Les matériaux bidimensionnels, tels que le graphène, sont attrayants à la fois pour les applications conventionnelles des semi-conducteurs et les applications naissantes de l'électronique flexible.Cependant, la résistance élevée à la traction du graphène entraîne une rupture à faible contrainte, ce qui rend difficile l'exploitation de ses propriétés électroniques extraordinaires dans l'électronique extensible.Pour permettre d'excellentes performances dépendantes de la contrainte des conducteurs de graphène transparents, nous avons créé des nanoscrolls de graphène entre des couches de graphène empilées, appelées rouleaux de graphène/graphène multicouches (MGG).Sous contrainte, certains rouleaux ont ponté les domaines fragmentés du graphène pour maintenir un réseau de percolation qui a permis une excellente conductivité à des contraintes élevées.Les MGG tricouches supportés sur des élastomères ont conservé 65 % de leur conductance d'origine à 100 % de déformation, ce qui est perpendiculaire à la direction du flux de courant, tandis que les films tricouches de graphène sans nanoscrolls n'ont conservé que 25 % de leur conductance de départ.Un transistor extensible entièrement en carbone fabriqué à l'aide de MGG comme électrodes présentait une transmittance > 90 % et conservait 60 % de sa sortie de courant d'origine à une contrainte de 120 % (parallèle à la direction de transport de charge).Ces transistors entièrement en carbone hautement extensibles et transparents pourraient permettre une optoélectronique extensible sophistiquée.
L'électronique transparente extensible est un domaine en pleine croissance qui a des applications importantes dans les systèmes biointégrés avancés (1, 2) ainsi que le potentiel d'intégration avec l'optoélectronique extensible (3, 4) pour produire une robotique et des écrans souples sophistiqués.Le graphène présente des propriétés hautement souhaitables d'épaisseur atomique, de transparence élevée et de conductivité élevée, mais sa mise en œuvre dans des applications extensibles a été inhibée par sa tendance à se fissurer à de petites contraintes.Surmonter les limitations mécaniques du graphène pourrait permettre de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs transparents extensibles.
Les propriétés uniques du graphène en font un candidat solide pour la prochaine génération d'électrodes conductrices transparentes (5, 6).Par rapport au conducteur transparent le plus couramment utilisé, l'oxyde d'indium et d'étain [ITO ;100 ohms/carré (carré) à 90 % de transparence ], le graphène monocouche développé par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) a une combinaison similaire de résistance de feuille (125 ohms/carré) et de transparence (97,4 %) (5).De plus, les films de graphène ont une flexibilité extraordinaire par rapport à l'ITO (7).Par exemple, sur un substrat plastique, sa conductance peut être conservée même pour un rayon de courbure de courbure aussi petit que 0,8 mm (8).Pour améliorer encore ses performances électriques en tant que conducteur flexible transparent, des travaux antérieurs ont développé des matériaux hybrides de graphène avec des nanofils d'argent unidimensionnels (1D) ou des nanotubes de carbone (NTC) (9-11).De plus, le graphène a été utilisé comme électrodes pour les semi-conducteurs hétérostructuraux à dimensions mixtes (tels que le Si massif 2D, les nanofils/nanotubes 1D et les points quantiques 0D) (12), les transistors flexibles, les cellules solaires et les diodes électroluminescentes (DEL) (13 –23).
Bien que le graphène ait montré des résultats prometteurs pour l'électronique flexible, son application dans l'électronique extensible a été limitée par ses propriétés mécaniques (17, 24, 25) ;le graphène a une rigidité dans le plan de 340 N/m et un module de Young de 0,5 TPa (26).Le solide réseau carbone-carbone ne fournit aucun mécanisme de dissipation d'énergie pour la déformation appliquée et se fissure donc facilement à moins de 5 % de déformation.Par exemple, le graphène CVD transféré sur un substrat élastique en polydiméthylsiloxane (PDMS) ne peut maintenir sa conductivité qu'à moins de 6 % de déformation (8).Les calculs théoriques montrent que le froissement et l'interaction entre les différentes couches devraient fortement diminuer la rigidité (26).En empilant le graphène en plusieurs couches, il est rapporté que ce graphène bi- ou tricouche est étirable à 30% de déformation, présentant un changement de résistance 13 fois plus petit que celui du graphène monocouche (27).Cependant, cette extensibilité est encore nettement inférieure aux conducteurs extensibles de pointe (28, 29).
