그래핀과 같은 2차원 물질은 기존의 반도체 응용 분야와 유연한 전자 장치의 초기 응용 분야 모두에 매력적입니다.그러나 그래핀의 높은 인장 강도는 낮은 변형률에서 파단을 초래하여 신축성 전자 장치에서 뛰어난 전자 특성을 활용하기가 어렵습니다.투명 그래핀 전도체의 우수한 변형 의존적 성능을 가능하게 하기 위해 우리는 적층 그래핀 층 사이에 그래핀 나노스크롤을 만들었는데, 이를 다층 그래핀/그래핀 스크롤(MGG)이라고 합니다.변형률 하에서 일부 스크롤은 그래핀의 조각난 영역을 연결하여 높은 변형률에서 우수한 전도성을 가능하게 하는 침투 네트워크를 유지합니다.엘라스토머에 지지된 삼중층 MGG는 전류 흐름 방향에 수직인 100% 변형에서 원래 전도도의 65%를 유지한 반면, 나노스크롤이 없는 그래핀의 삼중층 필름은 시작 전도도의 25%만 유지했습니다.MGG를 전극으로 사용하여 제작된 신축성 있는 탄소 트랜지스터는 투과율이 90% 이상이고 120% 변형에서 원래 전류 출력의 60%를 유지했습니다(전하 전달 방향과 평행).이러한 신축성이 뛰어나고 투명한 모든 탄소 트랜지스터는 정교한 신축성 광전자공학을 가능하게 할 수 있습니다.
신축성 있는 투명 전자 장치는 첨단 생체 통합 시스템(1, 2)에서 중요한 응용 분야는 물론 신축성 있는 광전자 장치(3, 4)와 통합하여 정교한 소프트 로봇 및 디스플레이를 생산할 수 있는 잠재력이 있는 성장하는 분야입니다.그래핀은 원자 두께, 높은 투명도, 높은 전도성이라는 매우 바람직한 특성을 나타내지만, 작은 변형에서 균열되는 경향으로 인해 신축성 응용 분야에서의 구현이 억제되었습니다.그래핀의 기계적 한계를 극복하면 신축성 있는 투명 장치에서 새로운 기능을 구현할 수 있습니다.
그래핀의 독특한 특성으로 인해 차세대 투명 전도성 전극(5, 6)의 강력한 후보가 되었습니다.가장 일반적으로 사용되는 투명 전도체와 비교하여 인듐 주석 산화물 [ITO;90% 투명도에서 100옴/제곱(제곱)], 화학 기상 증착(CVD)에 의해 성장된 단층 그래핀은 시트 저항(125옴/제곱)과 투명도(97.4%)의 유사한 조합을 가지고 있습니다(5).또한 그래핀 필름은 ITO에 비해 뛰어난 유연성을 가지고 있습니다(7).예를 들어, 플라스틱 기판의 경우 0.8mm(8)만큼 작은 굽힘 곡률 반경에서도 전도도를 유지할 수 있습니다.투명 유연 전도체로서의 전기적 성능을 더욱 향상시키기 위해 이전 연구에서는 1차원(1D) 은 나노와이어 또는 탄소 나노튜브(CNT)를 사용하여 그래핀 하이브리드 재료를 개발했습니다(9-11).또한 그래핀은 혼합 차원의 이종구조 반도체(2D 벌크 Si, 1D 나노와이어/나노튜브, 0D 양자점 등), 플렉서블 트랜지스터, 태양 전지, 발광 다이오드(LED)(13)의 전극으로 사용되었습니다. –23).
그래핀이 플렉서블 전자 장치에 대해 유망한 결과를 보여주긴 했지만, 신축성 전자 장치에 대한 응용은 기계적 특성으로 인해 제한되었습니다(17, 24, 25).그래핀은 340N/m의 면내 강성과 0.5TPa의 영률을 갖는다( 26).강한 탄소-탄소 네트워크는 적용된 변형률에 대한 에너지 소산 메커니즘을 제공하지 않으므로 5% 미만의 변형률에서 쉽게 균열이 발생합니다.예를 들어, PDMS(폴리디메틸실록산) 탄성 기판으로 전사된 CVD 그래핀은 6% 미만의 변형률에서만 전도성을 유지할 수 있습니다(8).이론적 계산은 서로 다른 층 사이의 구겨짐과 상호 작용이 강성을 크게 감소시켜야 함을 보여줍니다(26).그래핀을 여러 층으로 적층함으로써 이 2층 또는 3층 그래핀이 30% 변형률까지 늘어나 단층 그래핀보다 13배 작은 저항 변화를 나타내는 것으로 보고되었다(27).그러나 이러한 신축성은 여전히 최첨단 신축성 전도체(28, 29)에 비해 현저히 떨어진다.
