूप में परिभाषित) एकपरत ग्राफीन की तुलना में कम होती है, जो एमजीजी के लिए विद्युत चालकता में वृद्धि के अनुरूप है। दूसरी ओर, तनावग्रस्त फिल्म में दरारों को पाटने वाले स्क्रॉल अक्सर देखे जाते हैं, जो अतिरिक्त प्रवाहकीय मार्ग प्रदान करते हैं। उदाहरण के लिए, जैसा कि चित्र 4B में दर्शाया गया है, त्रिपरत एमजीजी में एक दरार के ऊपर एक चौड़ा स्क्रॉल दिखाई देता है, लेकिन सादे ग्राफीन में कोई स्क्रॉल नहीं देखा गया (चित्र 4, E से H)। इसी प्रकार, सीएनटी ने भी ग्राफीन में दरारों को पाटा (चित्र S11)। फिल्मों के दरार क्षेत्र घनत्व, स्क्रॉल क्षेत्र घनत्व और खुरदरापन को चित्र 4K में संक्षेप में प्रस्तुत किया गया है।
(A से H) 0, 20, 60 और 100% स्ट्रेन पर अत्यंत पतले SEBS (~0.1 मिमी मोटा) इलास्टोमर पर त्रिस्तरीय G/G स्क्रॉल (A से D) और त्रिस्तरीय G संरचनाओं (E से H) की इन सीटू AFM छवियां। प्रतिनिधि दरारों और स्क्रॉल को तीरों से दर्शाया गया है। सभी AFM छवियां 15 μm × 15 μm के क्षेत्र में हैं, और लेबल किए गए समान रंग स्केल बार का उपयोग किया गया है। (I) SEBS सब्सट्रेट पर पैटर्न वाले मोनोलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड की सिमुलेशन ज्यामिति। (J) 20% बाह्य स्ट्रेन पर मोनोलेयर ग्राफीन और SEBS सब्सट्रेट में अधिकतम मुख्य लघुगणकीय स्ट्रेन का सिमुलेशन कंटूर मानचित्र। (K) विभिन्न ग्राफीन संरचनाओं के लिए दरार क्षेत्र घनत्व (लाल स्तंभ), स्क्रॉल क्षेत्र घनत्व (पीला स्तंभ) और सतह खुरदरापन (नीला स्तंभ) की तुलना।
जब एमजीजी फिल्मों को खींचा जाता है, तो एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त तंत्र होता है जिसके द्वारा स्क्रॉल ग्रेफीन के दरार वाले क्षेत्रों को जोड़कर एक पारगम्य नेटवर्क बनाए रख सकते हैं। ग्रेफीन स्क्रॉल आशाजनक हैं क्योंकि वे कई माइक्रोमीटर लंबे हो सकते हैं और इसलिए आमतौर पर माइक्रोमीटर आकार तक की दरारों को जोड़ने में सक्षम होते हैं। इसके अलावा, चूंकि स्क्रॉल ग्रेफीन की बहुपरतों से बने होते हैं, इसलिए उनसे कम प्रतिरोध की उम्मीद की जाती है। तुलनात्मक रूप से, तुलनीय प्रवाहकीय सेतु क्षमता प्रदान करने के लिए अपेक्षाकृत सघन (कम पारगम्यता) सीएनटी नेटवर्क की आवश्यकता होती है, क्योंकि सीएनटी स्क्रॉल की तुलना में छोटे (आमतौर पर कुछ माइक्रोमीटर लंबे) और कम प्रवाहकीय होते हैं। दूसरी ओर, जैसा कि चित्र S12 में दिखाया गया है, तनाव को समायोजित करने के लिए खींचने के दौरान ग्रेफीन में दरारें पड़ जाती हैं, जबकि स्क्रॉल में दरारें नहीं पड़तीं, जिससे पता चलता है कि स्क्रॉल अंतर्निहित ग्रेफीन पर फिसल रहे होंगे। इनके न टूटने का कारण संभवतः इनकी लुढ़की हुई संरचना है, जो ग्राफीन की कई परतों (लगभग 