अल्ट्राट्रांसपेरेंट और स्ट्रेचेबल ग्राफीन इलेक्ट्रोड

द्वि-आयामी सामग्री, जैसे ग्राफीन, पारंपरिक अर्धचालक अनुप्रयोगों और लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स में उभरते अनुप्रयोगों दोनों के लिए आकर्षक हैं। हालाँकि, ग्राफीन की उच्च तन्यता ताकत कम तनाव पर फ्रैक्चरिंग का कारण बनती है, जिससे स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में इसके असाधारण इलेक्ट्रॉनिक गुणों का लाभ उठाना चुनौतीपूर्ण हो जाता है। पारदर्शी ग्राफीन कंडक्टरों के उत्कृष्ट तनाव-निर्भर प्रदर्शन को सक्षम करने के लिए, हमने स्टैक्ड ग्राफीन परतों के बीच ग्राफीन नैनोस्क्रॉल बनाए, जिन्हें मल्टीलेयर ग्राफीन/ग्राफीन स्क्रॉल (एमजीजी) कहा जाता है। तनाव के तहत, कुछ स्क्रॉल ने एक रिसते हुए नेटवर्क को बनाए रखने के लिए ग्राफीन के खंडित डोमेन को पाट दिया, जिससे उच्च तनाव पर उत्कृष्ट चालकता सक्षम हो गई। इलास्टोमर्स पर समर्थित ट्राइलेयर एमजीजी ने 100% तनाव पर अपने मूल संचालन का 65% बरकरार रखा, जो कि वर्तमान प्रवाह की दिशा के लंबवत है, जबकि नैनोस्क्रॉल के बिना ग्राफीन की ट्राइलेयर फिल्मों ने अपने शुरुआती प्रवाह का केवल 25% बरकरार रखा। इलेक्ट्रोड के रूप में एमजीजी का उपयोग करके निर्मित एक स्ट्रेचेबल ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर ने >90% का संप्रेषण प्रदर्शित किया और 120% तनाव (चार्ज परिवहन की दिशा के समानांतर) पर अपने मूल वर्तमान आउटपुट का 60% बरकरार रखा। ये अत्यधिक स्ट्रेचेबल और पारदर्शी ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर परिष्कृत स्ट्रेचेबल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स को सक्षम कर सकते हैं।
स्ट्रेचेबल ट्रांसपेरेंट इलेक्ट्रॉनिक्स एक बढ़ता हुआ क्षेत्र है जिसमें उन्नत बायोइंटीग्रेटेड सिस्टम (1, 2) में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग हैं और साथ ही परिष्कृत सॉफ्ट रोबोटिक्स और डिस्प्ले का उत्पादन करने के लिए स्ट्रेचेबल ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स (3, 4) के साथ एकीकृत होने की क्षमता है। ग्राफीन परमाणु मोटाई, उच्च पारदर्शिता और उच्च चालकता के अत्यधिक वांछनीय गुणों को प्रदर्शित करता है, लेकिन छोटे उपभेदों में दरार पड़ने की प्रवृत्ति के कारण स्ट्रेचेबल अनुप्रयोगों में इसका कार्यान्वयन बाधित हो गया है। ग्राफीन की यांत्रिक सीमाओं पर काबू पाने से स्ट्रेचेबल पारदर्शी उपकरणों में नई कार्यक्षमता सक्षम हो सकती है।
ग्राफीन के अद्वितीय गुण इसे अगली पीढ़ी के पारदर्शी प्रवाहकीय इलेक्ट्रोड (5, 6) के लिए एक मजबूत उम्मीदवार बनाते हैं। सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले पारदर्शी कंडक्टर की तुलना में, इंडियम टिन ऑक्साइड [आईटीओ; 90% पारदर्शिता पर 100 ओम/वर्ग (वर्ग)], रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) द्वारा उगाए गए मोनोलेयर ग्राफीन में शीट प्रतिरोध (125 ओम/वर्ग) और पारदर्शिता (97.4%) (5) का समान संयोजन होता है। इसके अलावा, ग्राफीन फिल्मों में आईटीओ (7) की तुलना में असाधारण लचीलापन होता है। उदाहरण के लिए, एक प्लास्टिक सब्सट्रेट पर, इसकी चालकता को 0.8 मिमी (8) जितनी छोटी वक्रता त्रिज्या के लिए भी बनाए रखा जा सकता है। पारदर्शी लचीले कंडक्टर के रूप में इसके विद्युत प्रदर्शन को और बढ़ाने के लिए, पिछले कार्यों में एक-आयामी (1डी) सिल्वर नैनोवायर या कार्बन नैनोट्यूब (सीएनटी) (9-11) के साथ ग्राफीन हाइब्रिड सामग्री विकसित की गई है। इसके अलावा, ग्राफीन का उपयोग मिश्रित आयामी हेटरोस्ट्रक्चरल सेमीकंडक्टर्स (जैसे 2डी बल्क सी, 1डी नैनोवायर/नैनोट्यूब, और 0डी क्वांटम डॉट्स) (12), लचीले ट्रांजिस्टर, सौर सेल और प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी) (13) के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में किया गया है। -23).