트랜지스터는 정교한 센서 판독 및 신호 분석을 가능하게 하기 때문에 신축성 응용 분야에서 중요합니다(30, 31).소스/드레인 전극 및 채널 재료로 다층 그래핀을 사용하는 PDMS의 트랜지스터는 최대 5% 변형률(32)까지 전기적 기능을 유지할 수 있으며, 이는 웨어러블 건강 모니터링 센서 및 전자 피부에 필요한 최소값(~50%)보다 현저히 낮습니다. 33, 34).최근에 그래핀 키리가미 접근법이 연구되었으며 액체 전해질로 게이트된 트랜지스터는 최대 240%까지 늘어날 수 있습니다(35).그러나 이 방법은 부유 그래핀을 필요로 하므로 제조 공정이 복잡합니다.
여기에서 우리는 그래핀 층 사이에 그래핀 스크롤(길이 ~1~20μm, 너비 ~0.1~1μm, 높이 ~10~100nm)을 삽입하여 매우 신축성 있는 그래핀 장치를 달성합니다.우리는 이러한 그래핀 스크롤이 그래핀 시트의 균열을 연결하는 전도성 경로를 제공할 수 있으므로 변형 하에서 높은 전도성을 유지할 수 있다고 가정합니다.그래핀 스크롤은 추가 합성이나 공정이 필요하지 않습니다.그들은 습식 전사 과정에서 자연적으로 형성됩니다.다층 G/G(그래핀/그래핀) 스크롤(MGG) 그래핀 신축성 전극(소스/드레인 및 게이트) 및 반도체 CNT를 사용하여 120개까지 늘릴 수 있는 매우 투명하고 신축성이 높은 전체 탄소 트랜지스터를 시연할 수 있었습니다. % 변형률(전하 전달 방향과 평행)을 유지하고 원래 전류 출력의 60%를 유지합니다.이것은 지금까지 가장 신축성이 있는 투명 탄소 기반 트랜지스터이며 무기 LED를 구동하기에 충분한 전류를 제공합니다.
대면적 투명 신축성 그래핀 전극을 구현하기 위해 우리는 Cu 호일 위에 CVD 성장 그래핀을 선택했습니다.Cu 호일은 CVD 석영 튜브의 중앙에 매달려 있어 양면에서 그래핀이 성장하여 G/Cu/G 구조를 형성합니다.그래핀을 전사하기 위해, 우리는 먼저 그래핀의 한 면을 보호하기 위해 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)의 얇은 층을 스핀 코팅했습니다. 전체 필름(PMMA/상부 그래핀/Cu/하부 그래핀)을 (NH4)2S2O8 용액에 담가 Cu 호일을 에칭 제거했습니다.PMMA 코팅이 없는 바닥면 그래핀은 불가피하게 에천트가 침투할 수 있도록 하는 균열과 결함을 갖게 됩니다(36, 37).도 1A에 도시된 바와 같이, 표면 장력의 영향 하에서, 방출된 그래핀 도메인은 스크롤로 말려 올라간 다음 나머지 상부 G/PMMA 필름에 부착된다.top-G/G 스크롤은 SiO2/Si, 유리 또는 연질 폴리머와 같은 모든 기판에 전사될 수 있습니다.동일한 기판에 이 전사 과정을 여러 번 반복하면 MGG 구조가 생성됩니다.
(A) 신축성 전극으로서의 MGG 제조 절차의 개략도.그래핀 전사 동안 Cu 호일의 후면 그래핀은 경계와 결함에서 부서지고 임의의 모양으로 말려지고 상부 필름에 단단히 부착되어 나노스크롤을 형성했습니다.네 번째 만화는 적층된 MGG 구조를 묘사합니다.(B 및 C) 단층 그래핀(B) 및 스크롤(C) 영역에 각각 초점을 맞춘 단층 MGG의 고해상도 TEM 특성.(B)의 삽입은 TEM 그리드에서 단층 MGG의 전체 형태를 보여주는 저배율 이미지입니다.(C)의 삽입은 이미지에 표시된 직사각형 상자를 따라 찍은 강도 프로파일이며, 여기서 원자 평면 사이의 거리는 0.34 및 0.41 nm입니다.(D) 특성 흑연 π* 및 σ* 피크가 표시된 탄소 K-에지 EEL 스펙트럼.(E) 단층 G/G의 단면 AFM 이미지는 노란색 점선을 따라 높이 프로필로 스크롤됩니다.(F에서 I) 300nm 두께의 SiO2/Si 기판에서 각각(F 및 H) 스크롤이 없는(G 및 I) 삼중층 G의 광학 현미경 및 AFM 이미지.대표적인 두루마리와 주름은 차이점을 강조하기 위해 레이블이 지정되었습니다.