1 से 20 माइक्रोमीटर लंबी, लगभग 0.1 से 1 माइक्रोमीटर चौड़ी और लगभग 10 से 100 नैनोमीटर ऊंची) से बनी होती है, जिसका प्रभावी मापांक एकल-परत ग्राफीन की तुलना में अधिक होता है। ग्रीन और हरसम (42) द्वारा रिपोर्ट किए गए अनुसार, धात्विक सीएनटी नेटवर्क (1.0 नैनोमीटर व्यास वाली ट्यूब) सीएनटी के बीच उच्च जंक्शन प्रतिरोध के बावजूद <100 ओम/वर्ग मीटर का कम शीट प्रतिरोध प्राप्त कर सकते हैं। यह देखते हुए कि हमारे ग्राफीन स्क्रॉल की चौड़ाई 0.1 से 1 माइक्रोमीटर है और जी/जी स्क्रॉल का संपर्क क्षेत्र सीएनटी की तुलना में बहुत बड़ा है, ग्राफीन और ग्राफीन स्क्रॉल के बीच संपर्क प्रतिरोध और संपर्क क्षेत्र उच्च चालकता बनाए रखने में बाधक कारक नहीं होने चाहिए।
ग्राफीन का मापांक SEBS सबस्ट्रेट की तुलना में काफी अधिक होता है। हालांकि ग्राफीन इलेक्ट्रोड की प्रभावी मोटाई सबस्ट्रेट की तुलना में काफी कम होती है, फिर भी ग्राफीन की कठोरता और उसकी मोटाई का गुणनफल सबस्ट्रेट की कठोरता के बराबर होता है (43, 44), जिसके परिणामस्वरूप मध्यम कठोर-द्वीप प्रभाव उत्पन्न होता है। हमने SEBS सबस्ट्रेट पर 1-nm-मोटी ग्राफीन के विरूपण का अनुकरण किया (विवरण के लिए पूरक सामग्री देखें)। अनुकरण परिणामों के अनुसार, जब SEBS सबस्ट्रेट पर बाह्य रूप से 20% तनाव लगाया जाता है, तो ग्राफीन में औसत तनाव लगभग 6.6% होता है (चित्र 4J और चित्र S13D), जो प्रायोगिक प्रेक्षणों के अनुरूप है (चित्र S13 देखें)। हमने ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके पैटर्न वाले ग्राफीन और सबस्ट्रेट क्षेत्रों में तनाव की तुलना की और पाया कि सबस्ट्रेट क्षेत्र में तनाव ग्राफीन क्षेत्र में तनाव से कम से कम दोगुना है। यह दर्शाता है कि ग्राफीन इलेक्ट्रोड पैटर्न पर लगाया गया तनाव काफी हद तक सीमित हो सकता है, जिससे SEBS के ऊपर ग्राफीन के कठोर द्वीप बन सकते हैं (26, 43, 44)।
इसलिए, उच्च तनाव के तहत उच्च चालकता बनाए रखने की एमजीजी इलेक्ट्रोड की क्षमता दो प्रमुख तंत्रों द्वारा संभव हो पाती है: (i) स्क्रॉल असंबद्ध क्षेत्रों को जोड़कर एक प्रवाहकीय पारगमन मार्ग बनाए रख सकते हैं, और (ii) बहुपरत ग्राफीन शीट/इलास्टोमर एक दूसरे पर फिसल सकते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ग्राफीन इलेक्ट्रोड पर तनाव कम हो जाता है। इलास्टोमर पर स्थानांतरित ग्राफीन की कई परतों के लिए, परतें एक दूसरे से मजबूती से जुड़ी नहीं होती हैं, जो तनाव के जवाब में फिसल सकती हैं (27)। स्क्रॉल ने ग्राफीन परतों की खुरदरापन भी बढ़ा दी, जिससे ग्राफीन परतों के बीच अलगाव बढ़ाने में मदद मिल सकती है और इस प्रकार ग्राफीन परतों को फिसलने में सक्षम बनाया जा सकता है।