यद्यपि ग्राफीन ने लचीले इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आशाजनक परिणाम दिखाए हैं, स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्स में इसका अनुप्रयोग इसके यांत्रिक गुणों (17, 24, 25) द्वारा सीमित कर दिया गया है; ग्राफीन में 340 N/m की इन-प्लेन कठोरता और 0.5 TPa (26) का यंग मापांक है। मजबूत कार्बन-कार्बन नेटवर्क लागू तनाव के लिए कोई ऊर्जा अपव्यय तंत्र प्रदान नहीं करता है और इसलिए 5% से कम तनाव पर आसानी से टूट जाता है। उदाहरण के लिए, पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन (पीडीएमएस) लोचदार सब्सट्रेट पर स्थानांतरित सीवीडी ग्राफीन केवल 6% से कम तनाव (8) पर अपनी चालकता बनाए रख सकता है। सैद्धांतिक गणना से पता चलता है कि विभिन्न परतों के बीच सिकुड़न और परस्पर क्रिया से कठोरता में काफी कमी आनी चाहिए (26)। ग्राफीन को कई परतों में ढेर करके, यह बताया गया है कि यह द्वि- या त्रिपरत ग्राफीन 30% तनाव तक फैला हुआ है, जो मोनोलेयर ग्राफीन (27) की तुलना में 13 गुना छोटा प्रतिरोध परिवर्तन प्रदर्शित करता है। हालाँकि, यह स्ट्रेचेबिलिटी अभी भी अत्याधुनिक स्ट्रेचेबल सी कंडक्टरों (28, 29) से काफी कम है।
ट्रांजिस्टर स्ट्रेचेबल अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे परिष्कृत सेंसर रीडआउट और सिग्नल विश्लेषण (30, 31) को सक्षम करते हैं। स्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड और चैनल सामग्री के रूप में मल्टीलेयर ग्राफीन के साथ पीडीएमएस पर ट्रांजिस्टर 5% स्ट्रेन (32) तक विद्युत कार्य को बनाए रख सकते हैं, जो पहनने योग्य स्वास्थ्य-निगरानी सेंसर और इलेक्ट्रॉनिक त्वचा के लिए न्यूनतम आवश्यक मूल्य (~ 50%) से काफी कम है। 33, 34). हाल ही में, एक ग्राफीन किरिगामी दृष्टिकोण का पता लगाया गया है, और तरल इलेक्ट्रोलाइट द्वारा गेट किए गए ट्रांजिस्टर को 240% (35) तक बढ़ाया जा सकता है। हालाँकि, इस विधि के लिए निलंबित ग्राफीन की आवश्यकता होती है, जो निर्माण प्रक्रिया को जटिल बनाती है।
यहां, हम ग्राफीन परतों के बीच ग्राफीन स्क्रॉल (~ 1 से 20 μm लंबा, ~ 0.1 से 1 μm चौड़ा, और ~ 10 से 100 एनएम ऊंचा) को जोड़कर अत्यधिक स्ट्रेचेबल ग्राफीन डिवाइस प्राप्त करते हैं। हम परिकल्पना करते हैं कि ये ग्राफीन स्क्रॉल ग्राफीन शीट्स में दरारें पाटने के लिए प्रवाहकीय पथ प्रदान कर सकते हैं, इस प्रकार तनाव के तहत उच्च चालकता बनाए रख सकते हैं। ग्राफीन स्क्रॉल को अतिरिक्त संश्लेषण या प्रक्रिया की आवश्यकता नहीं होती है; वे गीली स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान स्वाभाविक रूप से बनते हैं। मल्टीलेयर जी/जी (ग्राफीन/ग्राफीन) स्क्रॉल (एमजीजी) ग्राफीन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड (स्रोत/ड्रेन और गेट) और सेमीकंडक्टिंग सीएनटी का उपयोग करके, हम अत्यधिक पारदर्शी और अत्यधिक स्ट्रेचेबल ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर प्रदर्शित करने में सक्षम थे, जिसे 120 तक बढ़ाया जा सकता है। % तनाव (आवेश परिवहन की दिशा के समानांतर) और उनके मूल वर्तमान आउटपुट का 60% बनाए रखें। यह अब तक का सबसे अधिक फैलने योग्य पारदर्शी कार्बन-आधारित ट्रांजिस्टर है, और यह एक अकार्बनिक एलईडी को चलाने के लिए पर्याप्त करंट प्रदान करता है।
बड़े क्षेत्र के पारदर्शी स्ट्रेचेबल ग्राफीन इलेक्ट्रोड को सक्षम करने के लिए, हमने Cu फ़ॉइल पर CVD-विकसित ग्राफीन को चुना। Cu पन्नी को CVD क्वार्ट्ज ट्यूब के केंद्र में निलंबित कर दिया गया था ताकि दोनों तरफ ग्राफीन की वृद्धि हो सके, जिससे G/Cu/G संरचनाएं बन सकें। ग्राफीन को स्थानांतरित करने के लिए, हमने पहले ग्राफीन के एक तरफ की सुरक्षा के लिए पॉली (मिथाइल मेथैक्रिलेट) (पीएमएमए) की एक पतली परत को घुमाया, जिसे हमने टॉपसाइड ग्राफीन नाम दिया (ग्राफीन के दूसरे पक्ष के लिए इसके विपरीत), और बाद में, Cu फ़ॉइल को निकालने के लिए पूरी फिल्म (PMMA/टॉप ग्राफीन/Cu/बॉटम ग्राफीन) को (NH4)2S2O8 घोल में भिगोया गया। पीएमएमए कोटिंग के बिना नीचे की ओर ग्राफीन में अपरिहार्य रूप से दरारें और दोष होंगे जो एक नक़्क़ाशी को घुसने की अनुमति देते हैं (36, 37)। जैसा कि चित्र 1ए में दिखाया गया है, सतह तनाव के प्रभाव के तहत, जारी ग्राफीन डोमेन स्क्रॉल में लुढ़क गए और बाद में शेष शीर्ष-जी/पीएमएमए फिल्म से जुड़ गए। शीर्ष-जी/जी स्क्रॉल को किसी भी सब्सट्रेट, जैसे SiO2/Si, ग्लास, या नरम पॉलिमर पर स्थानांतरित किया जा सकता है। इस स्थानांतरण प्रक्रिया को एक ही सब्सट्रेट पर कई बार दोहराने से एमजीजी संरचनाएं मिलती हैं।
