Bi dimentsioko materialak, hala nola grafenoa, erakargarriak dira bai erdieroaleen aplikazio konbentzionaletarako bai elektronika malguaren aplikazio hasiberrietarako. Hala ere, grafenoaren trakzio-erresistentzia handiak haustura eragiten du deformazio txikian, eta horrek zaildu egiten du bere propietate elektroniko apartekoak elektronika luzagarrietan aprobetxatzea. Grafenozko eroale gardenen deformazioaren araberako errendimendu bikaina lortzeko, grafenozko nanoskorrilak sortu genituen grafenozko geruza pilatuen artean, geruza anitzeko grafeno/grafenozko korridore (MGG) deiturikoak. Deformazioaren pean, korridore batzuek grafenoaren domeinu zatikatuak lotu zituzten, deformazio handietan eroankortasun bikaina ahalbidetzen zuen sare iragazkor bat mantentzeko. Elastomeroetan euskarritutako hiru geruzako MGG-ek jatorrizko eroankortasunaren % 65 mantendu zuten % 100eko deformazioan, hau da, korronte-fluxuaren norabidearekiko perpendikularra, nanoskorrilik gabeko grafenozko hiru geruzako filmek, berriz, hasierako eroankortasunaren % 25 baino ez zuten mantendu. MGGak elektrodo gisa erabiliz fabrikatutako karbonozko transistore luzagarri batek % 90etik gorako transmitantzia erakutsi zuen eta bere jatorrizko irteerako korrontearen % 60 mantendu zuen % 120ko deformazioan (karga-garraioaren norabidearekiko paraleloan). Karbonozko transistore oso luzagarri eta garden hauek optoelektronika luzagarri sofistikatua ahalbidetu zezaketen.
Elektronika garden luzagarria hazten ari den arloa da, aplikazio garrantzitsuak dituena sistema biointegratu aurreratuetan (1, 2), baita optoelektronika luzagarriarekin (3, 4) integratzeko potentziala ere, robotika eta pantaila bigun sofistikatuak ekoizteko. Grafenoak propietate oso desiragarriak ditu, hala nola lodiera atomikoa, gardentasun handia eta eroankortasun handia, baina aplikazio luzagarrietan ezartzea oztopatu egin du tentsio txikietan pitzatzeko joerak. Grafenoaren muga mekanikoak gainditzeak funtzionalitate berriak ahalbidetu ditzake gailu garden luzagarrietan.
Grafenoaren propietate bereziek hautagai sendo bihurtzen dute hurrengo belaunaldiko elektrodo eroale gardenetarako (5, 6). Eroale garden erabiliena den indio eztainu oxidoarekin alderatuta, lurrun-deposizio kimikoaren bidez (CVD) hazitako grafeno monokapa antzeko xafla-erresistentzia (125 ohm/sq) eta gardentasun (% 97,4) konbinazioa du (5). Gainera, grafenozko filmek malgutasun apartekoa dute ITOrekin alderatuta (7). Adibidez, substratu plastiko batean, bere eroankortasuna 0,8 mm-ko kurbadura-erradio txiki baterako ere mantendu daiteke (8). Eroale malgu garden gisa duen errendimendu elektrikoa are gehiago hobetzeko, aurreko lanek grafenozko material hibridoak garatu dituzte dimentsio bakarreko (1D) zilarrezko nanohariekin edo karbono nanotuboekin (CNT) (9–11). Gainera, grafenoa erabili izan da dimentsio anitzeko heterostruktural erdieroaleetarako elektrodo gisa (adibidez, 2D Si masiboa, 1D nanohariak/nanotuboak eta 0D puntu kuantikoak) (12), transistore malguetarako, eguzki-zeluletarako eta argi-igorle diodoetarako (LED) (13–23).
Grafenoak emaitza itxaropentsuak erakutsi dituen arren elektronika malguarentzat, elektronika luzagarrian duen aplikazioa bere propietate mekanikoek mugatu dute (17, 24, 25); grafenoak 340 N/m-ko plano-zurruntasuna eta 0,5 TPa-ko Young-en modulua ditu (26). Karbono-karbono sare sendoak ez du inolako energia xahutzeko mekanismorik eskaintzen aplikatutako deformaziorako eta, beraz, erraz pitzatzen da % 5eko deformazio baino gutxiagoan. Adibidez, polidimetilsiloxano (PDMS) substratu elastiko batera transferitutako CVD grafenoak bere eroankortasuna % 6ko deformazio baino gutxiagoan bakarrik mantentzen du (8). Kalkulu teorikoek erakusten dute geruza desberdinen arteko zimurtzeak eta elkarrekintzak zurruntasuna nabarmen murriztu beharko lukeela (26). Grafenoa geruza anitzetan pilatuz, jakinarazi da bi edo hiru geruzako grafeno hau % 30eko deformaziora luzagarria dela, geruza bakarreko grafenoarena baino 13 aldiz txikiagoa den erresistentzia-aldaketa erakutsiz (27). Hala ere, luzagarritasun hori oraindik nabarmen okerragoa da punta-puntako eroale luzagarriekin alderatuta (28, 29).
