Los materiales bidimensionales, como el grafeno, son atractivos tanto para aplicaciones de semiconductores convencionales como para aplicaciones incipientes en electrónica flexible.Sin embargo, la alta resistencia a la tracción del grafeno da como resultado la fractura a baja tensión, lo que dificulta aprovechar sus extraordinarias propiedades electrónicas en la electrónica estirable.Para permitir un excelente rendimiento dependiente de la tensión de los conductores de grafeno transparentes, creamos nanorollos de grafeno entre capas de grafeno apiladas, denominados rollos de grafeno/grafeno multicapa (MGG).Bajo tensión, algunos rollos unieron los dominios fragmentados de grafeno para mantener una red de filtración que permitió una excelente conductividad a altas tensiones.Los MGG tricapa soportados en elastómeros retuvieron el 65 % de su conductancia original al 100 % de tensión, que es perpendicular a la dirección del flujo de corriente, mientras que las películas tricapa de grafeno sin nanodesplazamientos retuvieron solo el 25 % de su conductancia inicial.Un transistor de carbono estirable fabricado usando MGG como electrodos mostró una transmitancia de >90 % y retuvo el 60 % de su salida de corriente original con una tensión del 120 % (paralelo a la dirección de transporte de la carga).Estos transistores totalmente de carbono altamente estirables y transparentes podrían permitir una sofisticada optoelectrónica estirable.
La electrónica transparente estirable es un campo en crecimiento que tiene aplicaciones importantes en sistemas biointegrados avanzados (1, 2), así como el potencial de integrarse con optoelectrónica estirable (3, 4) para producir pantallas y robótica blanda sofisticada.El grafeno exhibe propiedades altamente deseables de espesor atómico, alta transparencia y alta conductividad, pero su implementación en aplicaciones estirables se ha visto inhibida por su tendencia a agrietarse con pequeñas deformaciones.Superar las limitaciones mecánicas del grafeno podría permitir una nueva funcionalidad en dispositivos transparentes estirables.
Las propiedades únicas del grafeno lo convierten en un fuerte candidato para la próxima generación de electrodos conductores transparentes (5, 6).En comparación con el conductor transparente más utilizado, el óxido de indio y estaño [ITO;100 ohmios/cuadrado (cuadrado) con 90 % de transparencia], el grafeno monocapa cultivado mediante deposición química de vapor (CVD) tiene una combinación similar de resistencia de lámina (125 ohmios/cuadrado) y transparencia (97,4 %) (5).Además, las películas de grafeno tienen una flexibilidad extraordinaria en comparación con ITO (7).Por ejemplo, en un sustrato de plástico, su conductancia se puede retener incluso para un radio de curvatura de flexión tan pequeño como 0,8 mm (8).Para mejorar aún más su rendimiento eléctrico como conductor flexible transparente, trabajos anteriores han desarrollado materiales híbridos de grafeno con nanocables de plata unidimensionales (1D) o nanotubos de carbono (CNT) (9–11).Además, el grafeno se ha utilizado como electrodos para semiconductores heteroestructurales de dimensiones mixtas (como silicio a granel 2D, nanocables/nanotubos 1D y puntos cuánticos 0D) (12), transistores flexibles, células solares y diodos emisores de luz (LED) (13 –23).
Aunque el grafeno ha mostrado resultados prometedores para la electrónica flexible, su aplicación en la electrónica estirable se ha visto limitada por sus propiedades mecánicas (17, 24, 25);el grafeno tiene una rigidez en el plano de 340 N/my un módulo de Young de 0,5 TPa (26).La fuerte red de carbono-carbono no proporciona ningún mecanismo de disipación de energía para la tensión aplicada y, por lo tanto, se agrieta fácilmente con menos del 5% de tensión.Por ejemplo, el grafeno CVD transferido a un sustrato elástico de polidimetilsiloxano (PDMS) solo puede mantener su conductividad a menos del 6% de tensión (8).Los cálculos teóricos muestran que el arrugamiento y la interacción entre las diferentes capas deberían disminuir considerablemente la rigidez (26).Al apilar grafeno en múltiples capas, se informa que este grafeno de dos o tres capas se estira hasta un 30% de tensión, mostrando un cambio de resistencia 13 veces menor que el del grafeno monocapa (27).Sin embargo, esta estirabilidad sigue siendo significativamente inferior a la de los conductores estirables de última generación (28, 29).
