Li-electrode tsa graphene tse bonaletsang haholo le tse otlolloang

Lisebelisoa tsa mahlakore a mabeli, tse kang graphene, li hohela lits'ebetsong tse tloaelehileng tsa semiconductor le lits'ebetsong tse qalang tsa elektroniki tse tenyetsehang. Leha ho le joalo, matla a phahameng a ho thaepa a graphene a fella ka ho robeha ha khatello e tlase, e leng se etsang hore ho be thata ho sebelisa melemo ea eona e ikhethang ea elektroniki ho li-elektroniki tse otlolloang. Ho nolofalletsa ts'ebetso e ntle ea li-conductor tse bonaletsang tsa graphene tse itšetlehileng ka khatello, re entse li-nanoscrolls tsa graphene lipakeng tsa mekhahlelo ea graphene e nang le stacked, e bitsoang li-multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). Tlas'a khatello, li-scroll tse ling li ile tsa kopanya libaka tse arohaneng tsa graphene ho boloka marang-rang a percolating a ileng a nolofalletsa conductivity e ntle haholo ho khatello e phahameng. Li-MGG tsa Trilayer tse tšehelitsoeng ho elastomers li bolokile 65% ea conductivity ea tsona ea pele ho khatello ea 100%, e leng se otlolohileng ho ea ka lehlakoreng la phallo ea hona joale, ha lifilimi tsa trilayer tsa graphene tse se nang nanoscrolls li bolokile 25% feela ea conductivity ea tsona ea ho qala. Transistor e otlollang e nang le khabone e felletseng e entsoeng ka ho sebelisa li-MGG ha li-electrode li bonts'itse phetisetso ea >90% 'me li bolokile 60% ea tlhahiso ea eona ea hona joale ea pele khatellong ea 120% (e tsamaellanang le tataiso ea lipalangoang tsa tjhaja). Li-transistor tsena tse otlollang haholo le tse bonaletsang tsa khabone e felletseng li ka nolofalletsa li-optoelectronic tse rarahaneng tse otlollang.
Di-elektroniki tse bonaletsang tse otlollang ke tshimo e ntseng e hola e nang le ditshebediso tsa bohlokwa ditsamaisong tse tswetseng pele tse kopaneng (1, 2) hammoho le bokgoni ba ho hokahana le di-optoelectronic tse otlollang (3, 4) ho hlahisa diroboto tse bonolo tse rarahaneng le dipontsho. Graphene e bontsha dibopeho tse lakatsehang haholo tsa botenya ba athomo, pepeneneng e phahameng, le ho tsamaisa motlakase ho hoholo, empa ho kenngwa tshebetsong ha yona ditshebedisong tse otlollang ho thibetswe ke tshekamelo ya yona ya ho petsoha mefuteng e menyenyane. Ho hlola meedi ya mechine ya graphene ho ka nolofalletsa tshebetso e ntjha disebedisweng tse bonaletsang tse otlollang.
Thepa e ikhethang ea graphene e etsa hore e be mokhethoa ea matla bakeng sa moloko o latelang oa li-electrode tse tsamaisang motlakase tse bonaletsang (5, 6). Ha e bapisoa le mokhanni o fetisang motlakase o sebelisoang haholo, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) ho 90% pepeneneng], graphene e le 'ngoe e holisoang ke chemical vapor deposition (CVD) e na le motsoako o tšoanang oa khanyetso ea lakane (125 ohms/sq) le pepeneneng (97.4%) (5). Ho phaella moo, lifilimi tsa graphene li na le ho tenyetseha ho ikhethang ha li bapisoa le ITO (7). Mohlala, holim'a substrate ea polasetiki, phetisetso ea eona e ka bolokoa esita le bakeng sa radius e kobehileng ea kobeho e nyane joalo ka 0.8 mm (8). Ho ntlafatsa ts'ebetso ea eona ea motlakase joalo ka mokhanni o feto-fetohang o bonaletsang, mesebetsi ea pejana e hlahisitse thepa ea graphene e kopantsoeng ka li-nanowire tsa silevera tse nang le karolo e le 'ngoe (1D) kapa li-nanotubes tsa carbon (CNTs) (9-11). Ho feta moo, graphene e sebelisitsoe e le li-electrode bakeng sa li-semiconductor tse nang le likarolo tse fapaneng tsa heterostructural (tse kang 2D bulk Si, 1D nanowires/nanotubes, le 0D quantum dots) (12), li-transistors tse tenyetsehang, lisele tsa letsatsi, le li-diode tse ntšang leseli (LEDs) (13–23).
Leha graphene e bontšitse liphetho tse tšepisang bakeng sa lisebelisoa tsa elektroniki tse tenyetsehang, ts'ebeliso ea eona lisebelisoa tsa elektroniki tse otlolloang e fokotsehile ka lebaka la thepa ea eona ea mechini (17, 24, 25); graphene e na le ho tiea ha 340 N/m le modulus ea Young ea 0.5 TPa (26). Marang-rang a matla a carbon-carbon ha a fane ka mekhoa efe kapa efe ea ho qhala matla bakeng sa khatello e sebelisitsoeng 'me ka hona e petsoha habonolo ka khatello e ka tlase ho 5%. Mohlala, CVD graphene e fetisetsoang ho substrate ea elastic ea polydimethylsiloxane (PDMS) e ka boloka feela conductivity ea eona ka khatello e ka tlase ho 6% (8). Lipalo tsa khopolo-taba li bontša hore ho putlama le ho sebelisana pakeng tsa mekhahlelo e fapaneng ho lokela ho fokotsa ho tiea (26). Ka ho beha graphene ka har'a mekhahlelo e mengata, ho tlalehoa hore graphene ena ea bi- kapa trilayer e ka otlolloa ho ea khatellong ea 30%, e bonts'a phetoho ea khanyetso ka makhetlo a 13 ho feta ea monolayer graphene (27). Leha ho le jwalo, ho otlolla hona ho ntse ho le tlase haholo ho feta di-onductor tsa c tse otlollwang tsa sejoale-joale (28, 29).