스크롤이 자연에서 롤 그래핀인지 확인하기 위해 단층 top-G/G 스크롤 구조에 대한 고해상도 투과 전자 현미경(TEM) 및 전자 에너지 손실(EEL) 분광 연구를 수행했습니다.그림 1B는 단층 그래핀의 육각형 구조를 나타내며 삽입된 그림은 TEM 그리드의 단일 탄소 구멍에 덮인 필름의 전체 형태입니다.단층 그래핀은 대부분의 그리드에 걸쳐 있으며 육각형 고리의 다중 스택이 있는 경우 일부 그래핀 플레이크가 나타납니다(그림 1B).개별 스크롤을 확대하여(그림 1C), 격자 간격이 0.34~0.41 nm 범위인 많은 양의 그래핀 격자 무늬를 관찰했습니다.이러한 측정은 플레이크가 무작위로 롤업되고 "ABAB" 층 적층에서 격자 간격이 0.34nm인 완벽한 흑연이 아님을 시사합니다.그림 1D는 탄소 K-에지 EEL 스펙트럼을 보여줍니다. 여기서 285 eV의 피크는 π* 궤도에서 시작되고 다른 피크는 290 eV 주변의 σ* 궤도의 전이로 인한 것입니다.이 구조에서 sp2 결합이 우세하여 스크롤이 고도로 흑연임을 확인할 수 있습니다.
광학 현미경 및 원자력 현미경(AFM) 이미지는 MGG에서 그래핀 나노스크롤의 분포에 대한 통찰력을 제공합니다(그림 1, E에서 G, 그림 S1 및 S2).두루마리는 표면에 무작위로 분포되며 평면 내 밀도는 적층된 레이어의 수에 비례하여 증가합니다.많은 두루마리가 매듭으로 얽혀 있으며 10~100nm 범위에서 높이가 균일하지 않습니다.초기 그래핀 플레이크의 크기에 따라 길이는 1~20μm, 너비는 0.1~1μm입니다.그림 1(H 및 I)에서 볼 수 있듯이 스크롤은 주름보다 훨씬 큰 크기를 가지므로 그래핀 층 사이의 계면이 훨씬 더 거칠다.
전기적 특성을 측정하기 위해 우리는 포토리소그래피를 사용하여 너비 300μm 및 길이 2000μm 스트립으로 스크롤 구조와 레이어 적층이 있거나 없는 그래핀 필름을 패턴화했습니다.스트레인의 함수로서 2-프로브 저항은 주변 조건에서 측정되었습니다.스크롤의 존재는 단층 그래핀의 저항을 80%까지 감소시켰고 투과율은 2.2%만 감소시켰습니다(그림 S4).이것은 최대 5 × 107 A/cm2(38, 39)의 높은 전류 밀도를 갖는 나노스크롤이 MGG에 매우 긍정적인 전기적 기여를 한다는 것을 확인시켜줍니다.모든 단층, 이중층, 삼중층 일반 그래핀과 MGG 중 삼층 MGG는 투명도가 거의 90%에 달하는 최고의 전도도를 가지고 있습니다.문헌에 보고된 다른 그래핀 소스와 비교하기 위해 4-프로브 시트 저항(그림 S5)을 측정하고 그림 2A에서 550nm에서 투과율의 함수로 나열했습니다(그림 S6).MGG는 인공적으로 적층된 다층 일반 그래핀 및 환원그래핀옥사이드(RGO)보다 비슷하거나 더 높은 전도도 및 투명도를 나타냅니다(6, 8, 18).문헌에서 인공적으로 적층된 다층 일반 그래핀의 시트 저항은 최적화되지 않은 성장 조건 및 전달 방법 때문에 MGG의 시트 저항보다 약간 높습니다.
(A) 여러 유형의 그래핀에 대해 550nm에서 투과율에 대한 4개 프로브 시트 저항(검은색 사각형은 단층, 이중층 및 삼중층 MGG를 나타냄);빨간색 원과 파란색 삼각형은 Li et al.의 연구에서 Cu 및 Ni에서 성장한 다층 일반 그래핀에 해당합니다.(6) 및 Kim et al.(8) 각각, 후속적으로 SiO2/Si 또는 석영으로 전사됨;녹색 삼각형은 Bonaccorso et al의 연구에서 다양한 환원 정도에서 RGO에 대한 값입니다.(18).(B 및 C) 전류 흐름 방향에 대한 수직(B) 및 평행(C) 변형의 함수로서 단층, 이중층 및 삼중층 MGG 및 G의 정규화된 저항 변화.(D) 이중층 G(빨간색) 및 MGG(검정색)의 정규화된 저항 변화는 최대 50% 수직 변형률을 가하는 순환 변형률 하에서입니다.(E) 최대 90% 병렬 스트레인까지의 주기적 스트레인 부하에서 삼중층 G(빨간색) 및 MGG(검정색)의 정규화된 저항 변화.( F ) 변형률의 함수로서 단층, 이중층 및 삼중층 G와 이중 및 삼중층 MGG의 정규화된 정전 용량 변화.삽입된 것은 폴리머 기판이 SEBS이고 폴리머 유전층이 2μm 두께의 SEBS인 커패시터 구조입니다.