Transistoreak garrantzitsuak dira luzagarri diren aplikazioetan, sentsoreen irakurketa sofistikatua eta seinaleen analisia ahalbidetzen baitute (30, 31). PDMSko transistoreek, iturri/hustubide elektrodo eta kanal material gisa grafeno multigeruza dutenek, funtzio elektrikoa % 5eko deformaziora arte mantendu dezakete (32), eta hori osasun-monitorizazioko sentsore eramangarrietarako eta azal elektronikorako gutxieneko balioaren (~% 50) azpitik dago (33, 34). Duela gutxi, grafeno kirigami ikuspegi bat aztertu da, eta elektrolito likido batek aktibatutako transistorea % 240raino luzatu daiteke (35). Hala ere, metodo honek grafeno esekia behar du, eta horrek fabrikazio prozesua zailtzen du.
Hemen, grafenozko gailu oso luzagarriak lortzen ditugu grafenozko korrituak (~1 eta 20 μm arteko luzera, ~0,1 eta 1 μm arteko zabalera eta ~10 eta 100 nm arteko altuera) grafeno geruzen artean tartekatuz. Hipotesi bat dugu: grafenozko korritu hauek grafeno xafletako pitzadurak gainditzeko bide eroaleak eman ditzakete, eta horrela, eroankortasun handia mantenduz tentsiopean. Grafenozko korrituek ez dute sintesi edo prozesu gehigarririk behar; modu naturalean sortzen dira transferentzia hezearen prozeduran. G/G (grafenoa/grafenoa) korritu anitzekoak (MGG), grafenozko elektrodo luzagarriak (iturria/hustubidea eta atea) eta CNT erdieroaleak erabiliz, karbonozko transistore oso gardenak eta luzagarriak frogatu ahal izan genituen, % 120ko deformaziora luzatu daitezkeenak (karga-garraioaren norabidearekiko paraleloan) eta jatorrizko korronte-irteeraren % 60 mantendu dezaketenak. Orain arte karbonozko transistore garden luzagarriena da, eta LED inorganiko bat gidatzeko nahikoa korronte ematen du.
Grafenozko elektrodo garden luzagarriak ahalbidetzeko, CVD bidez hazitako grafenoa Cu xaflan aukeratu genuen. Cu xafla CVD kuartzozko hodi baten erdian eseki zen, grafenoa bi aldeetan hazteko, G/Cu/G egiturak eratuz. Grafenoa transferitzeko, lehenik poli(metil metakrilato) (PMMA) geruza fin bat estali genuen grafenoaren alde bat babesteko, goiko grafenoa izena eman geniona (alderantziz grafenoaren beste aldearentzat), eta ondoren, film osoa (PMMA/goiko grafenoa/Cu/beheko grafenoa) (NH4)2S2O8 disoluzioan busti zen Cu xafla kentzeko. PMMA estaldurarik gabeko beheko grafenoak pitzadurak eta akatsak izango ditu, eta horiek grabatzaile bat zeharkatzea ahalbidetuko dute (36, 37). 1A irudian erakusten den bezala, gainazaleko tentsioaren eraginez, askatutako grafeno domeinuak kiribildu egin ziren eta ondoren gainerako goiko G/PMMA filmean itsatsi ziren. Goiko G/G korrituak edozein substratutara transferitu daitezke, hala nola SiO2/Si, beira edo polimero bigunetara. Transferentzia prozesu hau substratu berean hainbat aldiz errepikatzeak MGG egiturak ematen ditu.
(A) MGGak elektrodo luzagarri gisa fabrikatzeko prozeduraren eskema-ilustrazioa. Grafenoaren transferentzian zehar, Cu xaflaren atzeko grafenoa mugetan eta akatsetan hautsi zen, forma arbitrarioetan bildu eta goiko filmen gainean estuki lotu zen, nano-korrika-egitura eratuz. Laugarren marrazki bizidunak MGG egitura pilatua erakusten du. (B eta C) MGG monokapa baten bereizmen handiko TEM karakterizazioak, monokapa grafenoan (B) eta korritze-eskualdean (C) zentratuz, hurrenez hurren. (B) irudiaren txertaketa TEM sarean monokapa MGGen morfologia orokorra erakusten duen handitze txikiko irudia da. (C) irudiaren txertaketak irudian adierazitako laukizuzen-koadroetan zehar hartutako intentsitate-profilak dira, non plano atomikoen arteko distantziak 0,34 eta 0,41 nm diren. (D) Karbono K-ertzeko EEL espektroa, π* eta σ* gailur grafitiko bereizgarriekin etiketatuta. (E) G/G korritze monokaparen AFM irudi sekzionala, marra puntuatu horian zehar altuera-profil batekin. (F-tik I-ra) G hiru geruzaren mikroskopia optikoa eta AFM irudiak, hurrenez hurren, korridorerik gabe (F eta H) eta korridoreekin (G eta I) 300 nm-ko lodierako SiO2/Si substratuetan. Korridore eta zimur adierazgarriak etiketatu ziren haien desberdintasunak nabarmentzeko.