Li-transistors li bohlokoa lits'ebetsong tse ka otlolloang hobane li nolofalletsa ho bala sensor e rarahaneng le tlhahlobo ea matšoao (30, 31). Li-transistors ho PDMS tse nang le graphene e nang le mekhahlelo e mengata e le li-electrode tsa mohloli/drain le thepa ea kanale li ka boloka ts'ebetso ea motlakase ho fihlela khatello ea 5% (32), e leng ka tlase ho boleng bo hlokahalang bo tlase (~50%) bakeng sa li-sensor tse aparoang tsa tlhokomelo ea bophelo bo botle le letlalo la elektroniki (33, 34). Haufinyane tjena, mokhoa oa graphene kirigami o se o hlahlobiloe, 'me transistor e koaletsoeng ke electrolyte e metsi e ka otlolloa ho fihlela ho 240% (35). Leha ho le joalo, mokhoa ona o hloka graphene e emisitsoeng, e leng se thatafatsang ts'ebetso ea tlhahiso.
Mona, re fihlella disebediswa tsa graphene tse otlollwang haholo ka ho kopanya meqolo ya graphene (e bolelele ba ~1 ho isa ho 20 μm, bophara ba ~0.1 ho isa ho 1 μm, le bophahamo ba ~10 ho isa ho 100 nm) pakeng tsa meqolo ya graphene. Re nahana hore meqolo ena ya graphene e ka fana ka ditsela tse tsamaisang motlakase ho koala mapetsong maqepheng a graphene, ka hona ho boloka motlakase o phahameng tlasa kgatello. Meqolo ya graphene ha e hloke tlhahiso kapa tshebetso e eketsehileng; e boptjwa ka tlhaho nakong ya tshebetso ya phetisetso e metsi. Ka ho sebedisa meqolo ya G/G (graphene/graphene) (MGGs) ya meqolo ya graphene e otlollwang (mohlodi/drain le heke) le di-CNT tse tsamaisang motlakase, re kgonne ho bontsha di-transistor tsa khabone tse bonaletsang haholo le tse otlollwang haholo, tse ka otlollwang ho fihlela kgatellong ya 120% (e tsamaellanang le tataiso ya phetisetso ya tjhaja) mme tsa boloka 60% ya tlhahiso ya tsona ya pele ya motlakase. Ena ke transistor e bonaletsang ka ho fetisisa e thehilweng khaboneng ho fihlela jwale, mme e fana ka motlakase o lekaneng ho kganna LED e sa pheleng.
Ho nolofalletsa li-electrode tsa graphene tse otlollang tse bonaletsang sebakeng se seholo, re khethile graphene e holisitsoeng ka CVD ho Cu foil. Cu foil e ile ea emisoa bohareng ba tube ea CVD quartz ho lumella kholo ea graphene mahlakoreng ka bobeli, ea etsa meaho ea G/Cu/G. Ho fetisetsa graphene, re ile ra qala ka ho koahela lera le lesesaane la poly(methyl methacrylate) (PMMA) ho sireletsa lehlakore le leng la graphene, leo re ileng ra le reha graphene e ka holimo (ka tsela e fapaneng bakeng sa lehlakore le leng la graphene), 'me hamorao, filimi eohle (PMMA/top graphene/Cu/bottom graphene) e ile ea kolobisoa ka tharollong ea (NH4)2S2O8 ho qhaqha foil ea Cu. Graphene e ka tlase ntle le seaparo sa PMMA e tla ba le mapetso le liphoso tse lumellang etchant ho kena ka hare (36, 37). Joalokaha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 1A, tlas'a tšusumetso ea khatello ea bokaholimo, libaka tsa graphene tse lokollotsoeng li ile tsa phuthoa ka meqolo 'me hamorao tsa khomareloa filiming e setseng ea top-G/PMMA. Meqolo e ka hodimo ya G/G e ka fetisetswa hodima substrate efe kapa efe, jwalo ka SiO2/Si, khalase, kapa polymer e bonolo. Ho pheta tshebetso ena ya phetiso ka makgetlo a mmalwa hodima substrate e tshwanang ho fa dibopeho tsa MGG.
(A) Setšoantšo sa moralo sa mokhoa oa ho etsa li-MGG e le electrode e ka otlolloang. Nakong ea phetisetso ea graphene, graphene e ka morao ho foil ea Cu e ile ea robeha meeling le likoli, ea phuthoa ka libopeho tse sa reroang, 'me ea khomareloa ka thata lifiliming tse ka holimo, ea etsa li-nanoscrolls. Khatuni ea bone e bontša sebopeho sa MGG se kopantsoeng. (B le C) Litlhaloso tsa TEM tse nang le qeto e phahameng tsa MGG ea monolayer, tse shebaneng le sebaka sa monolayer graphene (B) le scroll (C), ka ho latellana. Setšoantšo se ka hare sa (B) ke setšoantšo se nang le khōliso e tlase se bontšang sebopeho se akaretsang sa li-MGG tsa monolayer ho grid ea TEM. Li-insets tsa (C) ke liprofaele tsa matla tse nkiloeng mabokoseng a khutlonnetsepa a bontšitsoeng setšoantšong, moo libaka tse pakeng tsa lifofane tsa athomo li leng 0.34 le 0.41 nm. (D) Sekhahla sa Carbon K-edge EEL se nang le litlhōrō tsa graphite tsa π* le σ* tse ngotsoeng. (E) Setšoantšo sa AFM sa likarolo tsa li-scroll tsa G/G tsa monolayer tse nang le profil ea bophahamo ho latela mola o mosehla o nang le matheba. (F ho isa ho I) Optical microscopy le setšoantšo sa AFM sa trilayer G ntle le (F le H) le ka meqolo (G le I) holim'a li-substrate tsa SiO2/Si tse teteaneng ka 300-nm, ka ho latellana. Meqolo e emelang le makukuno li ne li ngotsoe ho totobatsa liphapang tsa tsona.