MGG의 변형 의존적 성능을 평가하기 위해, 우리는 그래핀을 열가소성 엘라스토머 스티렌-에틸렌-부타디엔-스티렌(SEBS) 기판(폭 ~2cm, 길이 ~5cm)으로 옮기고 기판이 늘어나면서 전도도를 측정했습니다. (재료 및 방법 참조) 전류 흐름 방향에 수직이고 평행합니다(그림 2, B 및 C).변형에 따른 전기적 거동은 나노스크롤의 통합과 그래핀 층의 증가로 개선되었습니다.예를 들어 변형률이 전류 흐름에 수직일 때 단층 그래핀의 경우 스크롤을 추가하면 전기적 파손 시 변형률이 5%에서 70%로 증가했습니다.삼중층 그래핀의 변형 내성도 단층 그래핀에 비해 크게 개선되었습니다.나노스크롤의 경우 100% 수직 변형에서 3층 MGG 구조의 저항은 스크롤이 없는 3층 그래핀의 300%와 비교하여 50%만 증가했습니다.주기적 변형 하중 하에서 저항 변화를 조사했습니다.비교를 위해(그림 2D) 일반 이중층 그래핀 필름의 저항은 50% 수직 변형에서 ~700 주기 후에 약 7.5배 증가했으며 각 주기에서 변형과 함께 계속 증가했습니다.반면에 이중층 MGG의 저항은 ~700 사이클 후에 약 2.5배만 증가했습니다.평행 방향을 따라 최대 90% 변형을 가하면 삼중층 그래핀의 저항은 1000회 사이클 후에 ~100배 증가한 반면, 삼중층 MGG에서는 ~8배에 불과합니다(그림 2E).사이클링 결과는 그림 1에 나와 있습니다.S7.평행 변형 방향을 따라 저항이 상대적으로 빠르게 증가하는 것은 균열의 방향이 전류 흐름 방향에 수직이기 때문입니다.로딩 및 언로딩 변형 동안 저항 편차는 SEBS 탄성체 기질의 점탄성 회복으로 인한 것입니다.사이클링 동안 MGG 스트립의 더 안정적인 저항은 그래핀의 갈라진 부분을 연결할 수 있는 큰 스크롤의 존재 때문이며(AFM으로 관찰됨) 침투 경로를 유지하는 데 도움이 됩니다.침투 경로에 의해 전도성을 유지하는 이러한 현상은 엘라스토머 기판(40, 41)에 금이 간 금속 또는 반도체 필름에 대해 이전에 보고되었습니다.
신축성 장치의 게이트 전극으로서 이러한 그래핀 기반 필름을 평가하기 위해 우리는 그래핀 층을 SEBS 유전층(두께 2μm)으로 덮고 변형률의 함수로 유전 정전 용량 변화를 모니터링했습니다(그림 2F 및 보충 재료 참조). 세부).일반 단층 및 이중층 그래핀 전극의 정전용량은 그래핀의 면내 전도도 손실로 인해 빠르게 감소하는 것을 관찰했습니다.대조적으로, 일반 삼중층 그래핀과 마찬가지로 MGG에 의해 게이팅된 정전용량은 변형에 따른 정전용량의 증가를 보였으며, 이는 변형에 따른 유전체 두께의 감소로 인해 예상되는 것입니다.예상되는 커패시턴스 증가는 MGG 구조와 매우 잘 일치했습니다(그림 S8).이것은 MGG가 신축성 트랜지스터의 게이트 전극으로 적합하다는 것을 나타냅니다.
전기 전도도의 변형 허용 오차에 대한 1D 그래핀 스크롤의 역할을 추가로 조사하고 그래핀 층 사이의 분리를 더 잘 제어하기 위해 스프레이 코팅된 CNT를 사용하여 그래핀 스크롤을 대체했습니다(보충 자료 참조).MGG 구조를 모방하기 위해 우리는 세 가지 밀도의 CNT(즉, CNT1
(A ~ C) 세 가지 밀도의 CNT에 대한 AFM 이미지(CNT1
신축성 전자 장치의 전극으로서의 기능을 더 이해하기 위해 변형 상태에서 MGG 및 G-CNT-G의 형태를 체계적으로 조사했습니다.광학현미경과 주사전자현미경(SEM)은 둘 다 색상 대비가 부족하고 SEM은 그래핀이 고분자 기판에 있을 때 전자 스캐닝 중에 이미지 아티팩트가 생기기 때문에 효과적인 특성화 방법이 아닙니다(그림 S9 및 S10).변형 상태에서 그래핀 표면을 관찰하기 위해 매우 얇은(~0.1mm 두께) 탄성 SEBS 기판으로 옮긴 후 삼중층 MGG와 일반 그래핀에 대한 AFM 측정값을 수집했습니다.CVD 그래핀은 내재적 결함과 전사 과정의 외재적 손상으로 인해 필연적으로 변형된 그래핀에 크랙이 발생하며, 변형률이 증가할수록 크랙이 더 조밀해진다(Fig. 4, A~D).탄소 기반 전극의 적층 구조에 따라 균열은 다른 형태를 나타냅니다(그림 S11)(27).다층 그래핀의 균열 면적 밀도(균열 면적/분석 면적으로 정의됨)는 변형 후 단층 그래핀보다 낮으며, 이는 MGG의 전기 전도도 증가와 일치합니다.반면에 스크롤은 종종 균열을 연결하여 변형된 필름에 추가 전도성 경로를 제공하는 것으로 관찰됩니다.예를 들어, 그림 4B의 이미지에 표시된 것처럼 삼층 MGG의 균열 위로 넓은 스크롤이 교차했지만 일반 그래핀에서는 스크롤이 관찰되지 않았습니다(그림 4, E~H).유사하게, CNT는 또한 그래핀의 균열을 연결했습니다(그림 S11).필름의 균열 영역 밀도, 스크롤 영역 밀도 및 거칠기가 그림 4K에 요약되어 있습니다.