Les transistors sont importants dans les applications extensibles car ils permettent une lecture sophistiquée des capteurs et une analyse du signal (30, 31).Les transistors sur PDMS avec graphène multicouche comme électrodes source/drain et matériau de canal peuvent maintenir la fonction électrique jusqu'à 5 % de contrainte (32), ce qui est nettement inférieur à la valeur minimale requise (~ 50 %) pour les capteurs de surveillance de la santé portables et la peau électronique ( 33, 34).Récemment, une approche graphène kirigami a été explorée, et le transistor déclenché par un électrolyte liquide peut être étiré jusqu'à 240% (35).Cependant, cette méthode nécessite du graphène en suspension, ce qui complique le processus de fabrication.
Ici, nous réalisons des dispositifs de graphène hautement extensibles en intercalant des rouleaux de graphène (~ 1 à 20 μm de long, ~ 0,1 à 1 μm de large et ~ 10 à 100 nm de haut) entre les couches de graphène.Nous émettons l'hypothèse que ces rouleaux de graphène pourraient fournir des chemins conducteurs pour combler les fissures dans les feuilles de graphène, maintenant ainsi une conductivité élevée sous contrainte.Les rouleaux de graphène ne nécessitent pas de synthèse ou de processus supplémentaire ;ils se forment naturellement lors de la procédure de transfert humide.En utilisant des électrodes extensibles en graphène G/G (graphène/graphène) multicouches (MGG) (source/drain et grille) et des CNT semi-conducteurs, nous avons pu démontrer des transistors tout carbone hautement transparents et hautement extensibles, qui peuvent être étirés à 120 % de contrainte (parallèle à la direction de transport de charge) et conservent 60 % de leur courant de sortie d'origine.Il s'agit du transistor à base de carbone transparent le plus extensible à ce jour, et il fournit suffisamment de courant pour piloter une LED inorganique.
Pour permettre des électrodes de graphène extensibles transparentes de grande surface, nous avons choisi du graphène développé par CVD sur une feuille de Cu.La feuille de Cu a été suspendue au centre d'un tube de quartz CVD pour permettre la croissance du graphène des deux côtés, formant des structures G/Cu/G.Pour transférer le graphène, nous avons d'abord enduit par centrifugation une fine couche de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) pour protéger un côté du graphène, que nous avons nommé graphène supérieur (et vice versa pour l'autre côté du graphène), et par la suite, le le film entier (PMMA/graphène supérieur/Cu/graphène inférieur) a été trempé dans une solution de (NH4) 2S2O8 pour graver la feuille de Cu.Le graphène inférieur sans le revêtement PMMA aura inévitablement des fissures et des défauts qui permettent à un agent de gravure de pénétrer à travers (36, 37).Comme illustré sur la figure 1A, sous l'effet de la tension superficielle, les domaines de graphène libérés se sont enroulés en rouleaux et ensuite fixés sur le film supérieur-G/PMMA restant.Les rouleaux top-G/G peuvent être transférés sur n'importe quel substrat, tel que SiO2/Si, verre ou polymère mou.La répétition de ce processus de transfert plusieurs fois sur le même substrat donne des structures MGG.
(A) Illustration schématique de la procédure de fabrication des MGG en tant qu'électrode extensible.Pendant le transfert de graphène, le graphène arrière sur la feuille de Cu a été brisé aux limites et aux défauts, enroulé dans des formes arbitraires et étroitement attaché aux films supérieurs, formant des nanoscrolls.Le quatrième dessin illustre la structure MGG empilée.(B et C) Caractérisations TEM haute résolution d'un MGG monocouche, en se concentrant respectivement sur le graphène monocouche (B) et la région de défilement (C).L'encart de (B) est une image à faible grossissement montrant la morphologie globale des MGG monocouches sur la grille TEM.Les encarts de (C) sont les profils d'intensité pris le long des cases rectangulaires indiquées dans l'image, où les distances entre les plans atomiques sont de 0,34 et 0,41 nm.(D ) Spectre EEL de carbone K-edge avec les pics graphitiques caractéristiques π * et σ * marqués.(E) Image AFM en coupe des rouleaux G/G monocouche avec un profil de hauteur le long de la ligne pointillée jaune.(F à I) Microscopie optique et images AFM de la tricouche G sans (F et H) et avec des rouleaux (G et I) sur des substrats SiO2/Si de 300 nm d'épaisseur, respectivement.Les volutes et les rides représentatives ont été étiquetées pour mettre en évidence leurs différences.