कम लागत और उच्च उत्पादन क्षमता के कारण ऑल-कार्बन उपकरणों पर काफी जोर दिया जा रहा है। हमारे मामले में, ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर का निर्माण बॉटम ग्राफीन गेट, टॉप ग्राफीन सोर्स/ड्रेन कॉन्टैक्ट, सॉर्टेड सीएनटी सेमीकंडक्टर और एसईबीएस को डाइइलेक्ट्रिक के रूप में उपयोग करके किया गया (चित्र 5ए)। जैसा कि चित्र 5बी में दिखाया गया है, सीएनटी को सोर्स/ड्रेन और गेट के रूप में उपयोग करने वाला ऑल-कार्बन उपकरण (बॉटम उपकरण) ग्राफीन इलेक्ट्रोड वाले उपकरण (टॉप उपकरण) की तुलना में अधिक अपारदर्शी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सीएनटी नेटवर्क को अधिक मोटाई की आवश्यकता होती है और परिणामस्वरूप, ग्राफीन के समान शीट प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए कम ऑप्टिकल ट्रांसमिटेंस की आवश्यकता होती है (चित्र एस4)। चित्र 5 (सी और डी) बाइलेयर एमजीजी इलेक्ट्रोड से बने ट्रांजिस्टर के लिए तनाव से पहले प्रतिनिधि स्थानांतरण और आउटपुट वक्र दिखाता है। तनाव रहित ट्रांजिस्टर की चैनल चौड़ाई और लंबाई क्रमशः 800 और 100 μm थी। मापा गया ऑन/ऑफ अनुपात 103 से अधिक है, जिसमें ऑन और ऑफ धाराएँ क्रमशः 10⁻⁵ और 10⁻⁸ A के स्तर पर हैं। आउटपुट वक्र आदर्श रैखिक और संतृप्ति क्षेत्रों को दर्शाता है, जिसमें स्पष्ट गेट-वोल्टेज निर्भरता है, जो CNTs और ग्राफीन इलेक्ट्रोड के बीच आदर्श संपर्क को इंगित करता है (45)। ग्राफीन इलेक्ट्रोड के साथ संपर्क प्रतिरोध वाष्पीकृत Au फिल्म की तुलना में कम पाया गया (चित्र S14 देखें)। खिंचाव योग्य ट्रांजिस्टर की संतृप्ति गतिशीलता लगभग 5.6 cm²/Vs है, जो 300-nm SiO₂ को परावैद्युत परत के रूप में उपयोग करके कठोर Si सबस्ट्रेट्स पर समान पॉलिमर-क्रमबद्ध CNT ट्रांजिस्टर की गतिशीलता के समान है। अनुकूलित ट्यूब घनत्व और अन्य प्रकार की ट्यूबों के साथ गतिशीलता में और सुधार संभव है (46)।
(A) ग्राफीन आधारित खिंचाव योग्य ट्रांजिस्टर की योजना। SWNTs, एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब। (B) ग्राफीन इलेक्ट्रोड (ऊपर) और CNT इलेक्ट्रोड (नीचे) से बने खिंचाव योग्य ट्रांजिस्टर की तस्वीर। पारदर्शिता में अंतर स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। (C और D) तनाव से पहले SEBS पर ग्राफीन आधारित ट्रांजिस्टर के स्थानांतरण और आउटपुट वक्र। (E और F) विभिन्न तनावों पर ग्राफीन आधारित ट्रांजिस्टर के स्थानांतरण वक्र, ऑन और ऑफ करंट, ऑन/ऑफ अनुपात और गतिशीलता।