(A ~ H) 0, 20, 60, 100에서 매우 얇은 SEBS(~0.1mm 두께) 엘라스토머의 삼중층 G/G 스크롤(A~D) 및 삼중층 G 구조(E~H)의 현장 AFM 이미지 % 부담.대표적인 균열과 두루마리가 화살표로 표시되어 있습니다.모든 AFM 이미지는 15μm × 15μm의 영역에 있으며 레이블이 지정된 것과 동일한 색상 눈금 막대를 사용합니다.(I) SEBS 기판 상의 패턴화된 단층 그래핀 전극의 시뮬레이션 형상.(J) 20% 외부 변형에서 단층 그래핀 및 SEBS 기판의 최대 주요 대수 변형의 시뮬레이션 등고선 맵.(K) 다양한 그래핀 구조에 대한 균열 영역 밀도(빨간색 열), 스크롤 영역 밀도(노란색 열) 및 표면 거칠기(파란색 열)의 비교.
MGG 필름이 늘어나면 스크롤이 그래핀의 갈라진 영역을 연결하여 침투 네트워크를 유지할 수 있는 중요한 추가 메커니즘이 있습니다.그래핀 스크롤은 길이가 수십 마이크로미터일 수 있고 따라서 일반적으로 마이크로미터 규모까지의 균열을 연결할 수 있기 때문에 유망합니다.또한 두루마리는 그래핀의 다층 구조로 되어 있어 저항이 낮을 것으로 기대된다.이에 비해 상대적으로 조밀한(낮은 투과율) CNT 네트워크는 CNT가 스크롤보다 더 작고(일반적으로 길이가 몇 마이크로미터) 전도성이 낮기 때문에 유사한 전도성 브리징 기능을 제공하는 데 필요합니다.한편, Fig.S12에서 그래핀은 스트레인을 수용하기 위해 스트레칭하는 동안 균열이 발생하지만 스크롤은 균열되지 않아 후자가 기본 그래핀에서 미끄러질 수 있음을 나타냅니다.균열이 발생하지 않는 이유는 그래핀의 많은 층(길이 ~1~20μm, 폭 ~0.1~1μm, 높이 ~10~100nm)으로 구성된 롤업 구조 때문일 수 있습니다. 단층 그래핀보다 더 높은 유효 모듈러스.Green and Hersam(42)이 보고한 바와 같이 금속 CNT 네트워크(튜브 직경 1.0 nm)는 CNT 사이의 큰 접합 저항에도 불구하고 <100ohms/sq의 낮은 시트 저항을 달성할 수 있습니다.당사의 그래핀 스크롤의 너비가 0.1~1μm이고 G/G 스크롤의 접촉 면적이 CNT보다 훨씬 크다는 점을 고려할 때 그래핀과 그래핀 스크롤 간의 접촉 저항 및 접촉 면적은 높은 전도성을 유지하기 위한 제한 요소가 아니어야 합니다.
그래핀은 SEBS 기판보다 훨씬 높은 모듈러스를 가지고 있습니다.그래핀 전극의 유효 두께는 기판의 두께보다 훨씬 낮지만 그래핀의 강성 x 두께는 기판(43, 44)의 강도와 비슷하여 중간 정도의 강성 섬 효과를 나타냅니다.SEBS 기판에서 1nm 두께 그래핀의 변형을 시뮬레이션했습니다(자세한 내용은 보충 자료 참조).시뮬레이션 결과에 따르면 20% 변형률이 SEBS 기판에 외부적으로 적용될 때 그래핀의 평균 변형률은 ~6.6%이며(그림 4J 및 그림 S13D), 이는 실험 관찰과 일치합니다(그림 S13 참조). .우리는 광학 현미경을 사용하여 패턴화된 그래핀과 기판 영역의 변형률을 비교하고 기판 영역의 변형률이 그래핀 영역의 변형률의 2배 이상임을 발견했습니다.이것은 그래핀 전극 패턴에 적용된 변형이 상당히 제한되어 SEBS 상단에 그래핀 강성 섬을 형성할 수 있음을 나타냅니다(26, 43, 44).