Ho netefatsa hore meqolo e phuthoa ka tlhaho ke graphene e phuthoang, re entse lithuto tsa spectroscopy ea electron microscopy ea phetisetso e phahameng (TEM) le electron energy loss (EEL) meahong ea monolayer top-G/G scroll. Setšoantšo sa 1B se bontša sebopeho sa hexagonal sa monolayer graphene, 'me karolo e ka hare ke sebopeho se akaretsang sa filimi e koahetsoeng lesobeng le le leng la carbon la grid ea TEM. Graphene ea monolayer e akaretsa boholo ba grid, 'me li-flakes tse ling tsa graphene moo ho nang le li-stack tse ngata tsa mehele ea hexagonal lia hlaha (Setšoantšo sa 1B). Ka ho atamela moqolo ka mong (Setšoantšo sa 1C), re bone palo e kholo ea li-fringe tsa graphene lattice, tse nang le sebaka sa lattice se pakeng tsa 0.34 le 0.41 nm. Litekanyo tsena li bontša hore li-flakes li phuthoa ka mokhoa o sa reroang 'me ha se graphite e phethahetseng, e nang le sebaka sa lattice sa 0.34 nm ho "ABAB" stacking ea lera. Setšoantšo sa 1D se bonts'a sekala sa carbon K-edge EEL, moo tlhoro ea 285 eV e simolohang ho π* orbital 'me e' ngoe e haufi le 290 eV e bakoa ke phetoho ea orbital ea σ*. Ho ka bonoa hore ho kopana ha sp2 ho busa sebopehong sena, ho netefatsa hore meqolo e na le graphitic e ngata.
Litšoantšo tsa microscopy ea optical le athomo force microscopy (AFM) li fana ka temohisiso mabapi le kabo ea li-nanoscrolls tsa graphene ho MGGs (Setšoantšo sa 1, E ho isa ho G, le litšoantšo tsa S1 le S2). Meqolo e ajoa ka mokhoa o sa reroang holim'a bokaholimo, 'me bongata ba eona ba ka hare bo eketseha ka ho lekana ho ea ka palo ea mekhahlelo e behiloeng. Meqolo e mengata e kopantsoe ka li-knot 'me e bontša bophahamo bo sa lekanang bo pakeng tsa 10 ho isa ho 100 nm. E bolelele ba 1 ho isa ho 20 μm le bophara ba 0.1 ho isa ho 1 μm, ho latela boholo ba li-flakes tsa eona tsa pele tsa graphene. Joalokaha ho bontšitsoe ho Setšoantšo sa 1 (H le I), meqolo e na le boholo bo boholo haholo ho feta makukuno, e leng se lebisang ho sebopeho se thata haholo pakeng tsa mekhahlelo ea graphene.
Ho lekanya thepa ea motlakase, re entse lipaterone tsa lifilimi tsa graphene tse nang le kapa tse se nang meaho ea scroll le stacking ea lera ka har'a li-strips tsa bophara ba 300-μm le bolelele ba 2000-μm re sebelisa photolithography. Likhanyetsano tse peli tsa probe e le mosebetsi oa khatello li ile tsa lekanngoa tlas'a maemo a tikoloho. Boteng ba meqolo bo fokolitse resistivity bakeng sa monolayer graphene ka 80% ka phokotso ea 2.2% feela ea phetisetso (setšoantšo sa S4). Sena se tiisa hore nanoscrolls, tse nang le khatello e phahameng ea hona joale ho fihlela ho 5 × 107 A/cm2 (38, 39), li etsa monehelo o motle haholo oa motlakase ho MGGs. Har'a mono-, bi-, le trilayer plain graphene le MGGs tsohle, trilayer MGG e na le conductance e ntle ka ho fetisisa e nang le ponaletso ea hoo e ka bang 90%. Ho bapisa le mehloli e meng ea graphene e tlalehiloeng libukeng, re boetse re lekantse ho hanyetsana ha maqephe a mane a probe (setšoantšo sa S5) 'me ra li thathamisa e le mosebetsi oa phetisetso ho 550 nm (setšoantšo sa S6) ho Setšoantšo sa 2A. MGG e bontša ho tsamaisa le ho pepeneneng ho tšoanang kapa ho phahameng ho feta graphene e ngata e kopantsoeng ka maiketsetso le graphene oxide e fokolitsoeng (RGO) (6, 8, 18). Hlokomela hore ho hanyetsana ha maqephe a graphene e ngata e kopantsoeng ka maiketsetso ho tsoa libukeng ho phahame hanyane ho feta ha MGG ea rona, mohlomong ka lebaka la maemo a bona a kholo a sa ntlafatsoang le mokhoa oa phetisetso.
(A) Ho hanyetsana ha maqephe a probe a mane khahlanong le phetisetso ho 550 nm bakeng sa mefuta e 'maloa ea graphene, moo lisekoere tse ntšo li emelang mono-, bi-, le trilayer MGGs; li-circles tse khubelu le likhutlotharo tse putsoa li tsamaellana le graphene e hlakileng ea multilayer e holisitsoeng ho Cu le Ni ho tsoa lithutong tsa Li et al. (6) le Kim et al. (8), ka ho latellana, 'me hamorao ea fetisetsoa ho SiO2/Si kapa quartz; 'me likhutlotharo tse tala ke boleng ba RGO ka likhato tse fapaneng tsa ho fokotsa ho tsoa thutong ea Bonaccorso et al. (18). (B le C) Phetoho e tloaelehileng ea khanyetso ea mono-, bi- le trilayer MGGs le G e le ts'ebetso ea khatello e otlolohileng (B) le e tšoanang (C) ho ea ka tataiso ea phallo ea hona joale. (D) Phetoho e tloaelehileng ea khanyetso ea bilayer G (e khubelu) le MGG (e ntšo) tlas'a khatello e potolohang ho fihlela ho 50% khatello e potolohang. (E) Phetoho e tloaelehileng ea khanyetso ea trilayer G (e khubelu) le MGG (e ntšo) tlas'a khatello e potolohang ho fihlela ho 90% khatello e potolohang. (F) Phetoho e tloaelehileng ea capacitance ea mono-, bi- le trilayer G le bi- le trilayer MGGs e le mosebetsi oa khatello. Karolo e ka hare ke sebopeho sa capacitor, moo substrate ea polymer e leng SEBS 'me lera la polymer dielectric ke SEBS e teteaneng ea 2-μm.