Los transistores son importantes en las aplicaciones extensibles porque permiten lecturas de sensores y análisis de señales sofisticados (30, 31).Los transistores en PDMS con grafeno multicapa como electrodos de fuente/drenaje y material de canal pueden mantener la función eléctrica hasta un 5 % de tensión (32), que está significativamente por debajo del valor mínimo requerido (~50 %) para sensores portátiles de monitoreo de salud y piel electrónica ( 33, 34).Recientemente, se ha explorado un enfoque de kirigami de grafeno, y el transistor activado por un electrolito líquido se puede estirar hasta en un 240% (35).Sin embargo, este método requiere grafeno suspendido, lo que complica el proceso de fabricación.
Aquí, logramos dispositivos de grafeno altamente estirables al intercalar rollos de grafeno (~1 a 20 μm de largo, ~0.1 a 1 μm de ancho y ~10 a 100 nm de alto) entre capas de grafeno.Nuestra hipótesis es que estos rollos de grafeno podrían proporcionar caminos conductores para salvar grietas en las láminas de grafeno, manteniendo así una alta conductividad bajo tensión.Los rollos de grafeno no requieren síntesis o proceso adicional;se forman naturalmente durante el procedimiento de transferencia húmeda.Mediante el uso de electrodos estirables de grafeno G/G (grafeno/grafeno) multicapa (MGG) (fuente/drenaje y puerta) y CNT semiconductores, pudimos demostrar transistores de carbono altamente transparentes y altamente estirables, que se pueden estirar a 120 % de tensión (paralelo a la dirección de transporte de la carga) y conservan el 60 % de su salida de corriente original.Este es el transistor basado en carbono transparente más estirable hasta el momento, y proporciona suficiente corriente para impulsar un LED inorgánico.
Para habilitar electrodos de grafeno estirables transparentes de gran área, elegimos grafeno cultivado por CVD en lámina de cobre.La lámina de Cu se suspendió en el centro de un tubo de cuarzo CVD para permitir el crecimiento de grafeno en ambos lados, formando estructuras G/Cu/G.Para transferir el grafeno, primero recubrimos por rotación una capa delgada de poli(metacrilato de metilo) (PMMA) para proteger un lado del grafeno, al que llamamos grafeno superior (y viceversa para el otro lado del grafeno), y posteriormente, el toda la película (PMMA/grafeno superior/Cu/grafeno inferior) se empapó en una solución de (NH4)2S2O8 para eliminar la lámina de Cu.El grafeno del lado inferior sin el recubrimiento de PMMA inevitablemente tendrá grietas y defectos que permitirán que penetre un grabador (36, 37).Como se ilustra en la Fig. 1A, bajo el efecto de la tensión superficial, los dominios de grafeno liberados se enrollaron en volutas y posteriormente se unieron a la película de PMMA/G superior restante.Los rollos superiores G/G se pueden transferir a cualquier sustrato, como SiO2/Si, vidrio o polímero blando.La repetición de este proceso de transferencia varias veces sobre el mismo sustrato da estructuras MGG.
(A) Ilustración esquemática del procedimiento de fabricación de MGG como electrodo estirable.Durante la transferencia de grafeno, el grafeno de la parte posterior de la lámina de Cu se rompió en los límites y los defectos, se enrolló en formas arbitrarias y se unió firmemente a las películas superiores, formando nanodesplazamientos.La cuarta caricatura representa la estructura MGG apilada.(B y C) Caracterizaciones TEM de alta resolución de un MGG monocapa, centrándose en el grafeno monocapa (B) y la región de desplazamiento (C), respectivamente.El recuadro de (B) es una imagen de bajo aumento que muestra la morfología general de los MGG monocapa en la cuadrícula TEM.Los recuadros de (C) son los perfiles de intensidad tomados a lo largo de los cuadros rectangulares indicados en la imagen, donde las distancias entre los planos atómicos son 0,34 y 0,41 nm.(D) Espectro EEL de borde K de carbono con los picos grafíticos característicos π* y σ* etiquetados.(E) Imagen AFM seccional de rollos G/G monocapa con un perfil de altura a lo largo de la línea punteada amarilla.(F a I) Imágenes de microscopía óptica y AFM de tricapa G sin (F y H) y con volutas (G e I) en sustratos de SiO2/Si de 300 nm de espesor, respectivamente.Las volutas y las arrugas representativas se etiquetaron para resaltar sus diferencias.