따라서 높은 변형률에서 높은 전도성을 유지하는 MGG 전극의 능력은 두 가지 주요 메커니즘에 의해 가능합니다. 그래핀 전극의 변형률을 감소시킵니다.엘라스토머에 전사된 그래핀의 여러 층의 경우, 층들이 서로 강하게 부착되지 않아 변형에 반응하여 미끄러질 수 있습니다(27).스크롤은 또한 그래핀 층의 거칠기를 증가시켜 그래핀 층 사이의 분리를 증가시켜 그래핀 층의 슬라이딩을 가능하게 할 수 있습니다.
모든 탄소 장치는 저렴한 비용과 높은 처리량 때문에 열성적으로 추구됩니다.우리의 경우, 모든 탄소 트랜지스터는 하부 그래핀 게이트, 상부 그래핀 소스/드레인 접촉, 분류된 CNT 반도체 및 유전체로 SEBS를 사용하여 제작되었습니다(그림 5A).그림 5B에서 볼 수 있듯이 소스/드레인 및 게이트로 CNT를 사용하는 전체 탄소 장치(하단 장치)는 그래핀 전극이 있는 장치(상단 장치)보다 불투명합니다.이는 CNT 네트워크가 그래핀과 유사한 시트 저항을 달성하기 위해 더 큰 두께와 결과적으로 더 낮은 광 투과율을 필요로 하기 때문입니다(그림 S4).그림 5(C 및 D)는 이중층 MGG 전극으로 만든 트랜지스터의 변형 전 대표적인 전송 및 출력 곡선을 보여줍니다.변형되지 않은 트랜지스터의 채널 너비와 길이는 각각 800 및 100 μm였습니다.측정된 온/오프 비율은 각각 10-5 및 10-8 A 레벨에서 온 및 오프 전류로 103보다 큽니다.출력 곡선은 명확한 게이트 전압 의존성을 갖는 이상적인 선형 및 포화 영역을 나타내며 CNT와 그래핀 전극 사이의 이상적인 접촉을 나타냅니다(45).그래핀 전극의 접촉 저항은 증착된 Au 필름의 접촉 저항보다 낮은 것으로 관찰되었습니다(그림 S14 참조).신축성 트랜지스터의 포화 이동도는 약 5.6cm2/Vs로, 유전층으로 300nm SiO2가 있는 강성 Si 기판의 동일한 폴리머 분류 CNT 트랜지스터의 포화 이동도와 유사합니다.최적화된 튜브 밀도 및 기타 유형의 튜브( 46)를 사용하여 이동성을 추가로 개선할 수 있습니다.
(A) 그래핀 기반 신축성 트랜지스터의 구조.SWNT, 단일벽 탄소 나노튜브.(B) 그래핀 전극(상단)과 CNT 전극(하단)으로 구성된 신축성 트랜지스터의 사진.투명도의 차이가 확연히 드러납니다.( C 및 D) 변형 전 SEBS의 그래핀 기반 트랜지스터의 전송 및 출력 곡선.(E 및 F) 다른 변형에서 그래핀 기반 트랜지스터의 이동 곡선, 온 및 오프 전류, 온/오프 비율 및 이동도.
투명한 전체 탄소 소자를 전하 수송 방향과 평행한 방향으로 늘였을 때 최대 120% 변형률까지 최소 저하가 관찰되었습니다.스트레칭 동안 이동도는 0% 변형률에서 5.6 cm2/Vs에서 120% 변형률에서 2.5 cm2/Vs로 지속적으로 감소했습니다(그림 5F).또한 다양한 채널 길이에 대한 트랜지스터 성능을 비교했습니다(표 S1 참조).특히, 105%만큼 큰 변형에서 이러한 모든 트랜지스터는 여전히 높은 온/오프 비율(>103) 및 이동도(>3 cm2/Vs)를 나타냈습니다.또한 모든 탄소 트랜지스터에 대한 모든 최근 작업을 요약했습니다(표 S2 참조)(47–52).엘라스토머에 대한 장치 제조를 최적화하고 MGG를 접점으로 사용함으로써 당사의 모든 탄소 트랜지스터는 이동성 및 히스테리시스 면에서 우수한 성능을 보일 뿐만 아니라 높은 신축성을 보여줍니다.