(ए) स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड के रूप में एमजीजी के लिए निर्माण प्रक्रिया का योजनाबद्ध चित्रण। ग्राफीन स्थानांतरण के दौरान, Cu फ़ॉइल पर पीछे की ओर ग्राफीन को सीमाओं और दोषों पर तोड़ दिया गया, मनमाने आकार में लपेटा गया, और ऊपरी फिल्मों पर कसकर जोड़ा गया, जिससे नैनोस्क्रॉल बन गए। चौथा कार्टून खड़ी एमजीजी संरचना को दर्शाता है। (बी और सी) एक मोनोलेयर एमजीजी के उच्च-रिज़ॉल्यूशन टीईएम लक्षण वर्णन, क्रमशः मोनोलेयर ग्राफीन (बी) और स्क्रॉल (सी) क्षेत्र पर ध्यान केंद्रित करते हैं। (बी) का इनसेट एक कम आवर्धन वाली छवि है जो टीईएम ग्रिड पर मोनोलेयर एमजीजी की समग्र आकृति विज्ञान को दर्शाती है। (सी) के इनसेट छवि में दर्शाए गए आयताकार बक्से के साथ ली गई तीव्रता प्रोफाइल हैं, जहां परमाणु विमानों के बीच की दूरी 0.34 और 0.41 एनएम है। (डी) कार्बन के-एज ईईएल स्पेक्ट्रम जिसमें विशेषता ग्रेफाइटिक π* और σ* चोटियां लेबल की गई हैं। (ई) मोनोलेयर जी/जी की अनुभागीय एएफएम छवि पीली बिंदीदार रेखा के साथ ऊंचाई प्रोफ़ाइल के साथ स्क्रॉल करती है। (एफ से आई) ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और ट्राइलेयर जी की एएफएम छवि क्रमशः (एफ और एच) के बिना और 300-एनएम-मोटी SiO2/Si सबस्ट्रेट्स पर स्क्रॉल (जी और आई) के साथ। उनके अंतर को उजागर करने के लिए प्रतिनिधि स्क्रॉल और झुर्रियों को लेबल किया गया था।
यह सत्यापित करने के लिए कि स्क्रॉल प्रकृति में रोल्ड ग्राफीन हैं, हमने मोनोलेयर टॉप-जी/जी स्क्रॉल संरचनाओं पर उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि (ईईएल) स्पेक्ट्रोस्कोपी अध्ययन किया। चित्र 1बी एक मोनोलेयर ग्राफीन की हेक्सागोनल संरचना को दर्शाता है, और इनसेट टीईएम ग्रिड के एकल कार्बन छेद पर कवर की गई फिल्म की समग्र आकृति विज्ञान है। मोनोलेयर ग्राफीन अधिकांश ग्रिड तक फैला हुआ है, और हेक्सागोनल रिंगों के कई ढेरों की उपस्थिति में कुछ ग्राफीन के टुकड़े दिखाई देते हैं (छवि 1 बी)। एक व्यक्तिगत स्क्रॉल (छवि 1 सी) में ज़ूम करके, हमने 0.34 से 0.41 एनएम की सीमा में जाली अंतर के साथ बड़ी मात्रा में ग्राफीन जाली फ्रिंज देखे। इन मापों से पता चलता है कि गुच्छे बेतरतीब ढंग से लुढ़के हुए हैं और सही ग्रेफाइट नहीं हैं, जिसमें "एबीएबी" परत स्टैकिंग में 0.34 एनएम की जाली रिक्ति है। चित्र 1डी कार्बन के-एज ईईएल स्पेक्ट्रम दिखाता है, जहां 285 ईवी पर शिखर π* ऑर्बिटल से उत्पन्न होता है और दूसरा 290 ईवी के आसपास σ* ऑर्बिटल के संक्रमण के कारण होता है। यह देखा जा सकता है कि इस संरचना में sp2 बॉन्डिंग हावी है, जिससे यह पुष्टि होती है कि स्क्रॉल अत्यधिक ग्राफ़िक हैं।
ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) छवियां एमजीजी (छवि 1, ई से जी, और अंजीर। एस 1 और एस 2) में ग्राफीन नैनोस्क्रॉल के वितरण में अंतर्दृष्टि प्रदान करती हैं। स्क्रॉल को सतह पर बेतरतीब ढंग से वितरित किया जाता है, और उनका इन-प्लेन घनत्व स्टैक्ड परतों की संख्या के अनुपात में बढ़ जाता है। कई स्क्रॉल गांठों में उलझे हुए हैं और 10 से 100 एनएम की सीमा में गैर-समान ऊंचाई प्रदर्शित करते हैं। वे 1 से 20 μm लंबे और 0.1 से 1 μm चौड़े होते हैं, जो उनके प्रारंभिक ग्राफीन के टुकड़ों के आकार पर निर्भर करता है। जैसा कि चित्र 1 (एच और आई) में दिखाया गया है, स्क्रॉल में झुर्रियों की तुलना में काफी बड़े आकार होते हैं, जिससे ग्राफीन परतों के बीच बहुत अधिक कठोर इंटरफ़ेस होता है।
विद्युत गुणों को मापने के लिए, हमने फोटोलिथोग्राफी का उपयोग करके 300-माइक्रोन-चौड़ी और 2000-माइक्रोन-लंबी स्ट्रिप्स में स्क्रॉल संरचनाओं और परत स्टैकिंग के साथ या बिना ग्राफीन फिल्मों को पैटर्न दिया। तनाव के कार्य के रूप में दो-जांच प्रतिरोधों को परिवेशी परिस्थितियों में मापा गया। स्क्रॉल की उपस्थिति ने मोनोलेयर ग्राफीन के लिए प्रतिरोधकता को 80% तक कम कर दिया और संप्रेषण में केवल 2.2% की कमी आई (चित्र। एस4)। यह पुष्टि करता है कि नैनोस्क्रॉल, जिनका वर्तमान घनत्व 5 × 107 ए/सेमी2 (38, 39) तक है, एमजीजी में बहुत सकारात्मक विद्युत योगदान देते हैं। सभी मोनो-, बाय- और ट्राइलेयर प्लेन ग्राफीन और एमजीजी के बीच, ट्राइलेयर एमजीजी में लगभग 90% की पारदर्शिता के साथ सबसे अच्छा संचालन होता है। साहित्य में रिपोर्ट किए गए ग्राफीन के अन्य स्रोतों के साथ तुलना करने के लिए, हमने चार-जांच शीट प्रतिरोधों (छवि एस 5) को भी मापा और उन्हें चित्र 2 ए में 550 एनएम (छवि एस 6) पर संप्रेषण के एक फ़ंक्शन के रूप में सूचीबद्ध किया। एमजीजी कृत्रिम रूप से स्टैक्ड मल्टीलायर प्लेन ग्राफीन और कम ग्राफीन ऑक्साइड (आरजीओ) (6, 8, 18) की तुलना में तुलनीय या उच्च चालकता और पारदर्शिता दिखाता है। ध्यान दें कि साहित्य से कृत्रिम रूप से स्टैक्ड बहुपरत सादे ग्राफीन की शीट प्रतिरोध हमारे एमजीजी की तुलना में थोड़ा अधिक है, शायद उनकी अअनुकूलित विकास स्थितियों और स्थानांतरण विधि के कारण।