Para verificar que los rollos son de grafeno enrollado por naturaleza, realizamos estudios de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución y espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EEL) en las estructuras de rollo G/G de la parte superior de la monocapa.La Figura 1B muestra la estructura hexagonal de una monocapa de grafeno, y el recuadro es una morfología general de la película cubierta en un solo orificio de carbono de la rejilla TEM.El grafeno monocapa se extiende por la mayor parte de la cuadrícula y aparecen algunas escamas de grafeno en presencia de múltiples pilas de anillos hexagonales (Fig. 1B).Al hacer zoom en un desplazamiento individual (Fig. 1C), observamos una gran cantidad de franjas de red de grafeno, con un espaciado de red en el rango de 0,34 a 0,41 nm.Estas medidas sugieren que las escamas se enrollan al azar y no son grafito perfecto, que tiene una separación de red de 0,34 nm en el apilamiento de capas "ABAB".La Figura 1D muestra el espectro EEL de borde K de carbono, donde el pico a 285 eV se origina en el orbital π* y el otro alrededor de 290 eV se debe a la transición del orbital σ*.Se puede observar que en esta estructura domina el enlace sp2, comprobándose que las volutas son altamente grafitadas.
Las imágenes de microscopía óptica y microscopía de fuerza atómica (AFM) brindan información sobre la distribución de nanodesplazamientos de grafeno en los MGG (Fig. 1, E a G, y figs. S1 y S2).Los rollos se distribuyen aleatoriamente sobre la superficie y su densidad en el plano aumenta proporcionalmente al número de capas apiladas.Muchos rollos están enredados en nudos y exhiben alturas no uniformes en el rango de 10 a 100 nm.Tienen de 1 a 20 μm de largo y de 0,1 a 1 μm de ancho, según el tamaño de sus hojuelas de grafeno iniciales.Como se muestra en la Fig. 1 (H e I), los rollos tienen tamaños significativamente más grandes que las arrugas, lo que genera una interfaz mucho más rugosa entre las capas de grafeno.
Para medir las propiedades eléctricas, modelamos películas de grafeno con o sin estructuras de desplazamiento y apilamos capas en tiras de 300 μm de ancho y 2000 μm de largo mediante fotolitografía.Las resistencias de dos sondas en función de la deformación se midieron en condiciones ambientales.La presencia de volutas redujo la resistividad del grafeno monocapa en un 80 % con solo una disminución del 2,2 % en la transmitancia (fig. S4).Esto confirma que los nanoscrolls, que tienen una alta densidad de corriente de hasta 5 × 107 A/cm2 (38, 39), hacen una contribución eléctrica muy positiva a los MGG.Entre todos los MGG y grafeno simple mono, bi y tricapa, el MGG tricapa tiene la mejor conductancia con una transparencia de casi el 90 %.Para comparar con otras fuentes de grafeno reportadas en la literatura, también medimos resistencias de láminas de cuatro sondas (fig. S5) y las enumeramos en función de la transmitancia a 550 nm (fig. S6) en la Fig. 2A.MGG muestra una conductividad y transparencia comparables o más altas que el grafeno simple de múltiples capas apiladas artificialmente y el óxido de grafeno reducido (RGO) (6, 8, 18).Tenga en cuenta que las resistencias de lámina de grafeno simple multicapa apilado artificialmente de la literatura son ligeramente más altas que las de nuestro MGG, probablemente debido a sus condiciones de crecimiento y método de transferencia no optimizados.
(A) Resistencias de hoja de cuatro sondas versus transmitancia a 550 nm para varios tipos de grafeno, donde los cuadrados negros indican MGG de una, dos y tres capas;los círculos rojos y los triángulos azules se corresponden con el grafeno simple multicapa cultivado en Cu y Ni de los estudios de Li et al.(6) y Kim et al.(8), respectivamente, y posteriormente transferidos sobre SiO2/Si o cuarzo;y los triángulos verdes son valores para RGO en diferentes grados de reducción del estudio de Bonaccorso et al.(18).(B y C) Cambio de resistencia normalizado de MGG y G mono, bi y tricapa en función de la tensión perpendicular (B) y paralela (C) a la dirección del flujo de corriente.(D) Cambio de resistencia normalizado de bicapa G (rojo) y MGG (negro) bajo carga de deformación cíclica de hasta 50% de deformación perpendicular.(E) Cambio de resistencia normalizado de tricapa G (rojo) y MGG (negro) bajo carga de tensión cíclica de hasta 90% de tensión paralela.( F ) Cambio de capacitancia normalizado de G de mono, bi y tricapa y MGG de bi y tricapa en función de la tensión.El recuadro es la estructura del capacitor, donde el sustrato de polímero es SEBS y la capa dieléctrica de polímero es SEBS de 2 μm de espesor.