Ho lekola ts'ebetso e itšetlehileng ka khatello ea MGG, re fetiselitse graphene ho li-substrate tsa thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) (bophara ba ~2 cm le bolelele ba ~5 cm), 'me conductivity e ile ea lekanngoa ha substrate e otlolloa (sheba Lisebelisoa le Mekhoa) ka bobeli e otlolohileng le e tsamaellanang le tataiso ea phallo ea hona joale (Setšoantšo sa 2, B le C). Boitšoaro ba motlakase bo itšetlehileng ka khatello bo ntlafetse ka ho kenyelletsoa ha nanoscrolls le palo e ntseng e eketseha ea likarolo tsa graphene. Mohlala, ha khatello e otlolohile ho phallo ea hona joale, bakeng sa monolayer graphene, ho eketsoa ha meqolo ho ekelitse khatello ha motlakase o robeha ho tloha ho 5 ho isa ho 70%. Mamello ea khatello ea graphene ea trilayer le eona e ntlafetse haholo ha e bapisoa le monolayer graphene. Ka nanoscrolls, ka 100% perpendicular strain, khanyetso ea sebopeho sa trilayer MGG e eketsehile ka 50% feela, ha e bapisoa le 300% bakeng sa trilayer graphene ntle le meqolo. Phetoho ea khanyetso tlas'a mojaro oa khatello ea cyclic e ile ea hlahlojoa. Ha ho bapiswa (Setshwantsho sa 2D), kganyetso ya filimi ya graphene ya bilayer e otlolohileng e eketsehile ka makgetlo a ka bang 7.5 kamora dipotoloho tse ~700 ka kganyetso e otlolohileng ya 50% mme ya tswela pele ho eketseha ka kganyetso potolohong ka nngwe. Ka lehlakoreng le leng, kganyetso ya MGG ya bilayer e eketsehile ka makgetlo a ka bang 2.5 feela kamora dipotoloho tse ~700. Ha e sebedisa kganyetso e fihlang ho 90% ka lehlakoreng le bapileng, kganyetso ya graphene ya trilayer e eketsehile ka makgetlo a ~100 kamora dipotoloho tse 1000, athe ke makgetlo a ~8 feela ho MGG ya trilayer (Setshwantsho sa 2E). Diphetho tsa ho potoloha di bontshwa ho setshwantsho sa S7. Keketseho e potlakileng ya kganyetso ka lehlakoreng le bapileng ke hobane tataiso ya mapetso e otlolohile ho ya ka lehlakoreng la phallo ya hona jwale. Ho kheloha ha kganyetso nakong ya kganyetso ya ho kenya le ho jarolla ho bakwa ke ho kgutla ha viscoelastic ha substrate ya elastomer ya SEBS. Khanyetso e tsitsitseng haholoanyane ea li-strips tsa MGG nakong ea ho palama libaesekele e bakoa ke boteng ba meqolo e meholo e ka koalang likarolo tse petsohileng tsa graphene (joalokaha ho hlokometsoe ke AFM), e thusang ho boloka tsela e petsohang. Ketsahalo ena ea ho boloka conductivity ka tsela e petsohang e tlalehiloe pele bakeng sa lifilimi tsa tšepe e petsohileng kapa tsa semiconductor holim'a li-substrate tsa elastomer (40, 41).
Ho lekola lifilimi tsena tse thehiloeng ho graphene e le li-electrode tsa heke disebedisweng tse otlolloang, re koahetse lera la graphene ka lera la dielectric la SEBS (botenya ba 2 μm) mme ra shebella phetoho ea capacitance ea dielectric e le mosebetsi oa khatello (sheba Setšoantšo sa 2F le Lisebelisoa tse Tlatsetsang bakeng sa lintlha tse ling). Re hlokometse hore capacitance e nang le li-electrode tsa graphene tse bonolo tsa monolayer le bilayer li fokotseha kapele ka lebaka la tahlehelo ea conductivity ea graphene ka hare ho sefofane. Ka lehlakoreng le leng, capacitances e koaletsoeng ke MGGs hammoho le graphene e bonolo ea trilayer li bontšitse keketseho ea capacitance ka khatello, e leng se lebelletsoeng ka lebaka la phokotso ea botenya ba dielectric ka khatello. Keketseho e lebelletsoeng ea capacitance e tsamaellana hantle le sebopeho sa MGG (setšoantšo sa S8). Sena se bontša hore MGG e loketse e le electrode ea heke bakeng sa li-transistors tse otlolloang.
Ho batlisisa ka ho eketsehileng karolo ea moqolo oa graphene oa 1D mabapi le mamello ea khatello ea motlakase le ho laola karohano hamolemo lipakeng tsa mekhahlelo ea graphene, re sebelisitse li-CNT tse koahetsoeng ka spray ho nkela meqolo ea graphene sebaka (sheba Lisebelisoa tse Tlatsetsang). Ho etsisa meaho ea MGG, re behile mahlakore a mararo a CNT (ke hore, CNT1).