Pour vérifier que les rouleaux sont de nature graphène enroulée, nous avons mené des études de microscopie électronique à transmission haute résolution (TEM) et de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EEL) sur les structures de défilement monocouche top-G/G.La figure 1B montre la structure hexagonale d'un graphène monocouche, et l'encart est une morphologie globale du film recouvert d'un seul trou de carbone de la grille TEM.Le graphène monocouche couvre la majeure partie de la grille et certains flocons de graphène en présence de plusieurs empilements d'anneaux hexagonaux apparaissent (Fig. 1B).En zoomant sur un défilement individuel (Fig. 1C), nous avons observé une grande quantité de franges de réseau de graphène, avec un espacement de réseau compris entre 0, 34 et 0, 41 nm.Ces mesures suggèrent que les flocons sont enroulés de manière aléatoire et ne sont pas du graphite parfait, qui a un espacement de réseau de 0,34 nm dans l'empilement de couches "ABAB".La figure 1D montre le spectre EEL du carbone K-edge, où le pic à 285 eV provient de l'orbitale π* et l'autre autour de 290 eV est dû à la transition de l'orbitale σ*.On peut voir que la liaison sp2 domine dans cette structure, vérifiant que les volutes sont fortement graphitiques.
Les images de microscopie optique et de microscopie à force atomique (AFM) donnent un aperçu de la distribution des nanoscrolls de graphène dans les MGG (Fig. 1, E à G, et fig. S1 et S2).Les volutes sont réparties de manière aléatoire sur la surface, et leur densité dans le plan augmente proportionnellement au nombre de couches empilées.De nombreux rouleaux sont emmêlés en nœuds et présentent des hauteurs non uniformes dans la plage de 10 à 100 nm.Ils mesurent 1 à 20 μm de long et 0,1 à 1 μm de large, selon la taille de leurs flocons de graphène initiaux.Comme le montre la figure 1 (H et I), les volutes ont des tailles nettement plus grandes que les rides, ce qui conduit à une interface beaucoup plus rugueuse entre les couches de graphène.
Pour mesurer les propriétés électriques, nous avons modelé des films de graphène avec ou sans structures de défilement et un empilement de couches en bandes de 300 μm de large et 2000 μm de long par photolithographie.Les résistances à deux sondes en fonction de la déformation ont été mesurées dans des conditions ambiantes.La présence de volutes a réduit la résistivité du graphène monocouche de 80 % avec seulement une diminution de 2,2 % de la transmission (fig. S4).Cela confirme que les nanoscrolls, qui ont une densité de courant élevée jusqu'à 5 × 107 A/cm2 (38, 39), apportent une contribution électrique très positive aux MGG.Parmi tous les graphènes et MGG mono-, bi- et tricouches, le MGG tricouche a la meilleure conductance avec une transparence de près de 90 %.Pour comparer avec d'autres sources de graphène rapportées dans la littérature, nous avons également mesuré les résistances de feuille à quatre sondes (fig. S5) et les avons répertoriées en fonction de la transmittance à 550 nm (fig. S6) sur la figure 2A.Le MGG présente une conductivité et une transparence comparables ou supérieures à celles du graphène ordinaire multicouche artificiellement empilé et de l'oxyde de graphène réduit (RGO) (6, 8, 18).Notez que les résistances de feuille du graphène uni multicouche artificiellement empilé de la littérature sont légèrement supérieures à celles de notre MGG, probablement en raison de leurs conditions de croissance et de leur méthode de transfert non optimisées.
(A) Résistances de feuille à quatre sondes par rapport à la transmittance à 550 nm pour plusieurs types de graphène, où les carrés noirs désignent les MGG mono-, bi- et tricouches ;les cercles rouges et les triangles bleus correspondent au graphène uni multicouche cultivé sur Cu et Ni à partir des études de Li et al.(6) et Kim et al.(8), respectivement, puis transférés sur SiO2/Si ou quartz ;et les triangles verts sont des valeurs de RGO à différents degrés réducteurs de l'étude de Bonaccorso et al.(18).(B et C) Changement de résistance normalisé des MGG mono-, bi- et tricouches et G en fonction de la contrainte perpendiculaire (B) et parallèle (C) à la direction du flux de courant.(D) Changement de résistance normalisé de la bicouche G (rouge) et MGG (noir) sous une contrainte cyclique chargeant jusqu'à 50 % de contrainte perpendiculaire.(E) Changement de résistance normalisé de la tricouche G (rouge) et MGG (noir) sous déformation cyclique chargeant jusqu'à 90 % de déformation parallèle.( F ) Changement de capacité normalisé des MGG mono-, bi- et tricouches G et bi- et tricouches en fonction de la contrainte.L'encart est la structure du condensateur, où le substrat polymère est le SEBS et la couche diélectrique polymère est le SEBS de 2 μm d'épaisseur.