Korrituak grafeno biribilkatuak direla egiaztatzeko, transmisio-mikroskopia elektronikoaren (TEM) eta elektroi-energiaren galeraren (EEL) espektroskopia azterketak egin genituen geruza bakarreko goiko G/G korritu-egituretan. 1B irudiak grafeno monokapa baten egitura hexagonala erakusten du, eta txertatutako irudia TEM sarearen karbono-zulo bakar batean estalitako filmaren morfologia orokorra da. Grafeno monokapak sarearen zatirik handiena hartzen du, eta eraztun hexagonalen hainbat pilaketa dauden grafeno-maluta batzuk agertzen dira (1B irudia). Korritu indibidual batera handituz (1C irudia), grafeno-sare-ertz kopuru handia ikusi genuen, 0,34 eta 0,41 nm arteko sare-tartea zutelarik. Neurketa hauek iradokitzen dute malutak ausaz biribilkatuta daudela eta ez direla grafito perfektua, eta azken honek 0,34 nm-ko sare-tartea du "ABAB" geruza-pilaketan. 1D irudiak karbonoaren K-ertzaren EEL espektroa erakusten du, non 285 eV-ko gailurra π* orbitaletik datorren eta 290 eV inguruko bestea σ* orbitaleko trantsizioari zor zaion. Ikus daiteke sp2 loturak nagusitzen direla egitura honetan, eta horrek egiaztatzen du kiribilduak oso grafitikoak direla.
Mikroskopia optikoaren eta indar atomikoaren mikroskopia (AFM) irudiek MGG-etan grafeno nanoskorren banaketaren berri ematen dute (1. irudia, E-tik G-ra, eta S1 eta S2 irudiak). Korapiloak ausaz banatzen dira gainazalean, eta haien plano-dentsitatea proportzionalki handitzen da pilatutako geruzen kopuruarekin. Korapilo asko korapiloetan korapilatuta daude eta 10 eta 100 nm arteko altuera ez-uniformeak erakusten dituzte. 1 eta 20 μm arteko luzera eta 0,1 eta 1 μm arteko zabalera dute, hasierako grafeno maluten tamainen arabera. 1. irudian (H eta I) ikusten den bezala, korapiloek zimurrak baino tamaina nabarmen handiagoak dituzte, eta horrek grafeno geruzen arteko interfazea askoz zakarragoa sortzen du.
Propietate elektrikoak neurtzeko, grafenozko filmak egitura korrituekin edo korritu gabe eta geruza pilaketa 300 μm zabaleko eta 2000 μm luzeko zerrendetan modelatu genituen fotolitografia erabiliz. Bi zundako erresistentziak deformazioaren arabera neurtu ziren giro-baldintzetan. Korrituen presentziak % 80 murriztu zuen geruza bakarreko grafenoaren erresistentzia, transmitantzia % 2,2ko jaitsierarekin soilik (S4 irudia). Horrek baieztatzen du nanokorrituek, 5 × 107 A/cm2-rainoko korronte-dentsitate handia dutenek (38, 39), ekarpen elektriko oso positiboa egiten dietela MGGei. Grafeno eta MGG soil mono-, bi- eta hiru geruzako guztien artean, hiru geruzako MGGak du eroankortasun onena, ia % 90eko gardentasunarekin. Literaturan aipatutako beste grafeno iturri batzuekin alderatzeko, lau zunda-xafla erresistentziak ere neurtu genituen (S5 irudia) eta 550 nm-tan transmitantziaren funtzio gisa zerrendatu genituen (S6 irudia) 2A irudian. MGG-k eroankortasun eta gardentasun konparagarri edo handiagoa erakusten du artifizialki pilatutako geruza anitzeko grafeno arruntarekin eta grafeno oxido murriztuarekin (RGO) baino (6, 8, 18). Kontuan izan literaturan agertzen diren artifizialki pilatutako geruza anitzeko grafeno arruntaren xafla erresistentziak gure MGG-arenak baino zertxobait handiagoak direla, ziurrenik haien hazkuntza-baldintza eta transferentzia-metodo optimizatu gabeengatik.
(A) Lau zunda-xaflaren erresistentziak transmitantziaren arabera 550 nm-tan hainbat grafeno motarentzat, non karratu beltzek mono-, bi- eta hiru geruzako MGGak adierazten dituzten; zirkulu gorriek eta triangelu urdinek Li et al. (6) eta Kim et al. (8)-en ikerketetatik Cu eta Ni-n hazitako grafeno lau geruza anitzekoari dagozkio, hurrenez hurren, eta ondoren SiO2/Si edo kuartzoan transferitu direnak; eta triangelu berdeek RGO-ren balioak dira Bonaccorso et al. (18)-en ikerketatik hartutako murrizketa-gradu desberdinetan. (B eta C) Mono-, bi- eta hiru geruzako MGG eta G-ren erresistentzia-aldaketa normalizatua, korronte-fluxuaren norabidearekiko tentsio perpendikularraren (B) eta paraleloaren (C) funtzio gisa. (D) G (gorria) eta MGG (beltza) bi geruzaren erresistentzia-aldaketa normalizatua, % 50eko tentsio perpendikularra arteko tentsio-karga ziklikopean. (E) G (gorria) eta MGG (beltza) hiru geruzaren erresistentzia-aldaketa normalizatua, % 90eko tentsio paraleloa arteko tentsio-karga ziklikopean. (F) Mono-, bi- eta hiru geruzako G eta bi- eta hiru geruzako MGG-en kapazitantzia-aldaketa normalizatua deformazioaren funtzio gisa. Txertatutako irudia kondentsadore-egitura da, non polimero-substratua SEBS den eta polimero-geruza dielektrikoa 2 μm-ko lodierako SEBS.