완전히 투명하고 신축성 있는 트랜지스터를 적용하여 LED의 스위칭을 제어하는 데 사용했습니다(그림 6A).도 6b에 도시된 바와 같이, 녹색 LED는 바로 위에 배치된 신축성 올카본 장치를 통해 명확하게 볼 수 있다.~100%로 늘어나는 동안(그림 6, C 및 D), LED 광 강도는 변경되지 않으며, 이는 위에서 설명한 트랜지스터 성능과 일치합니다(동영상 S1 참조).이것은 그래핀 전극을 사용하여 만든 신축성 제어 장치의 첫 번째 보고서로, 그래핀 신축성 전자 장치의 새로운 가능성을 보여줍니다.
(A) LED를 구동하는 트랜지스터의 회로.접지, 접지.(B) 녹색 LED 위에 장착된 0% 변형률에서 신축성 있고 투명한 모든 탄소 트랜지스터의 사진.(C) LED를 전환하는 데 사용되는 탄소로만 이루어진 투명하고 신축성 있는 트랜지스터는 0%(왼쪽) 및 ~100% 변형(오른쪽)으로 LED 위에 장착됩니다.흰색 화살표는 장치의 노란색 마커를 가리키며 늘어나는 거리 변경을 보여줍니다.(D) 엘라스토머에 LED를 밀어 넣은 상태의 늘어진 트랜지스터의 측면도.
결론적으로, 우리는 적층된 그래핀 층 사이의 그래핀 나노스크롤에 의해 가능한 신축성 전극으로서 큰 변형 하에서 높은 전도성을 유지하는 투명 전도성 그래핀 구조를 개발하였다.엘라스토머의 이러한 이중층 및 삼중층 MGG 전극 구조는 100%만큼 높은 변형률에서 0% 변형 전도도의 각각 21% 및 65%를 유지할 수 있으며, 이는 일반적인 단층 그래핀 전극의 경우 5% 변형률에서 전도율이 완전히 손실되는 것과 비교됩니다. .그래핀 스크롤의 추가 전도성 경로와 전사된 층 간의 약한 상호 작용은 변형 시 우수한 전도성 안정성에 기여합니다.우리는 이 그래핀 구조를 추가로 적용하여 전체 탄소 신축성 트랜지스터를 제작했습니다.지금까지 이것은 버클링을 사용하지 않고 최고의 투명도를 가진 가장 신축성 있는 그래핀 기반 트랜지스터입니다.본 연구는 신축성 있는 전자 장치를 위한 그래핀을 가능하게 하기 위해 수행되었지만, 우리는 이 접근 방식이 신축성 있는 2D 전자 장치를 가능하게 하기 위해 다른 2D 재료로 확장될 수 있다고 믿습니다.
대면적 CVD 그래핀은 1000°C에서 전구체로 50-SCCM(표준 입방 센티미터) CH4 및 20-SCCM H2를 사용하여 0.5mtorr의 일정한 압력 하에서 현탁된 Cu 호일(99.999%, Alfa Aesar)에서 성장했습니다.Cu 호일의 양면은 단층 그래핀으로 덮였습니다.PMMA의 얇은 층(2000 rpm; A4, Microchem)을 Cu 포일의 한 면에 스핀 코팅하여 PMMA/G/Cu 포일/G 구조를 형성했습니다.이어서, 전체 필름을 0.1M 과황산암모늄[(NH4)2S2O8] 용액에 약 2시간 동안 담가서 Cu 호일을 에칭 제거하였다.이 과정에서 보호되지 않은 후면 그래핀은 먼저 결정립계를 따라 찢어진 다음 표면 장력으로 인해 두루마리 모양으로 감겨졌습니다.스크롤은 PMMA가 지지된 상부 그래핀 필름에 부착되어 PMMA/G/G 스크롤을 형성했습니다.이어서, 필름을 탈이온수로 여러 번 세척하고 경질 SiO2/Si 또는 플라스틱 기판과 같은 대상 기판에 놓았다.부착된 필름이 기판 위에서 건조되자마자 시료 w를 아세톤, 1:1 아세톤/IPA(이소프로필알코올), IPA에 각각 30초씩 순차적으로 침지하여 PMMA를 제거하였다.필름을 100°C에서 15분 동안 가열하거나 G/G 스크롤의 다른 층이 필름 위에 옮기기 전에 갇힌 물을 완전히 제거하기 위해 밤새 진공 상태로 유지했습니다.이 단계는 기판에서 그래핀 필름이 분리되는 것을 방지하고 PMMA 캐리어 층을 릴리스하는 동안 MGG가 완전히 덮이도록 하기 위한 것입니다.