(ए) कई प्रकार के ग्राफीन के लिए 550 एनएम पर चार-जांच शीट प्रतिरोध बनाम संप्रेषण, जहां काले वर्ग मोनो-, द्वि- और त्रिपरत एमजीजी को दर्शाते हैं; लाल वृत्त और नीले त्रिकोण ली एट अल के अध्ययन से Cu और Ni पर उगाए गए बहुपरत सादे ग्राफीन से मेल खाते हैं। (6) और किम एट अल। (8), क्रमशः, और बाद में SiO2/Si या क्वार्ट्ज पर स्थानांतरित कर दिया गया; और हरे त्रिकोण बोनाकोर्सो एट अल के अध्ययन से अलग-अलग कम करने वाली डिग्री पर आरजीओ के लिए मूल्य हैं। (18). (बी और सी) वर्तमान प्रवाह की दिशा में लंबवत (बी) और समानांतर (सी) तनाव के एक समारोह के रूप में मोनो-, द्वि- और ट्राइलेयर एमजीजी और जी का सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (डी) 50% लंबवत तनाव तक लोड होने वाले चक्रीय तनाव के तहत बाइलेयर जी (लाल) और एमजीजी (काला) का सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (ई) 90% समानांतर तनाव तक लोड होने वाले चक्रीय तनाव के तहत ट्राइलेयर जी (लाल) और एमजीजी (काला) का सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन। (एफ) तनाव के कार्य के रूप में मोनो-, द्वि- और त्रिपरत जी और द्वि- और त्रिपरत एमजीजी का सामान्यीकृत समाई परिवर्तन। इनसेट कैपेसिटर संरचना है, जहां पॉलिमर सब्सट्रेट एसईबीएस है और पॉलिमर ढांकता हुआ परत 2-μm-मोटी एसईबीएस है।
एमजीजी के तनाव-निर्भर प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए, हमने ग्राफीन को थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमेर स्टाइरीन-एथिलीन-ब्यूटाडीन-स्टाइरीन (एसईबीएस) सब्सट्रेट्स (~ 2 सेमी चौड़ा और ~ 5 सेमी लंबा) पर स्थानांतरित किया, और सब्सट्रेट के खिंचने पर चालकता को मापा गया। (सामग्री और विधियाँ देखें) धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत और समानांतर दोनों (चित्र 2, बी और सी)। नैनोस्क्रॉल के समावेश और ग्राफीन परतों की बढ़ती संख्या के साथ तनाव-निर्भर विद्युत व्यवहार में सुधार हुआ। उदाहरण के लिए, जब मोनोलेयर ग्राफीन के लिए तनाव वर्तमान प्रवाह के लंबवत होता है, तो स्क्रॉल के जुड़ने से विद्युत टूटने पर तनाव 5 से 70% तक बढ़ जाता है। मोनोलेयर ग्राफीन की तुलना में ट्राइलेयर ग्राफीन की तनाव सहनशीलता में भी काफी सुधार हुआ है। नैनोस्क्रॉल के साथ, 100% लंबवत तनाव पर, ट्राइलेयर एमजीजी संरचना का प्रतिरोध केवल 50% बढ़ गया, जबकि स्क्रॉल के बिना ट्राइलेयर ग्राफीन के लिए 300% की वृद्धि हुई। चक्रीय तनाव लोड के तहत प्रतिरोध परिवर्तन की जांच की गई। तुलना के लिए (चित्र 2डी), एक सादे बाइलेयर ग्राफीन फिल्म का प्रतिरोध 50% लंबवत तनाव पर ~700 चक्रों के बाद लगभग 7.5 गुना बढ़ गया और प्रत्येक चक्र में तनाव के साथ बढ़ता रहा। दूसरी ओर, एक बाइलेयर एमजीजी का प्रतिरोध ~700 चक्रों के बाद केवल 2.5 गुना बढ़ गया। समानांतर दिशा में 90% तक तनाव लागू करने पर, 1000 चक्रों के बाद त्रिपरत ग्राफीन का प्रतिरोध ~100 गुना बढ़ गया, जबकि त्रिपरत एमजीजी में यह केवल ~8 गुना है (चित्र 2ई)। साइकिल चलाने के परिणाम अंजीर में दिखाए गए हैं। एस7. समानांतर तनाव दिशा के साथ प्रतिरोध में अपेक्षाकृत तेज़ वृद्धि इसलिए होती है क्योंकि दरारों का अभिविन्यास धारा प्रवाह की दिशा के लंबवत होता है। लोडिंग और अनलोडिंग तनाव के दौरान प्रतिरोध का विचलन एसईबीएस इलास्टोमेर सब्सट्रेट की विस्कोइलास्टिक रिकवरी के कारण होता है। साइकिल चलाने के दौरान एमजीजी स्ट्रिप्स का अधिक स्थिर प्रतिरोध बड़े स्क्रॉल की उपस्थिति के कारण होता है जो ग्राफीन के टूटे हुए हिस्सों को पाट सकता है (जैसा कि एएफएम द्वारा बताया गया है), एक रिसने वाले मार्ग को बनाए रखने में मदद करता है। इलास्टोमेर सब्सट्रेट्स (40, 41) पर टूटी हुई धातु या अर्धचालक फिल्मों के लिए एक रिसने वाले मार्ग द्वारा चालकता बनाए रखने की यह घटना पहले भी बताई गई है।
स्ट्रेचेबल उपकरणों में गेट इलेक्ट्रोड के रूप में इन ग्राफीन-आधारित फिल्मों का मूल्यांकन करने के लिए, हमने ग्राफीन परत को एसईबीएस ढांकता हुआ परत (2 माइक्रोन मोटी) के साथ कवर किया और तनाव के एक समारोह के रूप में ढांकता हुआ समाई परिवर्तन की निगरानी की (चित्र 2F और अनुपूरक सामग्री देखें)। विवरण)। हमने देखा कि ग्राफीन की इन-प्लेन चालकता के नुकसान के कारण सादे मोनोलेयर और बाइलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड के साथ कैपेसिटेंस तेजी से कम हो गए। इसके विपरीत, एमजीजी के साथ-साथ सादे ट्राइलेयर ग्राफीन द्वारा गेट किए गए कैपेसिटेंस में तनाव के साथ कैपेसिटेंस में वृद्धि देखी गई, जो तनाव के साथ ढांकता हुआ मोटाई में कमी के कारण अपेक्षित है। कैपेसिटेंस में अपेक्षित वृद्धि एमजीजी संरचना (चित्र S8) के साथ बहुत अच्छी तरह से मेल खाती है। यह इंगित करता है कि एमजीजी स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर के लिए गेट इलेक्ट्रोड के रूप में उपयुक्त है।
विद्युत चालकता के तनाव सहनशीलता पर 1डी 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 बदलने के लिए स्प्रे-लेपित सीएनटी का उपयोग किया (पूरक सामग्री देखें)। एमजीजी संरचनाओं की नकल करने के लिए, हमने सीएनटी की तीन घनत्व जमा कीं (यानी, सीएनटी1