जब पारदर्शी, पूर्णतः कार्बन से बने उपकरण को आवेश परिवहन दिशा के समानांतर खींचा गया, तो 120% तक के खिंचाव में न्यूनतम गिरावट देखी गई। खींचने के दौरान, गतिशीलता 0% खिंचाव पर 5.6 cm²/Vs से घटकर 120% खिंचाव पर 2.5 cm²/Vs हो गई (चित्र 5F)। हमने विभिन्न चैनल लंबाई के लिए ट्रांजिस्टर के प्रदर्शन की तुलना भी की (तालिका S1 देखें)। विशेष रूप से, 105% तक के खिंचाव पर भी, इन सभी ट्रांजिस्टरों ने उच्च ऑन/ऑफ अनुपात (>10³) और गतिशीलता (>3 cm²/Vs) प्रदर्शित की। इसके अतिरिक्त, हमने पूर्णतः कार्बन ट्रांजिस्टरों पर किए गए सभी हालिया कार्यों का सारांश प्रस्तुत किया (तालिका S2 देखें) (47-52)। इलास्टोमर पर उपकरण निर्माण को अनुकूलित करके और MGG को संपर्क के रूप में उपयोग करके, हमारे पूर्णतः कार्बन ट्रांजिस्टर गतिशीलता और हिस्टैरेसिस के मामले में अच्छा प्रदर्शन करते हैं, साथ ही अत्यधिक खिंचाव योग्य भी हैं।
पूरी तरह से पारदर्शी और खिंचाव योग्य ट्रांजिस्टर के एक अनुप्रयोग के रूप में, हमने इसका उपयोग एलईडी की स्विचिंग को नियंत्रित करने के लिए किया (चित्र 6A)। जैसा कि चित्र 6B में दिखाया गया है, ऊपर रखे खिंचाव योग्य ऑल-कार्बन डिवाइस के माध्यम से हरी एलईडी स्पष्ट रूप से देखी जा सकती है। लगभग 100% तक खींचने पर (चित्र 6, C और D), एलईडी की प्रकाश तीव्रता में कोई परिवर्तन नहीं होता है, जो ऊपर वर्णित ट्रांजिस्टर के प्रदर्शन के अनुरूप है (वीडियो S1 देखें)। यह ग्राफीन इलेक्ट्रोड का उपयोग करके निर्मित खिंचाव योग्य नियंत्रण इकाइयों की पहली रिपोर्ट है, जो ग्राफीन खिंचाव योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक नई संभावना को प्रदर्शित करती है।
(A) LED को चलाने के लिए ट्रांजिस्टर का सर्किट। GND, ग्राउंड। (B) हरे LED के ऊपर लगे 0% स्ट्रेन वाले खिंचावदार और पारदर्शी ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर की तस्वीर। (C) LED को स्विच करने के लिए इस्तेमाल किया जाने वाला ऑल-कार्बन पारदर्शी और खिंचावदार ट्रांजिस्टर, LED के ऊपर 0% (बाएं) और लगभग 100% स्ट्रेन (दाएं) पर लगाया जा रहा है। डिवाइस पर पीले मार्कर के रूप में सफेद तीर खिंचाव के कारण दूरी में होने वाले परिवर्तन को दर्शाते हैं। (D) खिंचे हुए ट्रांजिस्टर का साइड व्यू, जिसमें LED को इलास्टोमर में धकेला गया है।
निष्कर्षतः, हमने एक पारदर्शी चालक ग्राफीन संरचना विकसित की है जो स्टैक्ड ग्राफीन परतों के बीच ग्राफीन नैनोस्क्रॉल द्वारा संभव बनाए रखते हुए, खिंचाव योग्य इलेक्ट्रोड के रूप में बड़े तनाव के तहत उच्च चालकता बनाए रखती है। एक इलास्टोमर पर ये द्वि- और त्रि-परत एमजीजी इलेक्ट्रोड संरचनाएं 100% तक के तनाव पर अपनी 0% तनाव चालकता का क्रमशः 21 और 65% बनाए रख सकती हैं, जबकि विशिष्ट मोनोलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड 5% तनाव पर चालकता का पूर्ण नुकसान करते हैं। ग्राफीन स्क्रॉल के अतिरिक्त चालक पथ और स्थानांतरित परतों के बीच कमजोर अंतःक्रिया तनाव के तहत