MGG-ren deformazioaren araberako errendimendua ebaluatzeko, grafenoa estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) elastomero termoplastikozko substratuetara transferitu genuen (~2 cm zabal eta ~5 cm luze), eta eroankortasuna neurtu zen substratua luzatzen zen bitartean (ikus Materialak eta Metodoak) korronte-fluxuaren norabidearekiko perpendikularrean eta paraleloan (2. irudia, B eta C). Deformazioaren araberako portaera elektrikoa hobetu zen nanoskrolak sartuz eta grafeno geruza kopurua handituz. Adibidez, deformazioa korronte-fluxuarekiko perpendikularra denean, geruza bakarreko grafenoarentzat, espiralak gehitzeak haustura elektrikoan dagoen deformazioa % 5etik % 70era handitu zuen. Hiru geruzako grafenoaren deformazio-tolerantzia ere nabarmen hobetu da geruza bakarreko grafenoarekin alderatuta. Nanoskrolekin, % 100eko deformazio perpendikularrean, hiru geruzako MGG egituraren erresistentzia % 50 baino ez zen handitu, espiralik gabeko hiru geruzako grafenoaren % 300arekin alderatuta. Deformazio-karga ziklikopean dagoen erresistentzia-aldaketa ikertu zen. Alderatzeko (2D irudia), grafenozko film bikoitz soil baten erresistentziak 7,5 aldiz handitu ziren ~700 zikloren ondoren % 50eko deformazio perpendikularrean, eta ziklo bakoitzean deformazioarekin handitzen jarraitu zuten. Bestalde, MGG bikoitz baten erresistentzia 2,5 aldiz bakarrik handitu zen ~700 zikloren ondoren. Norabide paraleloan % 90erainoko deformazioa aplikatuz, hiru geruzako grafenoaren erresistentzia ~ 100 aldiz handitu zen 1000 zikloren ondoren, eta hiru geruzako MGG batean ~ 8 aldiz bakarrik (2E irudia). Zikloen emaitzak S7 irudian ageri dira. Deformazio paraleloaren norabidean erresistentziaren igoera nahiko azkarragoa pitzaduren orientazioa korronte-fluxuaren norabidearekiko perpendikularra delako da. Karga- eta deskarga-deformazioan erresistentziaren desbideratzea SEBS elastomero substratuaren berreskurapen biskoelastikoari zor zaio. MGG zerrenden erresistentzia egonkorragoa zikloetan zehar grafenoaren zati pitzatuak zubi ditzaketen korridore handien presentziari zor zaio (AFM bidez behatu den bezala), perkolazio-bide bat mantentzen lagunduz. Eroankortasuna iragazkortasun-bide baten bidez mantentzearen fenomeno hau lehenago jakinarazi da elastomero substratuetan dauden metal pitzatuen edo erdieroaleen filmetan (40, 41).
Grafenoan oinarritutako film hauek luzagarri gailuetan ate-elektrodo gisa ebaluatzeko, grafeno geruza SEBS dielektriko geruza batekin estali genuen (2 μm-ko lodiera) eta dielektrikoaren kapazitantziaren aldaketa tentsioaren arabera kontrolatu genuen (ikus 2F irudia eta xehetasunetarako material osagarriak). Ikusi genuen geruza bakarreko eta bikoitzeko grafeno elektrodoekin egindako kapazitantziak azkar gutxitu zirela grafenoaren plano-barneko eroankortasunaren galeragatik. Aldiz, MGGek aktibatutako kapazitantziek eta baita grafeno hirukoitz arruntak ere kapazitantziaren igoera erakutsi zuten tentsioarekin, eta hori espero zen dielektrikoaren lodiera tentsioarekin murrizten delako. Espero zen kapazitantziaren igoera oso ondo bat etorri zen MGG egiturarekin (S8 irudia). Horrek adierazten du MGG egokia dela luzagarri transistoreetarako ate-elektrodo gisa.