(ए से सी) सीएनटी के तीन अलग-अलग घनत्वों की एएफएम छवियां (सीएनटी1
स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए इलेक्ट्रोड के रूप में उनकी क्षमता को और समझने के लिए, हमने तनाव के तहत एमजीजी और जी-सीएनटी-जी की आकृति विज्ञान की व्यवस्थित रूप से जांच की। ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) प्रभावी लक्षण वर्णन विधियां नहीं हैं क्योंकि दोनों में रंग विरोधाभास की कमी है और एसईएम इलेक्ट्रॉन स्कैनिंग के दौरान छवि कलाकृतियों के अधीन है जब ग्राफीन पॉलिमर सब्सट्रेट्स (अंजीर। एस 9 और एस 10) पर होता है। तनाव के तहत ग्राफीन की सतह को यथास्थान देखने के लिए, हमने बहुत पतले (~ 0.1 मिमी मोटे) और लोचदार एसईबीएस सब्सट्रेट्स पर स्थानांतरित करने के बाद ट्राइलेयर एमजीजी और सादे ग्राफीन पर एएफएम माप एकत्र किए। सीवीडी ग्राफीन में आंतरिक दोषों और स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान बाहरी क्षति के कारण, तनावपूर्ण ग्राफीन पर दरारें अनिवार्य रूप से उत्पन्न होती हैं, और तनाव बढ़ने के साथ, दरारें सघन हो गईं (चित्र 4, ए से डी)। कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोड की स्टैकिंग संरचना के आधार पर, दरारें विभिन्न आकारिकी प्रदर्शित करती हैं (चित्र। S11) (27)। मल्टीलेयर ग्राफीन का क्रैक क्षेत्र घनत्व (क्रैक क्षेत्र/विश्लेषित क्षेत्र के रूप में परिभाषित) तनाव के बाद मोनोलेयर ग्राफीन की तुलना में कम है, जो एमजीजी के लिए विद्युत चालकता में वृद्धि के अनुरूप है। दूसरी ओर, दरारों को पाटने के लिए स्क्रॉल को अक्सर देखा जाता है, जो तनी हुई फिल्म में अतिरिक्त प्रवाहकीय मार्ग प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, जैसा कि चित्र 4 बी की छवि में लेबल किया गया है, एक विस्तृत स्क्रॉल ट्राइलेयर एमजीजी में एक दरार को पार कर गया है, लेकिन सादे ग्राफीन (छवि 4, ई से एच) में कोई स्क्रॉल नहीं देखा गया था। इसी तरह, सीएनटी ने ग्राफीन में दरारें भी पाट दीं (चित्र S11)। दरार क्षेत्र घनत्व, स्क्रॉल क्षेत्र घनत्व और फिल्मों की खुरदरापन को चित्र 4K में संक्षेपित किया गया है।
(ए से एच) 0, 20, 60 और 100 पर बहुत पतले एसईबीएस (~ 0.1 मिमी मोटी) इलास्टोमेर पर ट्राइलेयर जी/जी स्क्रॉल (ए से डी) और ट्राइलेयर जी संरचनाओं (ई से एच) की सीटू एएफएम छवियां % छानना। प्रतिनिधि दरारें और स्क्रॉल तीरों से इंगित किए गए हैं। सभी एएफएम छवियां 15 μm × 15 μm के क्षेत्र में हैं, जो लेबल के अनुसार समान रंग स्केल बार का उपयोग करती हैं। (I) एसईबीएस सब्सट्रेट पर पैटर्न वाले मोनोलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड की सिमुलेशन ज्यामिति। (जे) मोनोलेयर ग्राफीन में अधिकतम प्रिंसिपल लॉगरिदमिक स्ट्रेन और 20% बाहरी स्ट्रेन पर एसईबीएस सब्सट्रेट का सिमुलेशन समोच्च मानचित्र। (के) विभिन्न ग्राफीन संरचनाओं के लिए दरार क्षेत्र घनत्व (लाल स्तंभ), स्क्रॉल क्षेत्र घनत्व (पीला स्तंभ), और सतह खुरदरापन (नीला स्तंभ) की तुलना।
जब एमजीजी फिल्में खींची जाती हैं, तो एक महत्वपूर्ण अतिरिक्त तंत्र होता है कि स्क्रॉल ग्राफीन के टूटे हुए क्षेत्रों को पाट सकता है, जिससे एक रिसने वाला नेटवर्क बना रहता है। ग्राफीन स्क्रॉल आशाजनक हैं क्योंकि वे लंबाई में दसियों माइक्रोमीटर हो सकते हैं और इसलिए उन दरारों को पाटने में सक्षम हैं जो आमतौर पर माइक्रोमीटर पैमाने तक होती हैं। इसके अलावा, क्योंकि स्क्रॉल में ग्राफीन की बहुपरत होती है, इसलिए उनसे कम प्रतिरोध होने की उम्मीद की जाती है। इसकी तुलना में, अपेक्षाकृत घने (कम संप्रेषण) सीएनटी नेटवर्क को तुलनीय प्रवाहकीय ब्रिजिंग क्षमता प्रदान करने की आवश्यकता होती है, क्योंकि सीएनटी छोटे होते हैं (आमतौर पर लंबाई में कुछ माइक्रोमीटर) और स्क्रॉल की तुलना में कम प्रवाहकीय होते हैं। दूसरी ओर, छवि के रूप में दिखाया गया। एस12, जबकि ग्राफीन तनाव को समायोजित करने के लिए खींचने के दौरान टूट जाता है, स्क्रॉल क्रैक नहीं होते हैं, यह दर्शाता है कि उत्तरार्द्ध अंतर्निहित ग्राफीन पर फिसल रहा हो सकता है। उनके न फटने का कारण संभवतः लुढ़की हुई संरचना है, जो ग्राफीन की कई परतों (~1 से 2 0 माइक्रोमीटर लंबी, ~0.1 से 1 माइक्रोमीटर चौड़ी, और ~10 से 100 एनएम ऊंची) से बनी होती है, जो कि सिंगल-लेयर ग्राफीन की तुलना में अधिक प्रभावी मापांक। जैसा कि ग्रीन और हर्सम (42) द्वारा रिपोर्ट किया गया है, धातु सीएनटी नेटवर्क (1.0 एनएम का ट्यूब व्यास) सीएनटी के बीच बड़े जंक्शन प्रतिरोध के बावजूद कम शीट प्रतिरोध <100 ओम/वर्ग प्राप्त कर सकते हैं। यह ध्यान में रखते हुए कि हमारे ग्राफीन स्क्रॉल की चौड़ाई 0.1 से 1 माइक्रोमीटर है और जी/जी स्क्रॉल में सीएनटी की तुलना में बहुत बड़े संपर्क क्षेत्र हैं, ग्राफीन और ग्राफीन स्क्रॉल के बीच संपर्क प्रतिरोध और संपर्क क्षेत्र उच्च चालकता बनाए रखने के लिए कारकों को सीमित नहीं करना चाहिए।