Pour évaluer les performances dépendantes de la contrainte du MGG, nous avons transféré du graphène sur des substrats en élastomère thermoplastique styrène-éthylène-butadiène-styrène (SEBS) (~ 2 cm de large et ~ 5 cm de long), et la conductivité a été mesurée lorsque le substrat était étiré. (voir Matériels et méthodes) à la fois perpendiculaires et parallèles à la direction du courant (Fig. 2, B et C).Le comportement électrique dépendant de la contrainte s'est amélioré avec l'incorporation de nanoscrolls et l'augmentation du nombre de couches de graphène.Par exemple, lorsque la déformation est perpendiculaire au flux de courant, pour le graphène monocouche, l'ajout de spirales a augmenté la déformation à la rupture électrique de 5 à 70 %.La tolérance à la déformation du graphène tricouche est également considérablement améliorée par rapport au graphène monocouche.Avec les nanoscrolls, à 100 % de déformation perpendiculaire, la résistance de la structure tricouche MGG n'a augmenté que de 50 %, contre 300 % pour le graphène tricouche sans spirales.Le changement de résistance sous charge de déformation cyclique a été étudié.À titre de comparaison (Fig. 2D), les résistances d'un film de graphène bicouche ordinaire ont augmenté d'environ 7, 5 fois après environ 700 cycles à 50% de déformation perpendiculaire et ont continué d'augmenter avec la déformation à chaque cycle.D'autre part, la résistance d'un MGG bicouche n'a augmenté que d'environ 2,5 fois après environ 700 cycles.En appliquant jusqu'à 90% de déformation dans la direction parallèle, la résistance du graphène tricouche a augmenté d'environ 100 fois après 1000 cycles, alors qu'elle n'est que d'environ 8 fois dans un MGG tricouche (Fig. 2E).Les résultats du cycle sont illustrés à la fig.S7.L'augmentation relativement plus rapide de la résistance le long de la direction de déformation parallèle est due au fait que l'orientation des fissures est perpendiculaire à la direction du flux de courant.L'écart de résistance lors de la contrainte de chargement et de déchargement est dû à la récupération viscoélastique du substrat élastomère SEBS.La résistance plus stable des bandes MGG pendant le cycle est due à la présence de grandes volutes qui peuvent combler les parties fissurées du graphène (comme observé par l'AFM), aidant à maintenir une voie de percolation.Ce phénomène de maintien de la conductivité par une voie de percolation a déjà été rapporté pour des films métalliques ou semi-conducteurs fissurés sur des substrats élastomères (40, 41).
Pour évaluer ces films à base de graphène en tant qu'électrodes de grille dans des dispositifs extensibles, nous avons recouvert la couche de graphène d'une couche diélectrique SEBS (2 μm d'épaisseur) et surveillé le changement de capacité diélectrique en fonction de la contrainte (voir Fig. 2F et les matériaux supplémentaires pour des détails).Nous avons observé que les capacités avec des électrodes de graphène monocouche et bicouche simples diminuaient rapidement en raison de la perte de conductivité dans le plan du graphène.En revanche, les capacités déclenchées par les MGG ainsi que le graphène tricouche simple ont montré une augmentation de la capacité avec la contrainte, ce qui est attendu en raison de la réduction de l'épaisseur diélectrique avec la contrainte.L'augmentation attendue de la capacité correspondait très bien à la structure MGG (fig. S8).Cela indique que le MGG convient comme électrode de grille pour les transistors extensibles.