Grafenozko korritze 1D-ak eroankortasun elektrikoaren tentsio-tolerantzian duen eginkizuna gehiago ikertzeko eta grafeno geruzen arteko bereizketa hobeto kontrolatzeko, CNT ihinztatuak erabili genituen grafenozko korritzeak ordezkatzeko (ikus Material Osagarriak). MGG egiturak imitatzeko, hiru CNT dentsitate metatu genituen (hau da, CNT1
(A-tik C-ra) CNTen hiru dentsitate ezberdinen AFM irudiak (CNT1
Elektronika luzagarrietarako elektrodo gisa duten gaitasuna hobeto ulertzeko, MGG eta G-CNT-G-ren morfologiak sistematikoki ikertu genituen tentsiopean. Mikroskopia optikoa eta eskaneatze-mikroskopia elektronikoa (SEM) ez dira karakterizazio-metodo eraginkorrak, biek kolore-kontraste falta dutelako eta SEMek irudi-artefaktuak sortzen dituelako elektroi-eskaneoan grafenoa polimero-substratuen gainean dagoenean (S9 eta S10 irudiak). Grafenoaren gainazala tentsiopean in situ behatzeko, AFM neurketak egin genituen hiru geruzako MGGetan eta grafeno arruntean, SEBS substratu oso mehe (~0,1 mm-ko lodiera) eta elastikoetara transferitu ondoren. CVD grafenoaren berezko akatsen eta transferentzia-prozesuan zehar kanpoko kalteen ondorioz, pitzadurak sortzen dira nahitaez tentsiopean dagoen grafenoan, eta tentsioa handitu ahala, pitzadurak trinkoagoak bihurtzen dira (4. irudia, A-tik D-ra). Karbonoan oinarritutako elektrodoen pilatze-egituraren arabera, pitzadurek morfologia desberdinak erakusten dituzte (S11 irudia) (27). Grafeno anitzeko pitzadura-azaleraren dentsitatea (pitzadura-azalera/aztertutako azalera gisa definitua) grafeno monokaparena baino txikiagoa da deformazioaren ondoren, eta hori MGGen eroankortasun elektrikoaren igoerarekin bat dator. Bestalde, askotan korridoreek pitzadurak zubitzen dituztela ikusten da, tentsiopean dagoen filmean eroapen-bide gehigarriak eskainiz. Adibidez, 4B irudiko irudian etiketatuta dagoen bezala, korridore zabal batek hiru geruzako MGGko pitzadura bat zeharkatu zuen, baina ez zen korridorerik ikusi grafeno arruntean (4. irudia, E-tik H-ra). Era berean, CNT-ek ere grafenoko pitzadurak zubitzen zituzten (S11 irudia). Filmen pitzadura-azaleraaren dentsitatea, korridore-azaleraaren dentsitatea eta zimurtasuna 4K irudian laburbiltzen dira.
(A-tik H-ra) In situ AFM irudiak hiru geruzako G/G korrituen (A-tik D-ra) eta hiru geruzako G egituren (E-tik H-ra) SEBS elastomero oso mehe batean (~0,1 mm-ko lodiera) % 0, % 20, % 60 eta % 100eko deformazioan. Pitzadura eta korritu adierazgarriak geziekin seinalatzen dira. AFM irudi guztiak 15 μm × 15 μm-ko eremu batean daude, etiketatutako kolore-eskala barra bera erabiliz. (I) SEBS substratuan dauden monokapadun grafeno elektrodoen simulazio geometrikoa. (J) Monokapadun grafenoan eta SEBS substratuan % 20ko kanpoko deformazioan logaritmo nagusi maximoaren simulazio-kurba-mapa. (K) Pitzadura-eremuaren dentsitatearen (zutabe gorria), korritu-eremuaren dentsitatea (zutabe horia) eta gainazaleko zimurtasunaren (zutabe urdina) konparaketa grafeno-egitura desberdinetarako.
MGG filmak luzatzen direnean, mekanismo gehigarri garrantzitsu bat dago: korridoek grafenoaren eskualde pitzatuak zubi gisa jar ditzakete, sare iragazkor bat mantenduz. Grafenozko korridoak itxaropentsuak dira, hamarnaka mikrometroko luzera izan dezaketelako eta, beraz, normalean mikrometro eskalako pitzadurak zubitzeko gai direlako. Gainera, korridoak grafenozko geruza anitzez osatuta daudenez, erresistentzia txikia izatea espero da. Alderatuz gero, CNT sare nahiko trinkoak (transmitantzia txikiagoa) behar dira eroaletasun-zubi gaitasuna emateko, CNTak txikiagoak baitira (normalean mikrometro batzuk luze) eta korridoak baino eroaletasun gutxiagokoak. Bestalde, S12 irudian erakusten den bezala, grafenoa luzatzean pitzatzen den bitartean tentsioa hartzeko, korridoak ez dira pitzatzen, eta horrek adierazten du azken hau azpiko grafenoan irristatzen ari dela. Ez pitzatzearen arrazoia ziurrenik grafeno geruza askorekin osatutako egitura biribildua izateagatik da (~1 eta 20 μm arteko luzera, ~0,1 eta 1 μm arteko zabalera eta ~10 eta 100 nm arteko altuera), geruza bakarreko grafenoa baino modulu eraginkor handiagoa duena. Green eta Hersam-ek (42) jakinarazi zutenez, CNT sare metalikoek (1,0 nm-ko hodi diametroa) xafla-erresistentzia baxuak lor ditzakete, <100 ohm/sq CNTen arteko juntura-erresistentzia handia izan arren. Gure grafenozko korridoek 0,1 eta 1 μm arteko zabalerak dituztela eta G/G korridoek CNTek baino kontaktu-eremu askoz handiagoak dituztela kontuan hartuta, grafenoaren eta grafenozko korridoen arteko kontaktu-erresistentzia eta kontaktu-eremua ez lirateke eroankortasun handia mantentzeko faktore mugatzaileak izan behar.
Grafenoa SEBS substratua baino modulu askoz handiagoa da. Grafeno elektrodoaren lodiera eraginkorra substratuarena baino askoz txikiagoa den arren, grafenoaren zurruntasuna bider bere lodiera substratuarenaren parekoa da (43, 44), eta horrek uharte zurrun efektu moderatua sortzen du. 1 nm-ko lodierako grafeno baten deformazioa simulatu genuen SEBS substratu batean (ikus Material Osagarriak xehetasunetarako). Simulazio emaitzen arabera, % 20ko tentsioa SEBS substratuan kanpotik aplikatzen denean, grafenoaren batez besteko tentsioa ~ % 6,6 da (4J irudia eta S13D irudia), eta hori bat dator behaketa esperimentalekin (ikus S13 irudia). Grafeno eredudun eta substratu eskualdeetako tentsioa alderatu genuen mikroskopia optikoa erabiliz eta substratu eskualdeko tentsioa grafeno eskualdeko tentsioaren bikoitza dela ikusi genuen gutxienez. Horrek adierazten du grafeno elektrodoen patroietan aplikatutako tentsioa nabarmen mugatu daitekeela, SEBS gainean grafenozko uharte zurrunak sortuz (26, 43, 44).