एसईबीएस सब्सट्रेट की तुलना में ग्राफीन का मापांक बहुत अधिक है। यद्यपि ग्राफीन इलेक्ट्रोड की प्रभावी मोटाई सब्सट्रेट की तुलना में बहुत कम है, ग्राफीन की कठोरता इसकी मोटाई से गुणा सब्सट्रेट (43, 44) के बराबर है, जिसके परिणामस्वरूप एक मध्यम कठोर-द्वीप प्रभाव होता है। हमने एसईबीएस सब्सट्रेट पर 1-एनएम-मोटी ग्राफीन के विरूपण का अनुकरण किया (विवरण के लिए पूरक सामग्री देखें)। सिमुलेशन परिणामों के अनुसार, जब एसईबीएस सब्सट्रेट पर बाहरी रूप से 20% तनाव लागू किया जाता है, तो ग्राफीन में औसत तनाव ~ 6.6% (छवि 4 जे और अंजीर। एस 13 डी) है, जो प्रयोगात्मक टिप्पणियों के अनुरूप है (अंजीर देखें। एस 13) . हमने ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके पैटर्न वाले ग्राफीन और सब्सट्रेट क्षेत्रों में तनाव की तुलना की और पाया कि सब्सट्रेट क्षेत्र में तनाव ग्राफीन क्षेत्र में तनाव से कम से कम दोगुना है। यह इंगित करता है कि ग्राफीन इलेक्ट्रोड पैटर्न पर लागू तनाव को काफी हद तक सीमित किया जा सकता है, जिससे एसईबीएस (26, 43, 44) के शीर्ष पर ग्राफीन कठोर द्वीप बन सकते हैं।
इसलिए, उच्च तनाव के तहत उच्च चालकता बनाए रखने के लिए एमजीजी इलेक्ट्रोड की क्षमता दो प्रमुख तंत्रों द्वारा सक्षम होने की संभावना है: (i) स्क्रॉल एक प्रवाहकीय अंतःस्रावी मार्ग को बनाए रखने के लिए डिस्कनेक्ट किए गए क्षेत्रों को पाट सकते हैं, और (ii) मल्टीलेयर ग्राफीन शीट / इलास्टोमेर स्लाइड कर सकते हैं एक दूसरे के ऊपर, जिसके परिणामस्वरूप ग्राफीन इलेक्ट्रोड पर तनाव कम हो गया। इलास्टोमेर पर स्थानांतरित ग्राफीन की कई परतों के लिए, परतें एक-दूसरे से मजबूती से जुड़ी नहीं होती हैं, जो तनाव (27) की प्रतिक्रिया में फिसल सकती हैं। स्क्रॉल ने ग्राफीन परतों की खुरदरापन को भी बढ़ा दिया, जो ग्राफीन परतों के बीच अलगाव को बढ़ाने में मदद कर सकता है और इसलिए ग्राफीन परतों के फिसलने को सक्षम कर सकता है।
कम लागत और उच्च थ्रूपुट के कारण ऑल-कार्बन उपकरणों का उत्साहपूर्वक अनुसरण किया जाता है। हमारे मामले में, सभी-कार्बन ट्रांजिस्टर को एक निचले ग्राफीन गेट, एक शीर्ष ग्राफीन स्रोत/नाली संपर्क, एक क्रमबद्ध सीएनटी अर्धचालक और एक ढांकता हुआ के रूप में एसईबीएस का उपयोग करके निर्मित किया गया था (चित्र 5 ए)। जैसा कि चित्र 5बी में दिखाया गया है, स्रोत/नाली और गेट (निचला उपकरण) के रूप में सीएनटी वाला एक पूर्ण-कार्बन उपकरण ग्राफीन इलेक्ट्रोड (शीर्ष उपकरण) वाले उपकरण की तुलना में अधिक अपारदर्शी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि CNT नेटवर्क को बड़ी मोटाई की आवश्यकता होती है और परिणामस्वरूप, ग्राफीन के समान शीट प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए कम ऑप्टिकल ट्रांसमिशन की आवश्यकता होती है (चित्र S4)। चित्र 5 (सी और डी) बाइलेयर एमजीजी इलेक्ट्रोड से बने ट्रांजिस्टर के लिए तनाव से पहले प्रतिनिधि स्थानांतरण और आउटपुट वक्र दिखाता है। अप्रतिबंधित ट्रांजिस्टर की चैनल चौड़ाई और लंबाई क्रमशः 800 और 100 μm थी। मापा गया ऑन/ऑफ अनुपात क्रमशः 10-5 और 10-8 ए के स्तर पर चालू और बंद धाराओं के साथ 103 से अधिक है। आउटपुट वक्र स्पष्ट गेट-वोल्टेज निर्भरता के साथ आदर्श रैखिक और संतृप्ति शासन प्रदर्शित करता है, जो सीएनटी और ग्राफीन इलेक्ट्रोड (45) के बीच आदर्श संपर्क का संकेत देता है। ग्राफीन इलेक्ट्रोड के साथ संपर्क प्रतिरोध वाष्पीकृत एयू फिल्म की तुलना में कम देखा गया (चित्र देखें। S14)। स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर की संतृप्ति गतिशीलता लगभग 5.6 सेमी2/Vs है, जो ढांकता हुआ परत के रूप में 300-एनएम SiO2 के साथ कठोर Si सब्सट्रेट पर समान पॉलिमर-सॉर्ट किए गए CNT ट्रांजिस्टर के समान है। अनुकूलित ट्यूब घनत्व और अन्य प्रकार की ट्यूबों (46) के साथ गतिशीलता में और सुधार संभव है।
(ए) ग्राफीन-आधारित स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर की योजना। SWNTs, एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब। (बी) ग्राफीन इलेक्ट्रोड (ऊपर) और सीएनटी इलेक्ट्रोड (नीचे) से बने स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर का फोटो। पारदर्शिता में अंतर स्पष्ट रूप से ध्यान देने योग्य है। (सी और डी) तनाव से पहले एसईबीएस पर ग्राफीन-आधारित ट्रांजिस्टर का स्थानांतरण और आउटपुट वक्र। (ई और एफ) स्थानांतरण वक्र, चालू और बंद वर्तमान, चालू/बंद अनुपात, और विभिन्न उपभेदों पर ग्राफीन-आधारित ट्रांजिस्टर की गतिशीलता।