Para evaluar el rendimiento dependiente de la tensión del MGG, transferimos grafeno a sustratos de elastómero termoplástico estireno-etileno-butadieno-estireno (SEBS) (~2 cm de ancho y ~5 cm de largo), y se midió la conductividad a medida que se estiraba el sustrato. (ver Materiales y Métodos) tanto perpendiculares como paralelas a la dirección del flujo de corriente (Fig. 2, B y C).El comportamiento eléctrico dependiente de la tensión mejoró con la incorporación de nanodesplazamientos y un número creciente de capas de grafeno.Por ejemplo, cuando la tensión es perpendicular al flujo de corriente, para el grafeno monocapa, la adición de volutas aumentó la tensión en la rotura eléctrica del 5 al 70 %.La tolerancia a la tensión del grafeno tricapa también mejora significativamente en comparación con el grafeno monocapa.Con nanoscrolls, a una tensión perpendicular del 100 %, la resistencia de la estructura tricapa MGG solo aumentó en un 50 %, en comparación con el 300 % para el grafeno tricapa sin scrolls.Se investigó el cambio de resistencia bajo carga de deformación cíclica.A modo de comparación (Fig. 2D), las resistencias de una película de grafeno bicapa simple aumentaron aproximadamente 7,5 veces después de ~ 700 ciclos con una tensión perpendicular del 50% y siguieron aumentando con la tensión en cada ciclo.Por otro lado, la resistencia de un MGG bicapa solo aumentó unas 2,5 veces después de ~700 ciclos.Aplicando hasta un 90 % de tensión a lo largo de la dirección paralela, la resistencia del grafeno tricapa aumentó ~100 veces después de 1000 ciclos, mientras que en un MGG tricapa es solo ~8 veces (Fig. 2E).Los resultados de los ciclos se muestran en la fig.S7.El aumento relativamente más rápido de la resistencia a lo largo de la dirección de deformación paralela se debe a que la orientación de las grietas es perpendicular a la dirección del flujo de corriente.La desviación de la resistencia durante la tensión de carga y descarga se debe a la recuperación viscoelástica del sustrato elastómero SEBS.La resistencia más estable de las tiras de MGG durante el ciclo se debe a la presencia de volutas grandes que pueden unir las partes agrietadas del grafeno (según lo observado por AFM), lo que ayuda a mantener una vía de filtración.Este fenómeno de mantener la conductividad por una vía de percolación se ha informado anteriormente para películas de metal o semiconductores agrietados sobre sustratos de elastómero (40, 41).
Para evaluar estas películas basadas en grafeno como electrodos de compuerta en dispositivos estirables, cubrimos la capa de grafeno con una capa dieléctrica SEBS (2 μm de espesor) y monitoreamos el cambio de capacitancia dieléctrica en función de la tensión (consulte la Fig. 2F y los Materiales complementarios para detalles).Observamos que las capacitancias con electrodos de grafeno monocapa y bicapa simple disminuyeron rápidamente debido a la pérdida de conductividad en el plano del grafeno.Por el contrario, las capacitancias controladas por MGG, así como el grafeno tricapa simple, mostraron un aumento de la capacitancia con la deformación, lo que se espera debido a la reducción del espesor dieléctrico con la deformación.El aumento esperado en la capacitancia coincidió muy bien con la estructura MGG (fig. S8).Esto indica que MGG es adecuado como electrodo de puerta para transistores estirables.