(A ho isa ho C) Litšoantšo tsa AFM tsa bongata bo fapaneng ba CNTs tse tharo (CNT1)
Ho utloisisa haholoanyane bokhoni ba tsona e le li-electrode bakeng sa lisebelisoa tsa elektroniki tse otlolloang, re batlisisitse ka mokhoa o hlophisehileng libopeho tsa MGG le G-CNT-G tlas'a khatello. Microscopy ea optical le microscopy ea electron ea scanning (SEM) ha se mekhoa e sebetsang ea ho hlalosa hobane ka bobeli ha li na phapang ea 'mala 'me SEM e ka sebelisoa litšoantšong tsa khale nakong ea ho hlahloba li-electron ha graphene e le holim'a li-substrate tsa polymer (litšoantšo tsa S9 le S10). Ho bona bokaholimo ba graphene bo le tlas'a khatello sebakeng seo, re bokelletse litekanyo tsa AFM ho li-MGG tse tharo le graphene e se nang khatello kamora ho fetela ho li-substrate tse tšesaane haholo (~0.1 mm botenya) le tse tenya tsa SEBS. Ka lebaka la liphoso tsa tlhaho ho graphene ea CVD le tšenyo ea kantle nakong ea ts'ebetso ea phetisetso, mapetso a hlahisoa ka mokhoa o ke keng oa qojoa ho graphene e hatelletsoeng, 'me ka khatello e ntseng e eketseha, mapetso a ile a teteana (Setšoantšo sa 4, A ho isa ho D). Ho latela sebopeho sa ho bokella li-electrode tse thehiloeng khaboneng, mapetso a bontša libopeho tse fapaneng (setšoantšo sa S11) (27). Bongata ba sebaka sa mapetso (bo hlalosoang e le sebaka sa mapetso/sebaka se sekasekilweng) sa graphene e nang le mekhahlelo e mengata bo ka tlase ho ba graphene e le 'ngoe ka mor'a khatello, e leng se tsamaellanang le keketseho ea ho tsamaisa motlakase bakeng sa MGGs. Ka lehlakoreng le leng, meqolo hangata e bonoa ho koala mapetso, ho fana ka litsela tse ling tsa ho tsamaisa motlakase filiming e nang le khatello. Mohlala, joalo ka ha ho ngotsoe setšoantšong sa Setšoantšo sa 4B, moqolo o sephara o ile oa tšela lepetso ho MGG ea trilayer, empa ha ho moqolo o ileng oa bonoa ho graphene e se nang letho (Setšoantšo sa 4, E ho isa ho H). Ka mokhoa o ts'oanang, CNTs le tsona li ile tsa koala mapetso ho graphene (setšoantšo sa S11). Bongata ba sebaka sa mapetso, bongata ba sebaka sa ho hula, le ho ba thata ha lifilimi li akaretsoa ho Setšoantšo sa 4K.
(A ho isa ho H) Litšoantšo tsa AFM tsa li-scroll tsa G/G tse nang le mela e meraro (A ho isa ho D) le meaho ea G e nang le mela e meraro (E ho isa ho H) holim'a elastomer e tšesaane haholo ea SEBS (~0.1 mm botenya) ka khatello ea 0, 20, 60, le 100%. Mapetso le meqolo e emelang e supile ka metsu. Litšoantšo tsohle tsa AFM li sebakeng sa 15 μm × 15 μm, ho sebelisoa bare ea sekala se tšoanang sa 'mala joalo ka ha se ngotsoe. (I) Jiometri ea ketsiso ea li-electrode tsa graphene tse nang le paterone holim'a substrate ea SEBS. (J) 'Mapa oa contour oa ketsiso ea khatello e kholo ea logarithmic ho graphene e nang le mela e meraro le substrate ea SEBS ka khatello ea kantle ea 20%. (K) Papiso ea bongata ba sebaka sa mapetso (kholomo e khubelu), bongata ba sebaka sa ho scroll (kholomo e mosehla), le ho teteana ha bokaholimo (kholomo e putsoa) bakeng sa meaho e fapaneng ea graphene.
Ha lifilimi tsa MGG li otlolloa, ho na le mokhoa o mong oa bohlokoa oo meqolo e ka otlollang libaka tse petsohileng tsa graphene, e leng se etsang hore marang-rang a phethohe. Meqolo ea graphene e tšepisa hobane e ka ba mashome a li-micrometer ka bolelele 'me ka hona e khona ho koala mapetsong ao hangata a fihlang ho micrometer. Ho feta moo, hobane meqolo e na le mekhahlelo e mengata ea graphene, ho lebeletsoe hore e be le khanyetso e tlase. Ha ho bapisoa, marang-rang a CNT a teteaneng haholo (phetisetso e tlase) aa hlokahala ho fana ka bokhoni bo tšoanang ba ho hula ka motlakase, kaha li-CNT li nyane (hangata li-micrometer tse 'maloa ka bolelele) 'me ha li tsamaise motlakase ka matla ho feta meqolo. Ka lehlakoreng le leng, joalo ka ha ho bontšitsoe setšoantšong sa S12, athe graphene e petsoha nakong ea ho otlolla ho amohela khatello, meqolo ha e petsohe, ho bontša hore ea morao e ka 'na ea thella holim'a graphene e ka tlas'a eona. Lebaka leo ka lona li sa petsoheng mohlomong ke ka lebaka la sebopeho se phuthoang, se entsoeng ka mekhahlelo e mengata ea graphene (e bolelele ba ~1 ho isa ho 2 0 μm, bophara ba ~0.1 ho isa ho 1 μm, le bophahamo ba ~10 ho isa ho 100 nm), e nang le modulus e sebetsang hantle ho feta graphene ea lera le le leng. Joalokaha ho tlalehiloe ke Green le Hersam (42), marang-rang a tšepe a CNT (bophara ba tube ea 1.0 nm) a ka fihlella khanyetso e tlase ea lakane e ka tlase ho 100 ohms/skwele ho sa tsotellehe khanyetso e kholo ea makunutu pakeng tsa CNTs. Ha re nahana hore meqolo ea rona ea graphene e na le bophara ba 0.1 ho isa ho 1 μm le hore meqolo ea G/G e na le libaka tse kholo haholo tsa ho ikopanya ho feta CNTs, khanyetso ea ho ikopanya le sebaka sa ho ikopanya pakeng tsa meqolo ea graphene le graphene ha ea lokela ho ba lintlha tse thibelang ho boloka conductivity e phahameng.
Graphene e na le modulus e phahameng haholo ho feta substrate ea SEBS. Le hoja botenya bo sebetsang ba electrode ea graphene bo le tlase haholo ho feta ba substrate, ho tiea ha graphene ho feta botenya ba eona ho tšoana le ha substrate (43, 44), e leng se fellang ka phello e itekanetseng ea sehlekehleke se thata. Re etsisitse phetoho ea graphene e teteaneng ea 1-nm holim'a substrate ea SEBS (sheba Lisebelisoa tse Tlatsetsang bakeng sa lintlha tse qaqileng). Ho ea ka liphetho tsa ketsiso, ha khatello ea 20% e sebelisoa substrate ea SEBS ka ntle, khatello e tloaelehileng ho graphene ke ~6.6% (Setšoantšo sa 4J le setšoantšo sa S13D), e leng se lumellanang le liteko tsa liteko (sheba setšoantšo sa S13). Re bapisitse khatello libakeng tsa graphene tse nang le paterone le substrate re sebelisa microscopy ea optical 'me ra fumana khatello sebakeng sa substrate e le bonyane khatello habeli sebakeng sa graphene. Sena se bontša hore khatello e sebelisoang lipateroneng tsa electrode ea graphene e ka ba e lekanyelitsoeng haholo, ea etsa lihlekehleke tse thata tsa graphene holim'a SEBS (26, 43, 44).