MGG 구조의 형태는 광학현미경(Leica)과 주사전자현미경(1 kV; FEI)을 이용하여 관찰하였다.원자간력현미경(Nanoscope III, Digital Instrument)을 탭핑 모드로 작동하여 G 스크롤의 세부 사항을 관찰했습니다.필름 투명도는 자외선-가시광선 분광계(Agilent Cary 6000i)로 테스트했습니다.변형이 전류 흐름의 수직 방향을 따라 있을 때의 테스트를 위해 포토리소그래피 및 O2 플라즈마를 사용하여 그래핀 구조를 스트립(~300μm 너비 및 ~2000μm 길이)으로 패턴화하고 Au(50nm) 전극을 다음을 사용하여 열 증착했습니다. 긴 면의 양쪽 끝에 있는 섀도우 마스크.그런 다음 그래핀 스트립을 SEBS 엘라스토머(폭 ~2cm, 길이 ~5cm)와 접촉시켰으며, 스트립의 장축이 SEBS의 짧은 면과 평행한 다음 BOE(완충된 산화물 에칭)(HF:H2O 1:6) 전기 접점으로서 에칭 및 공융 갈륨 인듐(EGaIn).평행 변형 테스트의 경우 패턴이 없는 그래핀 구조(~5 × 10mm)가 SEBS 기판의 긴 면에 평행한 장축을 사용하여 SEBS 기판으로 전송되었습니다.두 경우 모두 수동 장치에서 전체 G(G 스크롤 없음)/SEBS를 엘라스토머의 긴 면을 따라 늘리고 현장에서 반도체 분석기(Keithley 4200 -SCS).
고분자 유전체와 기판의 유기 용매 손상을 방지하기 위해 탄성 기판 위의 신축성이 높고 투명한 모든 탄소 트랜지스터를 다음 절차에 따라 제작했습니다.MGG 구조는 게이트 전극으로 SEBS에 전송되었습니다.균일한 박막 고분자 유전층(두께 2μm)을 얻기 위해 SEBS 톨루엔(80mg/ml) 용액을 octadecyltrichlorosilane(OTS)으로 개질된 SiO2/Si 기판에 1000rpm에서 1분 동안 스핀 코팅했습니다.얇은 유전체 필름은 소수성 OTS 표면에서 준비된 그래핀으로 덮인 SEBS 기판으로 쉽게 전사될 수 있습니다.LCR(인덕턴스, 커패시턴스, 저항) 미터(Agilent)를 사용하여 스트레인의 함수로 커패시턴스를 결정하기 위해 액체 금속(EGaIn, Sigma-Aldrich) 상단 전극을 증착하여 커패시터를 만들 수 있습니다.트랜지스터의 다른 부분은 이전에 보고된 절차에 따라 폴리머로 분류된 반도체 CNT로 구성되었습니다(53).패턴화된 소스/드레인 전극은 단단한 SiO2/Si 기판에 제작되었습니다.이어서, 유전체/G/SEBS 및 CNT/패턴화된 G/SiO2/Si의 두 부분을 서로 적층하고 BOE에 담가 단단한 SiO2/Si 기판을 제거했습니다.따라서 완전히 투명하고 신축성있는 트랜지스터가 제작되었습니다.전술한 방법으로 수동 스트레칭 설정에서 변형률 하에서의 전기 테스트를 수행했습니다.
이 기사의 보충 자료는 http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1에서 볼 수 있습니다.
무화과.에스1.다른 배율에서 SiO2/Si 기판에 단층 MGG의 광학 현미경 이미지.
무화과.에스4.단층, 이중층 및 삼중층 일반 그래핀(검은색 사각형), MGG(빨간색 원) 및 CNT(파란색 삼각형)의 550nm에서 2-프로브 시트 저항 및 투과율 비교.
무화과.S7.단층 및 이중층 MGG(검정색) 및 G(빨간색)의 정규화된 저항 변화는 각각 최대 40% 및 90% 평행 변형률까지 ~1000 순환 변형률 하중 하에서입니다.
무화과.S10.변형 후 SEBS 엘라스토머에 있는 삼중층 MGG의 SEM 이미지, 여러 균열에 걸쳐 긴 스크롤 교차를 보여줍니다.
무화과.S12.20% 변형률에서 매우 얇은 SEBS 엘라스토머에 있는 삼중층 MGG의 AFM 이미지로 스크롤이 균열을 가로지르는 것을 보여줍니다.
표 S1.변형 전후의 다른 채널 길이에서 이중층 MGG-단일벽 탄소 나노튜브 트랜지스터의 이동성.
이것은 Creative Commons Attribution-NonCommercial 라이선스 조건에 따라 배포되는 오픈 액세스 기사로, 결과적 사용이 상업적 이익이 아니고 원본 저작물이 적절하게 제공되는 한 모든 매체에서 사용, 배포 및 복제를 허용합니다. 인용.
참고: 귀하가 페이지를 추천하는 사람이 귀하가 페이지를 보기를 원했으며 정크 메일이 아님을 알기 위해 귀하의 이메일 주소만 요청합니다.우리는 어떤 이메일 주소도 캡처하지 않습니다.
이 질문은 방문자인지 여부를 테스트하고 자동 스팸 제출을 방지하기 위한 것입니다.
By 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
By 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 미국 과학 진흥 협회.판권 소유.AAAS는 HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef 및 COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548의 파트너입니다.
게시 시간: 2021년 1월 28일