Para investigar más a fondo el papel del rollo de grafeno 1D en la tolerancia a la tensión de la conductividad eléctrica y controlar mejor la separación entre las capas de grafeno, utilizamos CNT recubiertos con spray para reemplazar los rollos de grafeno (ver Materiales complementarios).Para imitar las estructuras MGG, depositamos tres densidades de CNT (es decir, CNT1
(A a C) Imágenes AFM de tres densidades diferentes de CNT (CNT1
Para comprender mejor su capacidad como electrodos para electrónica estirable, investigamos sistemáticamente las morfologías de MGG y G-CNT-G bajo tensión.La microscopía óptica y la microscopía electrónica de barrido (SEM) no son métodos de caracterización efectivos porque ambos carecen de contraste de color y el SEM está sujeto a artefactos de imagen durante el barrido de electrones cuando el grafeno está en sustratos de polímero (figs. S9 y S10).Para observar in situ la superficie de grafeno bajo tensión, recopilamos mediciones de AFM en tricapa MGG y grafeno simple después de transferir a sustratos SEBS muy delgados (~ 0,1 mm de espesor) y elásticos.Debido a los defectos intrínsecos del grafeno CVD y al daño extrínseco durante el proceso de transferencia, inevitablemente se generan grietas en el grafeno deformado y, con el aumento de la deformación, las grietas se vuelven más densas (Fig. 4, A a D).Dependiendo de la estructura de apilamiento de los electrodos a base de carbono, las grietas exhiben diferentes morfologías (fig. S11) (27).La densidad del área de grietas (definida como área de grietas/área analizada) del grafeno multicapa es menor que la del grafeno monocapa después de la deformación, lo que es coherente con el aumento de la conductividad eléctrica de los MGG.Por otro lado, a menudo se observan espirales para unir las grietas, lo que proporciona vías conductoras adicionales en la película tensa.Por ejemplo, como se indica en la imagen de la Fig. 4B, una voluta ancha cruzó una grieta en la tricapa MGG, pero no se observó ninguna voluta en el grafeno simple (Fig. 4, E a H).De manera similar, los CNT también puentearon las grietas en el grafeno (fig. S11).La densidad del área de grietas, la densidad del área de desplazamiento y la rugosidad de las películas se resumen en la Fig. 4K.
(A a H) Imágenes AFM in situ de volutas G/G tricapa (A a D) y estructuras G tricapa (E a H) en un elastómero SEBS muy delgado (~0,1 mm de espesor) a 0, 20, 60 y 100 % tensión muscular.Las grietas y volutas representativas están señaladas con flechas.Todas las imágenes AFM están en un área de 15 μm × 15 μm, utilizando la misma barra de escala de color que la etiquetada.(I) Geometría de simulación de electrodos de grafeno monocapa estampados en el sustrato SEBS.(J) Mapa de contorno de simulación de la tensión logarítmica principal máxima en el grafeno monocapa y el sustrato SEBS al 20% de tensión externa.(K) Comparación de la densidad del área de grietas (columna roja), la densidad del área de desplazamiento (columna amarilla) y la rugosidad de la superficie (columna azul) para diferentes estructuras de grafeno.
Cuando las películas de MGG se estiran, existe un importante mecanismo adicional por el cual los rollos pueden unir regiones agrietadas de grafeno, manteniendo una red de filtración.Los rollos de grafeno son prometedores porque pueden tener decenas de micrómetros de longitud y, por lo tanto, pueden salvar grietas que normalmente tienen una escala de micrómetros.Además, debido a que los rollos consisten en múltiples capas de grafeno, se espera que tengan baja resistencia.En comparación, se requieren redes CNT relativamente densas (menor transmitancia) para proporcionar una capacidad de puente conductora comparable, ya que los CNT son más pequeños (generalmente, unos pocos micrómetros de longitud) y menos conductivos que los rollos.Por otro lado, como se muestra en la fig.S12, mientras que el grafeno se agrieta durante el estiramiento para adaptarse a la tensión, los rollos no se agrietan, lo que indica que este último podría estar deslizándose sobre el grafeno subyacente.La razón por la que no se agrietan probablemente se deba a la estructura enrollada, compuesta de muchas capas de grafeno (~1 a 20 μm de largo, ~0.1 a 1 μm de ancho y ~10 a 100 nm de alto), que tiene un módulo efectivo más alto que el grafeno de una sola capa.Como informaron Green y Hersam (42), las redes de CNT metálicas (diámetro del tubo de 1,0 nm) pueden lograr resistencias de hoja bajas <100 ohmios/sq a pesar de la gran resistencia de unión entre los CNT.Teniendo en cuenta que nuestros rollos de grafeno tienen anchos de 0,1 a 1 μm y que los rollos G/G tienen áreas de contacto mucho más grandes que los CNT, la resistencia de contacto y el área de contacto entre el grafeno y los rollos de grafeno no deberían ser factores limitantes para mantener una alta conductividad.