Beraz, MGG elektrodoek eroankortasun handia mantentzeko duten gaitasuna tentsio handien pean bi mekanismo nagusik ahalbidetzen dute ziurrenik: (i) Korridoiek eskualde deskonektatuak zubi ditzakete eroalezko perkolazio bide bat mantentzeko, eta (ii) grafenozko geruza anitzeko xaflek/elastomeroak elkarren gainean irristatu daitezke, eta horrek grafenozko elektrodoen tentsioa murrizten du. Elastomeroan transferitutako grafenozko geruza anitzetarako, geruzak ez daude elkarri sendo lotuta, eta horrek irristatu egin daiteke tentsioaren ondorioz (27). Korridoiek grafenozko geruzen zimurtasuna ere handitu zuten, eta horrek grafenozko geruzen arteko bereizketa handitzen lagun dezake eta, beraz, grafenozko geruzen irristatzea ahalbidetzen du.
Karbonozko gailuak gogotsu bilatzen ari dira kostu baxua eta errendimendu handia direla eta. Gure kasuan, karbonozko transistore guztiak fabrikatu ziren beheko grafenozko ate bat, goiko grafenozko iturri/hustubide kontaktu bat, CNT erdieroale sailkatu bat eta SEBS dielektriko gisa erabiliz (5A irudia). 5B irudian ikusten den bezala, CNTak iturri/hustubide eta ate gisa dituen karbonozko gailu bat (beheko gailua) grafenozko elektrodoak dituen gailua (goiko gailua) baino opakoagoa da. Hau da, CNT sareek lodiera handiagoak eta, ondorioz, transmitantzia optiko txikiagoak behar dituztelako grafenoaren antzeko xafla-erresistentziak lortzeko (S4 irudia). 5. irudiak (C eta D) MGG elektrodo bikoitzekin egindako transistore baten transferentzia eta irteera kurba adierazgarriak erakusten ditu deformazioaren aurretik. Deformatu gabeko transistorearen kanalaren zabalera eta luzera 800 eta 100 μm ziren, hurrenez hurren. Neurtutako pizte/itzaltze erlazioa 103 baino handiagoa da, 10−5 eta 10−8 A mailetako pizte eta itzaltze korronteekin, hurrenez hurren. Irteerako kurbak erregimen lineal eta saturazio idealak erakusten ditu, ate-tentsioaren menpekotasun argiarekin, CNTen eta grafeno elektrodoen arteko kontaktu ideala adieraziz (45). Grafeno elektrodoekin kontaktu-erresistentzia lurrundutako Au filmarekin baino txikiagoa zela ikusi zen (ikus S14 irudia). Luza daitekeen transistorearen saturazio-mugikortasuna 5,6 cm2/Vs ingurukoa da, Si substratu zurrunetan polimeroz sailkatutako CNT transistore berdinen antzekoa, 300 nm-ko SiO2 geruza dielektriko gisa dutela. Mugikortasunaren hobekuntza gehiago posible da hodi-dentsitate optimizatuarekin eta beste hodi mota batzuekin (46).
(A) Grafenoan oinarritutako transistore luzagarriaren eskema. SWNTak, karbono nanohodiak, horma bakarrekoak. (B) Grafeno elektrodoz (goian) eta CNT elektrodoz (behean) egindako transistore luzagarrien argazkia. Gardentasun aldea argi ikusten da. (C eta D) Grafenoan oinarritutako transistorearen transferentzia eta irteera kurbak SEBSn tentsioa jasan aurretik. (E eta F) Transferentzia kurbak, pizte eta itzalitako korrontea, pizte/itzalitako erlazioa eta grafenoan oinarritutako transistorearen mugikortasuna tentsio desberdinetan.
Karbonozko gailu gardena karga-garraioaren norabidearekiko paraleloan luzatu zenean, degradazio minimoa ikusi zen % 120ko deformaziora arte. Luzatzean, mugikortasuna etengabe jaitsi zen 5,6 cm2/Vs-tik % 0ko deformazioan 2,5 cm2/Vs-ra % 120ko deformazioan (5F irudia). Transistorearen errendimendua ere alderatu genuen kanal-luzera desberdinetarako (ikus S1 taula). Aipagarria da, % 105eko deformazioarekin, transistore horiek guztiek oraindik ere pizte/itzaltze erlazio handia (> 103) eta mugikortasun handia (> 3 cm2/Vs) erakusten zutela. Horrez gain, karbonozko transistoreei buruzko azken lan guztiak laburbildu genituen (ikus S2 taula) (47–52). Elastomeroetan gailuen fabrikazioa optimizatuz eta MGGak kontaktu gisa erabiliz, gure karbonozko transistoreek errendimendu ona erakusten dute mugikortasunari eta histereesiari dagokionez, baita oso luzagarriak direla ere.