बेहतर चालकता स्थिरता में योगदान करते हैं। हमने इस ग्राफीन संरचना का उपयोग ऑल-कार्बन खिंचाव योग्य ट्रांजिस्टर बनाने के लिए भी किया। अब तक, यह बकलिंग का उपयोग किए बिना सर्वोत्तम पारदर्शिता वाला सबसे अधिक खिंचाव योग्य ग्राफीन-आधारित ट्रांजिस्टर है। यद्यपि वर्तमान अध्ययन खिंचाव योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए ग्राफीन को सक्षम करने के लिए किया गया था, हमारा मानना ​​है कि इस दृष्टिकोण को अन्य 2डी सामग्रियों तक विस्तारित किया जा सकता है ताकि खिंचाव योग्य 2डी इलेक्ट्रॉनिक्स को सक्षम किया जा सके।
1000°C तापमान पर 50 घन सेंटीमीटर प्रति मिनट (SCCM) CH4 और 20 घन सेंटीमीटर प्रति मिनट (SCCM) H2 को प्रीकर्सर के रूप में उपयोग करके, निलंबित Cu फॉइल (99.999%; अल्फा एसर) पर बड़े क्षेत्र वाले CVD ग्राफीन की खेती की गई। Cu फॉइल के दोनों किनारों को मोनोलेयर ग्राफीन से ढक दिया गया था। Cu फॉइल के एक तरफ PMMA (2000 rpm; A4, माइक्रोकेम) की एक पतली परत को स्पिन-कोट किया गया, जिससे PMMA/G/Cu फॉइल/G संरचना बनी। इसके बाद, Cu फॉइल को हटाने के लिए पूरी फिल्म को लगभग 2 घंटे तक 0.1 M अमोनियम परसल्फेट [(NH4)2S2O8] के घोल में भिगोया गया। इस प्रक्रिया के दौरान, असुरक्षित पिछली सतह का ग्राफीन पहले कण सीमाओं के साथ फट गया और फिर सतह तनाव के कारण स्क्रॉल में लुढ़क गया। स्क्रॉल को PMMA समर्थित ऊपरी ग्राफीन फिल्म पर चिपकाया गया, जिससे PMMA/G/G स्क्रॉल बने। इसके बाद फिल्मों को कई बार विआयनीकृत जल में धोया गया और एक लक्ष्य सब्सट्रेट, जैसे कि कठोर SiO2/Si या प्लास्टिक सब्सट्रेट पर रखा गया। सब्सट्रेट पर चिपकी हुई फिल्म के सूखते ही, PMMA को हटाने के लिए नमूने को एसीटोन, 1:1 एसीटोन/IPA (आइसोप्रोपाइल अल्कोहल) और IPA में 30 सेकंड के लिए बारी-बारी से भिगोया गया। फिल्मों को 100°C पर 15 मिनट के लिए गर्म किया गया या रात भर वैक्यूम में रखा गया ताकि G/G स्क्रॉल की दूसरी परत को उस पर स्थानांतरित करने से पहले उसमें फंसा हुआ पानी पूरी तरह से निकल जाए। यह चरण सब्सट्रेट से ग्राफीन फिल्म के अलग होने से बचने और PMMA वाहक परत के निकलने के दौरान MGGs के पूर्ण आवरण को सुनिश्चित करने के लिए किया गया था।
एमजीजी संरचना की आकृति का अवलोकन ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (लीका) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (1 केवी; एफईआई) का उपयोग करके किया गया। जी स्क्रॉल के विवरण का अवलोकन करने के लिए टैपिंग मोड में एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोप (नैनोस्कोप III, डिजिटल इंस्ट्रूमेंट) का उपयोग किया गया। फिल्म की पारदर्शिता का परीक्षण अल्ट्रावायलेट-विजिबल स्पेक्ट्रोमीटर (एजिलेंट