El grafeno tiene un módulo mucho más alto que el sustrato SEBS.Aunque el grosor efectivo del electrodo de grafeno es mucho menor que el del sustrato, la rigidez del grafeno multiplicada por su grosor es comparable a la del sustrato (43, 44), lo que da como resultado un efecto de isla rígida moderado.Simulamos la deformación de un grafeno de 1 nm de espesor en un sustrato SEBS (ver Materiales complementarios para más detalles).De acuerdo con los resultados de la simulación, cuando se aplica una tensión del 20 % al sustrato de SEBS externamente, la tensión media en el grafeno es ~6,6 % (Fig. 4J y fig. S13D), lo que es coherente con las observaciones experimentales (ver fig. S13) .Comparamos la tensión en las regiones de sustrato y grafeno modelado mediante microscopía óptica y encontramos que la tensión en la región del sustrato era al menos el doble de la tensión en la región de grafeno.Esto indica que la tensión aplicada en los patrones de electrodos de grafeno podría limitarse significativamente, formando islas rígidas de grafeno en la parte superior de SEBS (26, 43, 44).
Por lo tanto, la capacidad de los electrodos MGG para mantener una alta conductividad bajo una gran tensión probablemente se deba a dos mecanismos principales: (i) las volutas pueden unir regiones desconectadas para mantener una vía de percolación conductora, y (ii) las láminas de grafeno/elastómero multicapa pueden deslizarse unos sobre otros, lo que reduce la tensión en los electrodos de grafeno.Para múltiples capas de grafeno transferido sobre elastómero, las capas no están fuertemente unidas entre sí, lo que puede deslizarse en respuesta a la tensión (27).Los rollos también aumentaron la rugosidad de las capas de grafeno, lo que puede ayudar a aumentar la separación entre las capas de grafeno y, por lo tanto, permitir el deslizamiento de las capas de grafeno.
Los dispositivos totalmente de carbono se persiguen con entusiasmo debido a su bajo costo y alto rendimiento.En nuestro caso, los transistores de carbono se fabricaron utilizando una puerta de grafeno inferior, un contacto de drenaje/fuente de grafeno superior, un semiconductor CNT ordenado y SEBS como dieléctrico (Fig. 5A).Como se muestra en la Fig. 5B, un dispositivo totalmente de carbono con CNT como fuente/drenaje y puerta (dispositivo inferior) es más opaco que el dispositivo con electrodos de grafeno (dispositivo superior).Esto se debe a que las redes CNT requieren mayores espesores y, en consecuencia, menores transmitancias ópticas para lograr resistencias de lámina similares a las del grafeno (fig. S4).La Figura 5 (C y D) muestra curvas representativas de transferencia y salida antes de la tensión para un transistor fabricado con electrodos MGG bicapa.El ancho y la longitud del canal del transistor sin tensión fueron 800 y 100 μm, respectivamente.La relación de encendido/apagado medida es superior a 103 con corrientes de encendido y apagado en los niveles de 10−5 y 10−8 A, respectivamente.La curva de salida exhibe regímenes lineales y de saturación ideales con una clara dependencia del voltaje de puerta, lo que indica un contacto ideal entre los CNT y los electrodos de grafeno (45).Se observó que la resistencia de contacto con los electrodos de grafeno era menor que con la película de Au evaporada (ver fig. S14).La movilidad de saturación del transistor estirable es de aproximadamente 5,6 cm2/Vs, similar a la de los mismos transistores CNT clasificados con polímeros en sustratos rígidos de Si con SiO2 de 300 nm como capa dieléctrica.Es posible mejorar aún más la movilidad con una densidad de tubos optimizada y otros tipos de tubos (46).
(A) Esquema de transistor extensible basado en grafeno.SWNT, nanotubos de carbono de pared simple.(B) Foto de los transistores estirables hechos de electrodos de grafeno (arriba) y electrodos CNT (abajo).La diferencia en la transparencia es claramente perceptible.( C y D ) Curvas de transferencia y salida del transistor basado en grafeno en SEBS antes de la tensión.(E y F) Curvas de transferencia, corriente de encendido y apagado, relación de encendido/apagado y movilidad del transistor basado en grafeno en diferentes tensiones.
Cuando el dispositivo transparente completamente de carbono se estiró en la dirección paralela a la dirección de transporte de la carga, se observó una degradación mínima hasta un 120 % de tensión.Durante el estiramiento, la movilidad disminuyó continuamente de 5,6 cm2/Vs al 0 % de tensión a 2,5 cm2/Vs al 120 % de tensión (Fig. 5F).También comparamos el rendimiento del transistor para diferentes longitudes de canal (consulte la tabla S1).En particular, con una tensión de hasta el 105 %, todos estos transistores seguían exhibiendo una alta relación de encendido/apagado (>103) y movilidad (>3 cm2/Vs).Además, resumimos todo el trabajo reciente sobre transistores de carbono (consulte la tabla S2) (47–52).Al optimizar la fabricación de dispositivos en elastómeros y usar MGG como contactos, nuestros transistores totalmente de carbono muestran un buen rendimiento en términos de movilidad e histéresis, además de ser altamente estirables.