Ka hona, bokgoni ba di-electrode tsa MGG ba ho boloka motlakase o phahameng tlasa kgatello e phahameng bo ka nna ba etswa ke mekgwa e mmedi e meholo: (i) Meqolo e ka kopanya dibaka tse sa hokahaneng ho boloka tsela ya ho phethoha ha motlakase, mme (ii) maqephe/elastomer ya graphene ya lera le lengata e ka thella hodima e nngwe le e nngwe, e leng se fellang ka kgatello e fokotsehileng hodima di-electrode tsa graphene. Bakeng sa lera le lengata la graphene e fetiseditsweng ho elastomer, lera ha le a hokahana ka matla, e leng se ka thellang ho arabela kgatello (27). Meqolo e boetse e ekeditse ho ba thata ha lera la graphene, e leng se ka thusang ho eketsa karohano pakeng tsa lera la graphene mme ka hona se nolofalletse ho thella ha lera la graphene.
Disebediswa tsa khabone yohle di phehellwa ka tjheseho ka lebaka la ditjeo tse tlase le phallo e hodimo. Tabeng ya rona, di-transistor tsa khabone yohle di entswe ka ho sebedisa heke ya graphene e ka tlase, mohlodi wa graphene o ka hodimo/mohlodi wa drain, semiconductor ya CNT e hlophisitsweng, le SEBS e le dielectric (Setshwantsho sa 5A). Jwalo ka ha ho bontshitswe ho Setshwantsho sa 5B, sesebediswa sa khabone yohle se nang le CNTs e le mohlodi/mohlodi le heke (sesebediswa se ka tlase) ha se bonahale ho feta sesebediswa se nang le di-electrode tsa graphene (sesebediswa se ka hodimo). Lebaka ke hobane marangrang a CNT a hloka botenya bo boholo mme, ka lebaka leo, diphetisetso tse tlase tsa optical ho fihlella kganyetso ya lakane e tshwanang le ya graphene (setshwantsho sa S4). Setshwantsho sa 5 (C le D) se bontsha di-curve tse emelang phetiso le tlhahiso pele ho kgatello bakeng sa transistor e entsweng ka di-electrode tsa MGG tse nang le bilayer. Bophara ba kanale le bolelele ba transistor e sa kgatelloang e ne e le 800 le 100 μm, ka ho latellana. Karolelano ya ho buloa/ho tima e lekanyeditsweng e kgolo ho feta 103 ka maqhubu a ho bulwa le ho tima maemong a 10−5 le 10−8 A, ka ho latellana. Sekotwana sa tlhahiso se bonts'a mekhoa e metle ea ho tsamaisa li-linear le saturation ka ho itšetleha ka ho hlaka ha heke-voltage, e bontšang ho kopana ho loketseng pakeng tsa CNTs le li-electrode tsa graphene (45). Khanyetso ea ho kopana le li-electrode tsa graphene e bonoe e le tlase ho feta ea filimi ea Au e mouoane (sheba setšoantšo sa S14). Ho tsamaea ha transistor e otlolloang ho ka ba 5.6 cm2/Vs, ho tšoana le ha li-transistor tsa CNT tse tšoanang tse hlophisitsoeng ka polymer holim'a li-substrate tse thata tsa Si tse nang le 300-nm SiO2 e le lera la dielectric. Ntlafatso e eketsehileng ea ho tsamaea e ka khoneha ka ho ba le methapo e ntlafalitsoeng le mefuta e meng ea li-tube (46).
(A) Sekema sa transistor e otlolloang e thehiloeng ho graphene. SWNTs, li-nanotubes tsa carbon tse nang le lerako le le leng. (B) Setšoantšo sa li-transistor tse otlolloang tse entsoeng ka li-electrode tsa graphene (holimo) le li-electrode tsa CNT (tlase). Phapang ea ho pepeneneng e bonahala ka ho hlaka. (C le D) Li-curve tsa phetisetso le tlhahiso ea transistor e thehiloeng ho graphene ho SEBS pele ho khatello. (E le F) Li-curve tsa phetisetso, ho kenella le ho tima ha hona joale, karolelano ea ho kenella/ho tima, le ho tsamaea ha transistor e thehiloeng ho graphene mefuteng e fapaneng.
Ha sesebediswa se bonaletsang, se nang le khabone yohle se ne se otlollwa ka lehlakoreng le bapileng le tataiso ya ho tsamaisa tjhaja, ho ile ha bonwa tshenyeho e nyane ho fihlela ho 120%. Nakong ya ho otlolla, motsamao o ile wa fokotseha ka ho tswela pele ho tloha ho 5.6 cm2/Vs ka kgatello ya 0% ho ya ho 2.5 cm2/Vs ka kgatello ya 120% (Setshwantsho sa 5F). Re boetse ra bapisa tshebetso ya transistor bakeng sa bolelele bo fapaneng ba kanale (sheba tafole S1). Haholoholo, ka kgatello e kgolo ho fihla ho 105%, ditransistor tsena tsohle di ntse di bontsha karolelano e hodimo ya on/off ( >103) le motsamao ( >3 cm2/Vs). Ho phaella moo, re akareditse mosebetsi wohle wa moraorao ho ditransistor tsa khabone yohle (sheba tafole S2) (47–52). Ka ho ntlafatsa tlhahiso ya sesebediswa ho di-elastomer le ho sebedisa di-MGG e le di-contact, ditransistor tsa rona tsa khabone yohle di bontsha tshebetso e ntle mabapi le motsamao le hysteresis hammoho le ho otlollwa haholo.