जब पारदर्शी, पूर्ण-कार्बन उपकरण को चार्ज परिवहन दिशा के समानांतर दिशा में बढ़ाया गया, तो 120% तनाव तक न्यूनतम गिरावट देखी गई। स्ट्रेचिंग के दौरान, गतिशीलता लगातार 0% तनाव पर 5.6 सेमी2/Vs से घटकर 120% तनाव पर 2.5 सेमी2/Vs हो गई (चित्र 5F)। हमने विभिन्न चैनल लंबाई के लिए ट्रांजिस्टर प्रदर्शन की तुलना भी की (तालिका S1 देखें)। उल्लेखनीय रूप से, 105% जितने बड़े तनाव पर, ये सभी ट्रांजिस्टर अभी भी उच्च चालू/बंद अनुपात (>103) और गतिशीलता (>3 सेमी2/वीएस) प्रदर्शित करते हैं। इसके अलावा, हमने ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर पर हाल के सभी कार्यों का सारांश दिया है (तालिका S2 देखें) (47-52)। इलास्टोमर्स पर डिवाइस निर्माण को अनुकूलित करके और संपर्कों के रूप में एमजीजी का उपयोग करके, हमारे सभी-कार्बन ट्रांजिस्टर गतिशीलता और हिस्टैरिसीस के साथ-साथ अत्यधिक खिंचाव के मामले में अच्छा प्रदर्शन दिखाते हैं।
पूरी तरह से पारदर्शी और स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर के अनुप्रयोग के रूप में, हमने इसका उपयोग एलईडी के स्विचिंग को नियंत्रित करने के लिए किया (चित्र 6ए)। जैसा कि चित्र 6बी में दिखाया गया है, हरे एलईडी को सीधे ऊपर रखे गए स्ट्रेचेबल ऑल-कार्बन डिवाइस के माध्यम से स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है। ~100% (छवि 6, सी और डी) तक विस्तार करते समय, एलईडी प्रकाश की तीव्रता नहीं बदलती है, जो ऊपर वर्णित ट्रांजिस्टर प्रदर्शन के अनुरूप है (मूवी एस1 देखें)। ग्राफीन इलेक्ट्रोड का उपयोग करके बनाई गई स्ट्रेचेबल नियंत्रण इकाइयों की यह पहली रिपोर्ट है, जो ग्राफीन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक नई संभावना का प्रदर्शन करती है।
(ए) एलईडी को चलाने के लिए ट्रांजिस्टर का सर्किट। जीएनडी, जमीन. (बी) हरे एलईडी के ऊपर लगे 0% स्ट्रेन पर स्ट्रेचेबल और पारदर्शी ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर का फोटो। (सी) एलईडी को स्विच करने के लिए उपयोग किए जाने वाले पूर्ण-कार्बन पारदर्शी और स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर को एलईडी के ऊपर 0% (बाएं) और ~100% स्ट्रेन (दाएं) पर लगाया जा रहा है। सफेद तीर डिवाइस पर पीले मार्कर के रूप में इंगित करते हैं ताकि दूरी में बदलाव को दिखाया जा सके। (डी) फैले हुए ट्रांजिस्टर का पार्श्व दृश्य, जिसमें एलईडी को इलास्टोमेर में धकेला गया है।
निष्कर्ष में, हमने एक पारदर्शी प्रवाहकीय ग्राफीन संरचना विकसित की है जो स्टैक्ड ग्राफीन परतों के बीच ग्राफीन नैनोस्क्रॉल द्वारा सक्षम, स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रोड के रूप में बड़े तनाव के तहत उच्च चालकता बनाए रखती है। एक इलास्टोमेर पर ये द्वि- और त्रिपरत एमजीजी इलेक्ट्रोड संरचनाएं अपने 0% तनाव चालकता को 100% तक के तनाव पर क्रमशः 21 और 65% बनाए रख सकती हैं, जबकि विशिष्ट मोनोलेयर ग्राफीन इलेक्ट्रोड के लिए 5% तनाव पर चालकता का पूरा नुकसान होता है। . ग्राफीन स्क्रॉल के अतिरिक्त प्रवाहकीय पथ और साथ ही स्थानांतरित परतों के बीच कमजोर बातचीत तनाव के तहत बेहतर चालकता स्थिरता में योगदान करती है। हमने ऑल-कार्बन स्ट्रेचेबल ट्रांजिस्टर बनाने के लिए इस ग्राफीन संरचना को आगे लागू किया। अब तक, यह बकलिंग का उपयोग किए बिना सर्वोत्तम पारदर्शिता वाला सबसे अधिक फैलने योग्य ग्राफीन-आधारित ट्रांजिस्टर है। हालाँकि वर्तमान अध्ययन स्ट्रेचेबल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए ग्राफीन को सक्षम करने के लिए आयोजित किया गया था, हमारा मानना ​​है कि स्ट्रेचेबल 2डी इलेक्ट्रॉनिक्स को सक्षम करने के लिए इस दृष्टिकोण को अन्य 2डी सामग्रियों तक बढ़ाया जा सकता है।
बड़े क्षेत्र के सीवीडी ग्राफीन को निलंबित Cu फ़ॉइल (99.999%; अल्फ़ा एज़र) पर 0.5 mtorr के निरंतर दबाव में 50-SCCM (मानक घन सेंटीमीटर प्रति मिनट) CH4 और 20-SCCM H2 के साथ 1000 डिग्री सेल्सियस पर अग्रदूत के रूप में उगाया गया था। Cu फ़ॉइल के दोनों किनारे मोनोलेयर ग्राफीन से ढके हुए थे। PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) की एक पतली परत Cu फ़ॉइल के एक तरफ स्पिन-लेपित की गई, जिससे PMMA/G/Cu फ़ॉइल/G संरचना बनी। बाद में, Cu फ़ॉइल को निकालने के लिए पूरी फ़िल्म को 0.1 M अमोनियम परसल्फेट [(NH4)2S2O8] घोल में लगभग 2 घंटे तक भिगोया गया। इस प्रक्रिया के दौरान, असुरक्षित पिछला ग्राफीन पहले अनाज की सीमाओं के साथ फटा और फिर सतह के तनाव के कारण स्क्रॉल में लुढ़क गया। स्क्रॉल को पीएमएमए-समर्थित ऊपरी ग्राफीन फिल्म से जोड़ा गया, जिससे पीएमएमए/जी/जी स्क्रॉल बने। बाद में फिल्मों को विआयनीकृत पानी में कई बार धोया गया और एक लक्ष्य सब्सट्रेट, जैसे कठोर SiO2/Si या प्लास्टिक सब्सट्रेट पर रखा गया। जैसे ही संलग्न फिल्म सब्सट्रेट पर सूख गई, पीएमएमए को हटाने के लिए नमूना को क्रमिक रूप से एसीटोन, 1:1 एसीटोन/आईपीए (आइसोप्रोपिल अल्कोहल) और आईपीए में 30 सेकंड के लिए भिगोया गया। फिल्मों को 15 मिनट के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर गर्म किया गया या जी/जी स्क्रॉल की एक और परत डालने से पहले फंसे हुए पानी को पूरी तरह से निकालने के लिए रात भर वैक्यूम में रखा गया। यह कदम सब्सट्रेट से ग्राफीन फिल्म को अलग होने से बचाने और पीएमएमए वाहक परत की रिहाई के दौरान एमजीजी की पूर्ण कवरेज सुनिश्चित करने के लिए था।