कैरी 6000i) द्वारा किया गया। उन परीक्षणों के लिए जब तनाव धारा प्रवाह की लंबवत दिशा में था, फोटोलिथोग्राफी और ऑक्सीजन प्लाज्मा का उपयोग करके ग्राफीन संरचनाओं को स्ट्रिप्स (~300 μm चौड़ी और ~2000 μm लंबी) में पैटर्न किया गया, और लंबी भुजा के दोनों सिरों पर शैडो मास्क का उपयोग करके Au (50 nm) इलेक्ट्रोड को ऊष्मीय रूप से जमा किया गया। इसके बाद ग्राफीन स्ट्रिप्स को एक SEBS इलास्टोमर (~2 सेमी चौड़ा और ~5 सेमी लंबा) के संपर्क में रखा गया, जिसमें स्ट्रिप्स की लंबी धुरी SEBS की छोटी भुजा के समानांतर थी। इसके बाद BOE (बफर्ड ऑक्साइड एच) (HF:H2O 1:6) एचिंग और यूटेक्टिक गैलियम इंडियम (EGaIn) को विद्युत संपर्क के रूप में उपयोग किया गया। समानांतर तनाव परीक्षणों के लिए, बिना पैटर्न वाली ग्राफीन संरचनाओं (~5 × 10 मिमी) को SEBS सब्सट्रेट पर स्थानांतरित किया गया, जिसमें लंबी धुरी SEBS सब्सट्रेट की लंबी भुजा के समानांतर थी। दोनों मामलों में, संपूर्ण G (G स्क्रॉल के बिना)/SEBS को एक मैनुअल उपकरण में इलास्टोमर की लंबी भुजा के साथ खींचा गया, और मौके पर ही, हमने एक सेमीकंडक्टर विश्लेषक (कीथली 4200-SCS) के साथ एक प्रोब स्टेशन पर तनाव के तहत उनके प्रतिरोध परिवर्तनों को मापा।
पॉलिमर डाइइलेक्ट्रिक और सबस्ट्रेट को कार्बनिक विलायक से होने वाले नुकसान से बचाने के लिए, लोचदार सबस्ट्रेट पर अत्यधिक खिंचाव योग्य और पारदर्शी ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर का निर्माण निम्नलिखित प्रक्रियाओं द्वारा किया गया। MGG संरचनाओं को गेट इलेक्ट्रोड के रूप में SEBS पर स्थानांतरित किया गया। एक समान पतली-फिल्म पॉलिमर डाइइलेक्ट्रिक परत (2 μm मोटी) प्राप्त करने के लिए, एक ऑक्टाडेसिलट्राइक्लोरोसिलन (OTS) -संशोधित SiO2/Si सबस्ट्रेट पर 1 मिनट के लिए 1000 rpm पर SEBS टोल्यून (80 mg/ml) घोल को स्पिन-कोट किया गया। पतली डाइइलेक्ट्रिक फिल्म को हाइड्रोफोबिक OTS सतह से तैयार किए गए ग्राफीन से ढके SEBS सबस्ट्रेट पर आसानी से स्थानांतरित किया जा सकता है। एक कैपेसिटर को लिक्विड-मेटल (EGaIn; सिग्मा-एल्ड्रिच) टॉप इलेक्ट्रोड जमा करके बनाया जा सकता है, जिससे LCR (इंडक्टेंस, कैपेसिटेंस, रेजिस्टेंस) मीटर (एजिलेंट) का उपयोग करके स्ट्रेन के फलन के रूप में कैपेसिटेंस निर्धारित किया जा सके। ट्रांजिस्टर का दूसरा भाग पॉलिमर-सॉर्टेड सेमीकंडक्टिंग CNTs से बना था, जो पहले बताई गई प्रक्रियाओं (53) का पालन करता है। पैटर्नयुक्त स्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड को कठोर SiO2/Si सबस्ट्रेट पर निर्मित किया गया था। इसके बाद, दो भागों, डाइइलेक्ट्रिक/G/SEBS और CNTs/पैटर्नयुक्त G/SiO2/Si, को एक दूसरे पर लैमिनेट किया गया और कठोर SiO2/Si सबस्ट्रेट को हटाने के लिए BOE में भिगोया गया। इस प्रकार, पूरी तरह से पारदर्शी और खिंचाव योग्य ट्रांजिस्टर निर्मित किए गए। तनाव के तहत विद्युत परीक्षण उपरोक्त विधि के अनुसार एक मैनुअल स्ट्रेचिंग सेटअप पर किया गया।