Transistore guztiz garden eta luzagarriaren aplikazio gisa, LED baten kommutazioa kontrolatzeko erabili genuen (6A irudia). 6B irudian ikusten den bezala, LED berdea argi ikus daiteke gainean jarritako karbonozko gailu luzagarriaren bidez. %100 inguru luzatzen den bitartean (6. irudia, C eta D), LED argiaren intentsitatea ez da aldatzen, eta hori bat dator goian deskribatutako transistorearen errendimenduarekin (ikus S1 filma). Grafenozko elektrodoak erabiliz egindako kontrol-unitate luzagarrien lehen txostena da hau, eta grafenozko elektronika luzagarrirako aukera berri bat erakusten du.
(A) LEDa gidatzeko transistore baten zirkuitua. GND, lurra. (B) Karbonozko transistore luzagarri eta gardenaren argazkia, % 0ko deformazioan, LED berde baten gainean muntatuta. (C) LEDa pizteko erabiltzen den karbonozko transistore garden eta luzagarria % 0ko (ezkerrean) eta ~ % 100eko deformazioan (eskuinean) dagoen LEDaren gainean muntatuta dago. Gezi zuriek gailuko markatzaile horiak adierazten dituzte luzatzen den distantzia-aldaketa erakusteko. (D) Luzatutako transistorearen alboko ikuspegia, LEDa elastomeroan sartuta dagoela.
Ondorioz, grafenozko egitura eroale garden bat garatu dugu, eroankortasun handia mantentzen duena tentsio handien pean, elektrodo luzagarri gisa, grafeno geruza pilatuen artean dauden grafeno nanoscroll-ei esker. Elastomero batean dauden MGG elektrodo egitura bi- eta hirukoitz hauek % 21 eta % 65 mantendu ditzakete, hurrenez hurren, % 100eko tentsioan, ohiko grafenozko geruza bakarreko elektrodoen % 5eko tentsioan eroankortasun-galerarekin alderatuta. Grafenozko corroil-en eroale-bide gehigarriek eta transferitutako geruzen arteko elkarrekintza ahulak eroankortasun-egonkortasun handiagoa laguntzen dute tentsiopean. Grafenozko egitura hau ere aplikatu dugu karbonozko transistore luzagarriak fabrikatzeko. Orain arte, hau da grafenoan oinarritutako transistore luzagarriena, gardentasun handiena duena, uzkurdurarik erabili gabe. Oraingo ikerketa elektronika luzagarrirako grafenoa gaitzeko egin bazen ere, uste dugu ikuspegi hau beste 2D material batzuetara zabaldu daitekeela 2D elektronika luzagarria gaitzeko.
Grafeno CVD azalera handikoa Cu xafla esekietan hazi zen (% 99,999; Alfa Aesar), 0,5 mtorr-eko presio konstantepean, 50–SCCM (minutuko zentimetro kubiko estandarra) CH4 eta 20–SCCM H2 aitzindari gisa, 1000 °C-tan. Cu xaflaren bi aldeak grafeno monokapaz estali ziren. PMMA geruza fin bat (2000 rpm; A4, Microchem) Cu xaflaren alde batean estali zen biraketa bidez, PMMA/G/Cu xafla/G egitura bat osatuz. Ondoren, film osoa 0,1 M-ko amonio persulfato [(NH4)2S2O8] disoluzioan busti zen 2 orduz Cu xafla kentzeko. Prozesu honetan, babestu gabeko atzeko grafenoa lehenik ale-mugetan zehar urratu zen eta gero gainazaleko tentsioagatik kiribildu egin zen. Kiribilduak PMMAz euskarritutako goiko grafeno-filmean itsatsi ziren, PMMA/G/G kiribilduak osatuz. Ondoren, filmak hainbat aldiz garbitu ziren ur desionizatuan eta substratu baten gainean jarri ziren, hala nola SiO2/Si substratu zurrun edo plastikozko substratu batean. Itsatsitako filma substratuan lehortu bezain laster, lagina sekuentzialki azetonan, 1:1 azetona/IPA (isopropil alkohola) eta IPA-n busti zen 30 segundoz bakoitzean PMMA kentzeko. Filmak 100 °C-tan berotu ziren 15 minutuz edo hutsean mantendu ziren gau osoan, harrapatutako ura guztiz kentzeko, G/G korritze geruza bat gehiago transferitu aurretik. Urrats hau grafenozko filma substratutik askatzea saihesteko eta MGGen estaldura osoa bermatzeko izan zen PMMA garraiatzaile geruza askatzean.