एमजीजी संरचना की आकृति विज्ञान को एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप (लीका) और एक स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (1 केवी; एफईआई) का उपयोग करके देखा गया था। जी स्क्रॉल के विवरण का निरीक्षण करने के लिए एक परमाणु बल माइक्रोस्कोप (नैनोस्कोप III, डिजिटल उपकरण) को टैपिंग मोड में संचालित किया गया था। फिल्म पारदर्शिता का परीक्षण एक पराबैंगनी-दृश्यमान स्पेक्ट्रोमीटर (एगिलेंट कैरी 6000i) द्वारा किया गया था। परीक्षणों के लिए जब तनाव वर्तमान प्रवाह की लंबवत दिशा के साथ था, फोटोलिथोग्राफी और O2 प्लाज्मा का उपयोग ग्राफीन संरचनाओं को स्ट्रिप्स (~ 300 μm चौड़ा और ~ 2000 μm लंबा) में पैटर्न करने के लिए किया गया था, और Au (50 एनएम) इलेक्ट्रोड का उपयोग करके थर्मल रूप से जमा किया गया था लंबी तरफ के दोनों सिरों पर छाया मास्क। ग्राफीन स्ट्रिप्स को तब एक एसईबीएस इलास्टोमेर (~ 2 सेमी चौड़ा और ~ 5 सेमी लंबा) के संपर्क में रखा गया था, जिसमें एसईबीएस के छोटे पक्ष के समानांतर स्ट्रिप्स की लंबी धुरी थी, जिसके बाद बीओई (बफर ऑक्साइड ईच) (एचएफ: एच 2 ओ) था। 1:6) विद्युत संपर्कों के रूप में नक़्क़ाशी और यूटेक्टिक गैलियम इंडियम (ईजीएइन)। समानांतर तनाव परीक्षणों के लिए, बिना पैटर्न वाली ग्राफीन संरचना (~5 × 10 मिमी) को एसईबीएस सब्सट्रेट पर स्थानांतरित किया गया था, जिसमें एसईबीएस सब्सट्रेट के लंबे पक्ष के समानांतर लंबी कुल्हाड़ियां थीं। दोनों मामलों के लिए, पूरे जी (जी स्क्रॉल के बिना)/एसईबीएस को एक मैनुअल उपकरण में इलास्टोमेर के लंबे किनारे के साथ फैलाया गया था, और सीटू में, हमने एक अर्धचालक विश्लेषक (कीथली 4200) के साथ एक जांच स्टेशन पर तनाव के तहत उनके प्रतिरोध परिवर्तनों को मापा -एससीएस)।
एक लोचदार सब्सट्रेट पर अत्यधिक फैलने योग्य और पारदर्शी ऑल-कार्बन ट्रांजिस्टर को पॉलिमर ढांकता हुआ और सब्सट्रेट के कार्बनिक विलायक क्षति से बचने के लिए निम्नलिखित प्रक्रियाओं द्वारा निर्मित किया गया था। एमजीजी संरचनाओं को गेट इलेक्ट्रोड के रूप में एसईबीएस पर स्थानांतरित किया गया था। एक समान पतली-फिल्म पॉलिमर ढांकता हुआ परत (2 माइक्रोन मोटी) प्राप्त करने के लिए, एक एसईबीएस टोल्यूनि (80 मिलीग्राम / एमएल) समाधान को 1 मिनट के लिए 1000 आरपीएम पर एक ऑक्टाडेसिलट्रिक्लोरोसिलेन (ओटीएस)-संशोधित SiO2 / Si सब्सट्रेट पर स्पिन-लेपित किया गया था। पतली ढांकता हुआ फिल्म को हाइड्रोफोबिक ओटीएस सतह से आसानी से तैयार ग्राफीन से ढके एसईबीएस सब्सट्रेट पर स्थानांतरित किया जा सकता है। एलसीआर (इंडक्शन, कैपेसिटेंस, प्रतिरोध) मीटर (एगिलेंट) का उपयोग करके तनाव के कार्य के रूप में कैपेसिटेंस निर्धारित करने के लिए एक तरल-धातु (ईजीएएन; सिग्मा-एल्ड्रिच) शीर्ष इलेक्ट्रोड जमा करके एक संधारित्र बनाया जा सकता है। ट्रांजिस्टर के दूसरे भाग में पहले बताई गई प्रक्रियाओं (53) का पालन करते हुए पॉलिमर-सॉर्टेड सेमीकंडक्टिंग सीएनटी शामिल थे। पैटर्न वाले स्रोत/ड्रेन इलेक्ट्रोड कठोर SiO2/Si सबस्ट्रेट्स पर निर्मित किए गए थे। इसके बाद, दो हिस्सों, ढांकता हुआ/जी/एसईबीएस और सीएनटी/पैटर्न वाले जी/सीओ2/सी को एक-दूसरे से लेमिनेट किया गया, और कठोर SiO2/Si सब्सट्रेट को हटाने के लिए बीओई में भिगोया गया। इस प्रकार, पूरी तरह से पारदर्शी और फैलने योग्य ट्रांजिस्टर का निर्माण किया गया। तनाव के तहत विद्युत परीक्षण उपरोक्त विधि के अनुसार मैन्युअल स्ट्रेचिंग सेटअप पर किया गया था।
इस लेख के लिए पूरक सामग्री http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 पर उपलब्ध है
अंजीर। एस1. विभिन्न आवर्धन पर SiO2/Si सबस्ट्रेट्स पर मोनोलेयर एमजीजी की ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी छवियां।
अंजीर। एस4. मोनो-, द्वि- और त्रिपरत सादे ग्राफीन (काले वर्ग), एमजीजी (लाल वृत्त), और सीएनटी (नीला त्रिकोण) के 550 एनएम पर दो-जांच शीट प्रतिरोध और संप्रेषण की तुलना।
अंजीर। एस7. ~1000 चक्रीय तनाव के तहत मोनो- और बाइलेयर एमजीजी (काला) और जी (लाल) का सामान्यीकृत प्रतिरोध परिवर्तन क्रमशः 40 और 90% समानांतर तनाव तक लोड हो रहा है।
अंजीर। एस10. तनाव के बाद एसईबीएस इलास्टोमेर पर ट्राइलेयर एमजीजी की एसईएम छवि, कई दरारों पर एक लंबी स्क्रॉल क्रॉस दिखाती है।
अंजीर। एस12. 20% तनाव पर बहुत पतले एसईबीएस इलास्टोमेर पर ट्राइलेयर एमजीजी की एएफएम छवि, दिखाती है कि एक स्क्रॉल एक दरार को पार कर गया है।
तालिका S1. तनाव से पहले और बाद में विभिन्न चैनल लंबाई पर बाइलेयर एमजीजी-एकल-दीवार वाले कार्बन नैनोट्यूब ट्रांजिस्टर की गतिशीलता।
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पोस्ट समय: जनवरी-28-2021