Jwalo ka tshebediso ya transistor e bonaletsang ka botlalo le e otlollwang, re e sebedisitse ho laola switjha ya LED (Setshwantsho sa 6A). Jwalo ka ha ho bontshitswe ho Setshwantsho sa 6B, LED e tala e ka bonwa ka ho hlaka ka sesebediswa sa khabone e otlollwang e behilweng ka ho toba ka hodimo. Ha e ntse e otlollwa ho fihlela ho ~100% (Setshwantsho sa 6, C le D), matla a lesedi la LED ha a fetohe, e leng se tsamaellanang le tshebetso ya transistor e hlalositsweng ka hodimo (sheba filimi ya S1). Ena ke tlaleho ya pele ya diyuniti tsa taolo tse otlollwang tse entsweng ka ho sebedisa di-electrode tsa graphene, tse bontshang monyetla o motjha bakeng sa di-elektroniki tse otlollwang tsa graphene.
(A) Potoloho ea transistor ho khanna LED. GND, fatše. (B) Setšoantšo sa transistor ea khabone e otlolloang le e bonaletsang ka khatello ea 0% e kentsoeng ka holim'a LED e tala. (C) Transistor e bonaletsang le e otlolloang ea khabone e sebelisetsoang ho fetola LED e kenngoa ka holim'a LED ka khatello ea 0% (ka letsohong le letšehali) le khatello ea ~100% (ka letsohong le letona). Metsu e mesoeu e supa e le matšoao a mosehla sesebelisoa ho bontša phetoho ea sebaka e ntseng e otlolloa. (D) Pono e ka lehlakoreng ea transistor e otlollotsoeng, 'me LED e sutumelletsoa ka har'a elastomer.
Qetellong, re thehile sebopeho sa graphene se bonaletsang se tsamaisang motlakase se bolokang motlakase o phahameng tlasa mefuta e meholo e le di-electrode tse otlollwang, tse kgontshwang ke di-nanoscrolls tsa graphene tse pakeng tsa mealo ya graphene e kopaneng. Meaho ena ya di-electrode tsa bi-le trilayer MGG hodima elastomer e ka boloka 21 le 65%, ka ho latellana, ya di-conductivity tsa tsona tsa 0% khatellong e phahameng ho fihla ho 100%, ha e bapiswa le tahlehelo e felletseng ya conductivity khatellong ya 5% bakeng sa di-electrode tse tlwaelehileng tsa graphene tse nang le moalo o le mong. Ditsela tse eketsehileng tsa conductivity tsa di-graphene scrolls hammoho le tshebedisano e fokolang pakeng tsa mealo e fetiseditsweng di kenya letsoho botsitsong bo phahameng ba conductivity tlasa khatello. Re ile ra boela ra sebedisa sebopeho sena sa graphene ho etsa di-transistors tse otlollwang ka khabone yohle. Ho fihlela jwale, ena ke transistor e thehilweng ho graphene e otlollwang ka ho fetisisa e nang le ponaletso e ntle ka ho fetisisa ntle le ho sebedisa buckling. Le hoja thuto ya hajwale e entswe ho thusa graphene bakeng sa di-elektroniki tse otlollwang, re dumela hore mokgwa ona o ka atoloswa ho disebediswa tse ding tsa 2D ho nolofalletsa di-elektroniki tsa 2D tse otlollwang.
Graphene ea CVD ea sebaka se seholo e holisitsoe holim'a li-foil tsa Cu tse emisitsoeng (99.999%; Alfa Aesar) tlas'a khatello e sa khaotseng ea 0.5 mtorr ka 50-SCCM (senthimithara sa cubic se tloaelehileng ka motsotso) CH4 le 20-SCCM H2 e le li-precursor ho 1000°C. Mahlakore ka bobeli a foil ea Cu a ne a koahetsoe ke graphene e le 'ngoe. Lera le lesesaane la PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) le ile la koaheloa ka lehlakoreng le leng la foil ea Cu, la etsa sebopeho sa foil ea PMMA/G/Cu/G. Ka mor'a moo, filimi eohle e ile ea kolobisoa ka har'a tharollo ea ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] ka lihora tse ka bang 2 ho tlosa foil ea Cu. Nakong ea ts'ebetso ena, graphene e sa sireletsoang e ka morao e ile ea qala ka ho hahola meeli ea lijo-thollo ebe e phuthoa ka lebaka la khatello ea bokaholimo. Meqolo e ile ea hokelloa filiming ea graphene e ka holimo e tšehetsoang ke PMMA, ea etsa meqolo ea PMMA/G/G. Lifilimi li ile tsa hlatsuoa ka metsing a hloekisitsoeng ka makhetlo a 'maloa' me tsa beoa holim'a substrate e reriloeng, joalo ka substrate e thata ea SiO2/Si kapa polasetiki. Hang ha filimi e khomaretsoeng e oma holim'a substrate, sampole e ile ea kolobisoa ka tatellano ka har'a acetone, 1:1 acetone/IPA (isopropyl alcohol), le IPA metsotsoana e 30 ka 'ngoe ho tlosa PMMA. Lifilimi li ile tsa futhumatsoa ka 100°C metsotso e 15 kapa tsa bolokoa ka har'a vacuum bosiu bohle ho tlosa metsi a tšoasitsoeng ka botlalo pele lera le leng la moqolo oa G/G le fetisetsoa ho lona. Mohato ona e ne e le ho qoba ho arohana ha filimi ea graphene ho tloha substrate le ho netefatsa hore li-MGG li koahetsoe ka botlalo nakong ea ho lokolloa ha lera la carrier la PMMA.