MGG egituraren morfologia mikroskopio optiko bat (Leica) eta eskaneatze-mikroskopio elektroniko bat (1 kV; FEI) erabiliz behatu zen. Indar atomikoko mikroskopio bat (Nanoscope III, Digital Instrument) erabili zen tapping moduan G korrituen xehetasunak behatzeko. Filmaren gardentasuna ultramore-ikusgai espektrometro batekin probatu zen (Agilent Cary 6000i). Tentsioa korronte-fluxuaren norabide perpendikularrean zegoen probetan, fotolitografia eta O2 plasma erabili ziren grafenozko egiturak zerrendatan modelatzeko (~300 μm zabal eta ~2000 μm luze), eta Au (50 nm) elektrodoak termikoki metatu ziren alde luzearen bi muturretan itzal-maskarak erabiliz. Ondoren, grafenozko zerrendak SEBS elastomero batekin kontaktuan jarri ziren (~2 cm zabal eta ~5 cm luze), zerrenden ardatz luzea SEBSren alde motzarekiko paraleloan zegoela, eta ondoren BOE (buffered oxide etch grabbing) (HF:H2O 1:6) grabatzea eta galio-indio eutektikoa (EGaIn) kontaktu elektriko gisa erabili ziren. Deformazio paraleloko probetan, grafenozko egitura patroigabeak (~5 × 10 mm) SEBS substratuetara transferitu ziren, ardatz luzeak SEBS substratuaren alde luzearekiko paralelo zituztela. Bi kasuetan, G osoa (G kiribildurik gabe)/SEBS elastomeroaren alde luzean zehar luzatu zen eskuzko aparatu batean, eta in situ, tentsiopean dauden erresistentzia aldaketak neurtu genituen zunda-estazio batean, erdieroaleen analizatzaile batekin (Keithley 4200-SCS).
Substratu elastiko batean dauden karbonozko transistore oso luzagarri eta gardenak honako prozedura hauen bidez fabrikatu ziren, polimero dielektrikoari eta substratuari disolbatzaile organikoek kalterik ez egiteko. MGG egiturak SEBSra transferitu ziren ate-elektrodo gisa. Polimero dielektriko geruza uniforme bat (2 μm-ko lodiera) lortzeko, SEBS tolueno (80 mg/ml) disoluzio bat oktadeziltriklorosilano (OTS) aldatutako SiO2/Si substratu batean estali zen spin-mekanismoz, 1000 rpm-tan 1 minutuz. Dielektriko film mehea erraz transferi daiteke OTS gainazal hidrofobikotik prestatutako grafenoarekin estalitako SEBS substratura. Kondentsadore bat egin daiteke goiko elektrodo metal likido bat (EGaIn; Sigma-Aldrich) jarriz, kapazitantzia tentsioaren arabera zehazteko LCR (induktantza, kapazitantzia, erresistentzia) neurgailu bat (Agilent) erabiliz. Transistorearen beste zatia polimeroz sailkatutako CNT erdieroalez osatuta zegoen, aurretik jakinarazitako prozedurak jarraituz (53). Iturri/hustubide elektrodo patroiatuak SiO2/Si substratu zurrunetan fabrikatu ziren. Ondoren, bi zatiak, dielektrikoa/G/SEBS eta CNTak/G/SiO2/Si patroiatua, elkarri laminatu eta BOE-n busti ziren SiO2/Si substratu zurruna kentzeko. Horrela, transistore guztiz gardenak eta luzagarriak fabrikatu ziren. Tentsiopeko proba elektrikoak eskuzko luzatze konfigurazio batean egin ziren, aipatutako metodoaren arabera.
Artikulu honen material osagarria hemen dago eskuragarri: http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
S1 irudia. SiO2/Si substratuetan MGG monokaparen mikroskopia optikoaren irudiak, handitze desberdinetan.
S4 irudia. Grafeno lauaren (karratu beltzak), MGGren (zirkulu gorriak) eta CNTen (triangelu urdina) erresistentzia eta transmitantzien konparaketa 550 nm-tan, bi zunda xaflen kasuan.
S7 irudia. MGG (beltza) eta G (gorria) geruza bakarreko eta bikoitzeko erresistentzia-aldaketa normalizatua, ~1000ko deformazio zikliko-kargaren pean, % 40ko eta % 90eko deformazio paraleloraino, hurrenez hurren.
S10 irudia. SEBS elastomeroaren gaineko hiru geruzako MGGren SEM irudia deformazioaren ondoren, hainbat pitzaduraren gaineko gurutze luze bat erakusten duena.
S12 irudia. SEBS elastomero oso mehean % 20ko deformazioan hiru geruzako MGGren AFM irudia, non korridoi batek pitzadura bat zeharkatu duela erakusten den.
S1 taula. MGG-karbono nanotubozko horma bakarreko transistore bikoitzen mugikortasunak kanal-luzera desberdinetan deformazioaren aurretik eta ondoren.
Artikulu hau Creative Commons Aitortu-EzKomertziala lizentziaren baldintzen arabera banatzen da, eta horrek edozein euskarritan erabiltzea, banatzea eta erreproduzitzea baimentzen du, baldin eta ondoriozko erabilera ez bada abantaila komertzialik lortzeko eta jatorrizko lana behar bezala aipatzen bada.
OHARRA: Zure helbide elektronikoa eskatzen dizugu soilik orrialdea gomendatzen diozun pertsonak jakin dezan ikusi nahi zenuela, eta ez dela zabor-posta. Ez dugu helbide elektronikorik jasotzen.
Galdera hau gizaki bat zaren ala ez egiaztatzeko eta spam bidalketa automatikoak saihesteko da.
Egileak: Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
Egileak: Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 Zientziaren Aurrerapenerako Amerikako Elkartea. Eskubide guztiak erreserbatuta. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef eta COUNTER-en bazkidea da.Science Advances ISSN 2375-2548.
Argitaratze data: 2021eko urtarrilaren 28a