Como una aplicación del transistor estirable y completamente transparente, lo usamos para controlar la conmutación de un LED (Fig. 6A).Como se muestra en la Fig. 6B, el LED verde se puede ver claramente a través del dispositivo de carbono estirable colocado directamente arriba.Mientras se estira hasta ~100 % (Fig. 6, C y D), la intensidad de la luz LED no cambia, lo cual es consistente con el rendimiento del transistor descrito anteriormente (ver película S1).Este es el primer informe de unidades de control estirables hechas con electrodos de grafeno, lo que demuestra una nueva posibilidad para la electrónica estirable de grafeno.
(A) Circuito de un transistor para conducir LED.TIERRA, tierra.(B) Foto del transistor de carbono estirable y transparente al 0 % de tensión montado sobre un LED verde.(C) El transistor estirable y transparente totalmente de carbono que se usa para cambiar el LED se monta sobre el LED al 0 % (izquierda) y ~100 % de tensión (derecha).Las flechas blancas apuntan como los marcadores amarillos en el dispositivo para mostrar el cambio de distancia que se está estirando.(D) Vista lateral del transistor estirado, con el LED empujado hacia el elastómero.
En conclusión, hemos desarrollado una estructura de grafeno conductor transparente que mantiene una alta conductividad bajo grandes tensiones como electrodos estirables, habilitados por nanodesplazamientos de grafeno entre capas de grafeno apiladas.Estas estructuras de electrodos MGG bicapa y tricapa en un elastómero pueden mantener el 21 y el 65 %, respectivamente, de sus conductividades de deformación del 0 % a una deformación de hasta el 100 %, en comparación con la pérdida completa de conductividad a una deformación del 5 % para los electrodos de grafeno monocapa típicos. .Las rutas conductoras adicionales de los rollos de grafeno, así como la débil interacción entre las capas transferidas, contribuyen a la estabilidad superior de la conductividad bajo tensión.Además, aplicamos esta estructura de grafeno para fabricar transistores estirables totalmente de carbono.Hasta ahora, este es el transistor basado en grafeno más extensible con la mejor transparencia sin usar pandeo.Aunque el presente estudio se realizó para habilitar el grafeno para la electrónica estirable, creemos que este enfoque se puede extender a otros materiales 2D para habilitar la electrónica 2D estirable.
El grafeno CVD de área grande se cultivó en láminas de cobre suspendidas (99,999 %; Alfa Aesar) a una presión constante de 0,5 mtorr con 50 SCCM (centímetro cúbico estándar por minuto) de CH4 y 20 SCCM H2 como precursores a 1000 °C.Ambos lados de la lámina de Cu estaban cubiertos por una monocapa de grafeno.Una capa delgada de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) se revistió por rotación en un lado de la lámina de Cu, formando una estructura de PMMA/G/lámina de Cu/G.posteriormente, toda la película se empapó en una solución de persulfato de amonio 0,1 M [(NH4)2S2O8] durante aproximadamente 2 horas para eliminar la lámina de Cu.Durante este proceso, el grafeno trasero desprotegido primero se desgarró a lo largo de los límites del grano y luego se enrolló en volutas debido a la tensión superficial.Los rollos se unieron a la película de grafeno superior con soporte de PMMA, formando rollos de PMMA/G/G.Posteriormente, las películas se lavaron en agua desionizada varias veces y se colocaron sobre un sustrato objetivo, como un sustrato rígido de SiO2/Si o plástico.Tan pronto como la película adherida se secó sobre el sustrato, la muestra se empapó secuencialmente en acetona, acetona/IPA (alcohol isopropílico) 1:1 e IPA durante 30 s cada uno para eliminar el PMMA.Las películas se calentaron a 100 °C durante 15 min o se mantuvieron al vacío durante la noche para eliminar por completo el agua atrapada antes de transferir otra capa de espiral G/G.Este paso fue para evitar el desprendimiento de la película de grafeno del sustrato y garantizar una cobertura total de los MGG durante la liberación de la capa portadora de PMMA.