Sebopeho sa sebopeho sa MGG se bonwe ho sebediswa microscope ya optical (Leica) le microscope ya elektrone e skena (1 kV; FEI). Microscope ya matla a athomo (Nanoscope III, Digital Instrument) e sebedisitswe ka mokgwa wa ho tobetsa ho bona dintlha tsa meqolo ya G. Ponahalo ya filimi e ile ya lekoa ka spectrometer e bonahalang ka ultraviolet (Agilent Cary 6000i). Bakeng sa diteko ha kgatello e ne e le ka lehlakoreng le otlolohileng la phallo ya hajwale, photolithography le plasma ya O2 di ile tsa sebediswa ho etsa dibopeho tsa graphene hore e be di-strips (tse bophara ba ~300 μm le bolelele ba ~2000 μm), mme di-electrode tsa Au (50 nm) di ile tsa bewa ka mocheso ho sebediswa di-maske tsa moriti dipheletsong ka bobedi tsa lehlakore le lelelele. Methapo ea graphene e ile ea kopanngoa le elastomer ea SEBS (bophara ba ~2 cm le bolelele ba ~5 cm), 'me mothapo o molelele oa methapo o bapile le lehlakore le lekhutšoanyane la SEBS o lateloa ke BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etching le eutectic gallium indium (EGaIn) e le likhokahano tsa motlakase. Bakeng sa liteko tsa khatello e bapileng, sebopeho sa graphene se sa kang sa etsoa ka paterone (~5 × 10 mm) se ile sa fetisetsoa holim'a li-substrate tsa SEBS, ka li-axes tse telele tse bapileng le lehlakore le lelele la substrate ea SEBS. Maemong ana ka bobeli, G eohle (ntle le meqolo ea G)/SEBS e ile ea otlolloa lehlakoreng le lelele la elastomer ka sesebelisoa sa letsoho, 'me sebakeng seo, re ile ra lekanya liphetoho tsa bona tsa khanyetso tlas'a khatello seteisheneng sa probe ka sehlahlobi sa semiconductor (Keithley 4200-SCS).
Li-transistor tse otlollang le tse bonaletsang tsa khabone kaofela tse holim'a substrate e tenyetsehang li entsoe ka mekhoa e latelang ho qoba tšenyo ea solvent ea organic ea dielectric ea polymer le substrate. Meaho ea MGG e ile ea fetisetsoa ho SEBS e le li-electrode tsa heke. Ho fumana lera le lekanang la dielectric ea polymer e tšesaane (botenya ba 2 μm), tharollo ea SEBS toluene (80 mg/ml) e ile ea koaheloa holim'a substrate ea octadecyltrichlorosilane (OTS) - e fetotsoeng SiO2/Si ka 1000 rpm ka motsotso o le mong. Filimi e tšesaane ea dielectric e ka fetisoa habonolo ho tloha holim'a metsi a hydrophobic OTS ho ea substrate ea SEBS e koahetsoeng ka graphene e lokiselitsoeng joalo. Capacitor e ka etsoa ka ho beha electrode e kaholimo ea tšepe ea metsi (EGaIn; Sigma-Aldrich) ho fumana capacitance e le mosebetsi oa khatello ho sebelisoa meter ea LCR (inductance, capacitance, resistance) (Agilent). Karolo e 'ngoe ea transistor e ne e entsoe ka li-semiconducting CNTs tse hlophisitsoeng ka polymer, ho latela mekhoa e tlalehiloeng pejana (53). Li-electrode tsa mohlodi/drain tse nang le paterone li entsoe holim'a li-substrate tse thata tsa SiO2/Si. Ka mor'a moo, likarolo tse peli, dielectric/G/SEBS le CNTs/patterned G/SiO2/Si, li ile tsa laminated, 'me tsa ineloa ka har'a BOE ho tlosa substrate e thata ea SiO2/Si. Kahoo, li-transistor tse bonaletsang ka botlalo le tse ka otlolloang li ile tsa etsoa. ​​Teko ea motlakase tlas'a khatello e entsoe holim'a setaele sa ho otlolla ka letsoho joalo ka mokhoa o boletsoeng ka holimo.
Boitsebiso bo eketsehileng bakeng sa sengoloa sena bo fumaneha ho http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
Setšoantšo sa S1. Litšoantšo tsa microscopy tsa optical tsa monolayer MGG holim'a li-substrate tsa SiO2/Si ka boholo bo fapaneng.
Setšoantšo sa S4. Papiso ea ho hanyetsana ha maqephe a probe tse peli le li-transmittance @550 nm tsa mono-, bi- le trilayer plain graphene (likwere tse ntšo), MGG (li-circles tse khubelu), le CNTs (khutlotharo e putsoa).
Setšoantšo sa S7. Phetoho e tloaelehileng ea khanyetso ea li-MGG tse nang le mono- le bilayer (tse ntšo) le G (e khubelu) tlas'a ~1000 cyclic strain e jarang ho fihlela ho 40 le 90% parallel strain, ka ho latellana.
Setšoantšo sa S10. Setšoantšo sa SEM sa trilayer MGG ho elastomer ea SEBS kamora ho khathatsoa, ​​​​se bontša sefapano se selelele sa moqolo holim'a mapetso a 'maloa.
Setšoantšo sa S12. Setšoantšo sa AFM sa trilayer MGG holim'a elastomer e tšesaane haholo ea SEBS ka khatello ea 20%, e bontšang hore moqolo o tšetse lepetsong.
tafole S1. Ho tsamaya ha ditransistor tsa carbon nanotube tse nang le lerako le le leng tsa MGG–lebota le le leng ka bolelele bo fapaneng ba kanale pele le ka mora kgatello.
Ena ke sengoloa se bulehileng se abuoang tlasa dipehelo tsa laesense ya Creative Commons Attribution-NonCommercial, e dumellang tshebediso, kabo, le tlhahiso botjha ka mokgwa ofe kapa ofe, ha feela tshebediso e hlahang e se bakeng sa melemo ya kgwebo mme ha feela mosebetsi wa pele o qotsitswe hantle.
TLHOKOMELISO: Re kopa aterese ea hau ea lengolo-tsoibila feela e le hore motho eo u mo khothalletsang leqephe a tsebe hore u ne u batla hore a e bone, le hore ha se poso ea lintho tse se nang thuso. Ha re nke aterese efe kapa efe ea lengolo-tsoibila.
Potso ena ke ea ho leka hore na u moeti oa motho kapa che le ho thibela ho romelloa ha spam ka boiketsetso.
Ke 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
Ke 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 Mokhatlo oa Amerika oa Tsoelo-pele ea Saense. Litokelo tsohle li sirelelitsoe. AAAS ke molekane oa HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef le COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.