इस लेख के लिए पूरक सामग्री http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 पर उपलब्ध है।
चित्र S1. SiO2/Si सब्सट्रेट पर मोनोलेयर MGG की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवियां विभिन्न आवर्धनों पर ली गई हैं।
चित्र S4. मोनो-, बाई- और ट्राइलेयर प्लेन ग्राफीन (काले वर्ग), एमजीजी (लाल वृत्त) और सीएनटी (नीला त्रिकोण) के दो-प्रोब शीट प्रतिरोधों और पारगम्यता की @550 एनएम पर तुलना।
चित्र S7. मोनो- और बाइलेयर एमजीजी (काला) और जी (लाल) के सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन को क्रमशः 40 और 90% समानांतर तनाव तक लगभग 1000 चक्रीय तनाव लोडिंग के तहत दर्शाया गया है।
चित्र S10. तनाव के बाद SEBS इलास्टोमर पर त्रिस्तरीय MGG की SEM छवि, जिसमें कई दरारों के ऊपर एक लंबा स्क्रॉल क्रॉस दिखाई दे रहा है।
चित्र S12. 20% स्ट्रेन पर बहुत पतले SEBS इलास्टोमर पर त्रिस्तरीय MGG की AFM छवि, यह दर्शाती है कि एक स्क्रॉल एक दरार के ऊपर से गुजरा।
तालिका S1. तनाव से पहले और बाद में विभिन्न चैनल लंबाई पर द्विपरत एमजीजी-एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब ट्रांजिस्टर की गतिशीलता।
यह एक ओपन-एक्सेस लेख है जो क्रिएटिव कॉमन्स एट्रीब्यूशन-नॉन-कमर्शियल लाइसेंस की शर्तों के तहत वितरित किया गया है, जो किसी भी माध्यम में उपयोग, वितरण और पुनरुत्पादन की अनुमति देता है, बशर्ते कि परिणामी उपयोग वाणिज्यिक लाभ के लिए न हो और मूल कार्य का उचित रूप से उल्लेख किया गया हो।
ध्यान दें: हम आपका ईमेल पता केवल इसलिए मांगते हैं ताकि जिसे आप यह पेज सुझा रहे हैं उसे पता चले कि आप चाहते थे कि वह इसे देखे, और यह जंक मेल न हो। हम किसी भी ईमेल पते को सहेज कर नहीं रखते हैं।
यह प्रश्न यह जांचने के लिए है कि आप मानव आगंतुक हैं या नहीं और स्वचालित स्पैम सबमिशन को रोकने के लिए है।
नान लियू, एलेक्स चोर्टोस, टिंग लेई, लिहुआ जिन, ताएहो रॉय किम, वोन-ग्यू बे, चेनक्सिन झू, सिहोंग वांग, राफेल पफैटनर, ज़ियुआन चेन, रॉबर्ट सिंक्लेयर, झेनान बाओ द्वारा
नान लियू, एलेक्स चोर्टोस, टिंग लेई, लिहुआ जिन, ताएहो रॉय किम, वोन-ग्यू बे, चेनक्सिन झू, सिहोंग वांग, राफेल पफैटनर, ज़ियुआन चेन, रॉबर्ट सिंक्लेयर, झेनान बाओ द्वारा
© 2021 अमेरिकन एसोसिएशन फॉर द एडवांसमेंट ऑफ साइंस। सर्वाधिकार सुरक्षित। एएएएस हिनारी, एगोरा, ओरे, कोरस, क्लॉकएसएस, क्रॉसरेफ और काउंटर.साइंस एडवांसेज आईएसएसएन 2375-2548 का भागीदार है।