La morfología de la estructura MGG se observó utilizando un microscopio óptico (Leica) y un microscopio electrónico de barrido (1 kV; FEI).Se operó un microscopio de fuerza atómica (Nanoscope III, Digital Instrument) en modo de golpeteo para observar los detalles de los rollos G.La transparencia de la película se probó con un espectrómetro ultravioleta-visible (Agilent Cary 6000i).Para las pruebas, cuando la tensión estaba en la dirección perpendicular del flujo de corriente, se usaron fotolitografía y plasma de O2 para modelar las estructuras de grafeno en tiras (~300 μm de ancho y ~2000 μm de largo), y se depositaron térmicamente electrodos de Au (50 nm) usando máscaras de sombra en ambos extremos del lado largo.Luego, las tiras de grafeno se pusieron en contacto con un elastómero SEBS (~2 cm de ancho y ~5 cm de largo), con el eje largo de las tiras paralelo al lado corto de SEBS seguido de BOE (grabado con óxido tamponado) (HF:H2O 1:6) grabado y galio indio eutéctico (EGaIn) como contactos eléctricos.Para las pruebas de deformación en paralelo, se transfirieron estructuras de grafeno sin patrón (~5 × 10 mm) a sustratos de SEBS, con ejes largos paralelos al lado largo del sustrato de SEBS.Para ambos casos, todo el G (sin espirales G)/SEBS se estiró a lo largo del lado largo del elastómero en un aparato manual e in situ, medimos sus cambios de resistencia bajo tensión en una estación de sonda con un analizador de semiconductores (Keithley 4200 -SCS).
Los transistores totalmente de carbono transparentes y altamente estirables sobre un sustrato elástico se fabricaron mediante los siguientes procedimientos para evitar daños por solventes orgánicos en el polímero dieléctrico y el sustrato.Las estructuras MGG se transfirieron a SEBS como electrodos de puerta.Para obtener una capa dieléctrica de polímero de película delgada uniforme (2 μm de espesor), una solución de tolueno SEBS (80 mg/ml) se revistió por rotación sobre un sustrato de SiO2/Si modificado con octadeciltriclorosilano (OTS) a 1000 rpm durante 1 min.La película dieléctrica delgada se puede transferir fácilmente desde la superficie hidrofóbica OTS al sustrato SEBS cubierto con el grafeno preparado.Se podría fabricar un capacitor depositando un electrodo superior de metal líquido (EGaIn; Sigma-Aldrich) para determinar la capacitancia en función de la tensión usando un medidor LCR (inductancia, capacitancia, resistencia) (Agilent).La otra parte del transistor constaba de CNT semiconductores clasificados con polímeros, siguiendo los procedimientos informados anteriormente (53).Los electrodos de fuente/drenaje estampados se fabricaron sobre sustratos rígidos de SiO2/Si.Posteriormente, las dos partes, dieléctrico/G/SEBS y CNT/G/SiO2/Si modelado, se laminaron entre sí y se sumergieron en BOE para eliminar el sustrato rígido de SiO2/Si.Por lo tanto, se fabricaron los transistores completamente transparentes y estirables.La prueba eléctrica bajo tensión se realizó en una configuración de estiramiento manual como el método mencionado anteriormente.
El material complementario para este artículo está disponible en http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
higo.S1.Imágenes de microscopía óptica de MGG monocapa sobre sustratos de SiO2/Si a diferentes aumentos.
higo.S4.Comparación de resistencias y transmitancias de láminas de dos sondas a 550 nm de grafeno simple de una, dos y tres capas (cuadrados negros), MGG (círculos rojos) y CNT (triángulo azul).
higo.S7.Cambio de resistencia normalizado de MGG monocapa y bicapa (negro) y G (rojo) bajo ~1000 carga de deformación cíclica de hasta 40 y 90 % de deformación paralela, respectivamente.
higo.S10.Imagen SEM de tricapa MGG en elastómero SEBS después de la deformación, que muestra una cruz de desplazamiento larga sobre varias grietas.
higo.S12.Imagen AFM de tricapa MGG en elastómero SEBS muy delgado con una deformación del 20 %, que muestra que una voluta cruzó una grieta.
tabla S1.Movilidades de transistores de nanotubos de carbono de pared simple MGG bicapa en diferentes longitudes de canal antes y después de la tensión.
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Por 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
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© 2021 Asociación Americana para el Avance de la Ciencia.Reservados todos los derechos.AAAS es socio de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef y COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Hora de publicación: 28 de enero de 2021