Pour étudier plus avant le rôle du rouleau de graphène 1D sur la tolérance à la contrainte de la conductivité électrique et mieux contrôler la séparation entre les couches de graphène, nous avons utilisé des CNT enduits de pulvérisation pour remplacer les rouleaux de graphène (voir Matériel supplémentaire).Pour imiter les structures MGG, nous avons déposé trois densités de NTC (c'est-à-dire CNT1
(A à C) Images AFM de trois densités différentes de NTC (CNT1
Pour mieux comprendre leur capacité en tant qu'électrodes pour l'électronique extensible, nous avons systématiquement étudié les morphologies de MGG et G-CNT-G sous contrainte.La microscopie optique et la microscopie électronique à balayage (SEM) ne sont pas des méthodes de caractérisation efficaces car les deux manquent de contraste de couleur et le SEM est sujet à des artefacts d'image lors du balayage électronique lorsque le graphène se trouve sur des substrats polymères (fig. S9 et S10).Pour observer in situ la surface de graphène sous contrainte, nous avons collecté des mesures AFM sur des MGG tricouches et du graphène uni après transfert sur des substrats SEBS très fins (~ 0, 1 mm d'épaisseur) et élastiques.En raison des défauts intrinsèques du graphène CVD et des dommages extrinsèques pendant le processus de transfert, des fissures sont inévitablement générées sur le graphène contraint, et avec l'augmentation de la contrainte, les fissures sont devenues plus denses (Fig. 4, A à D).Selon la structure d'empilement des électrodes à base de carbone, les fissures présentent des morphologies différentes (fig. S11) (27).La densité de la zone de fissure (définie comme zone de fissure/zone analysée) du graphène multicouche est inférieure à celle du graphène monocouche après déformation, ce qui est cohérent avec l'augmentation de la conductivité électrique des MGG.D'autre part, on observe souvent des volutes pour combler les fissures, fournissant des voies conductrices supplémentaires dans le film tendu.Par exemple, comme indiqué sur l'image de la Fig. 4B, un large défilement a traversé une fissure dans le MGG tricouche, mais aucun défilement n'a été observé dans le graphène ordinaire (Fig. 4, E à H).De même, les NTC ont également comblé les fissures du graphène (fig. S11).La densité de la zone de fissure, la densité de la zone de défilement et la rugosité des films sont résumées sur la figure 4K.
(A à H) Images AFM in situ de rouleaux tricouches G/G (A à D) et de structures tricouches G (E à H) sur un élastomère SEBS très fin (~ 0,1 mm d'épaisseur) à 0, 20, 60 et 100 % souche.Les fissures et volutes représentatives sont pointées par des flèches.Toutes les images AFM sont dans une zone de 15 μm × 15 μm, en utilisant la même barre d'échelle de couleurs que celle indiquée.(I) Géométrie de simulation des électrodes de graphène monocouche à motifs sur le substrat SEBS.(J) Carte de contour de simulation de la déformation logarithmique principale maximale dans le graphène monocouche et le substrat SEBS à 20 % de déformation externe.(K) Comparaison de la densité de la zone de fissure (colonne rouge), de la densité de la zone de défilement (colonne jaune) et de la rugosité de surface (colonne bleue) pour différentes structures de graphène.
Lorsque les films MGG sont étirés, il existe un mécanisme supplémentaire important selon lequel les rouleaux peuvent combler les régions fissurées du graphène, en maintenant un réseau de percolation.Les rouleaux de graphène sont prometteurs car ils peuvent mesurer des dizaines de micromètres de long et donc capables de combler des fissures qui sont généralement à l'échelle du micromètre.De plus, comme les volutes sont constituées de multicouches de graphène, on s'attend à ce qu'elles aient une faible résistance.En comparaison, des réseaux CNT relativement denses (transmission inférieure) sont nécessaires pour fournir une capacité de pont conducteur comparable, car les CNT sont plus petits (généralement quelques micromètres de longueur) et moins conducteurs que les volutes.D'autre part, comme le montre la fig.S12, alors que le graphène se fissure lors de l'étirement pour s'adapter à la contrainte, les volutes ne se fissurent pas, indiquant que ces dernières pourraient glisser sur le graphène sous-jacent.La raison pour laquelle ils ne se fissurent pas est probablement due à la structure enroulée, composée de nombreuses couches de graphène (~ 1 à 2 0 μm de long, ~ 0,1 à 1 μm de large et ~ 10 à 100 nm de haut), qui a un module effectif plus élevé que le graphène monocouche.Comme indiqué par Green et Hersam (42), les réseaux de CNT métalliques (diamètre de tube de 1,0 nm) peuvent atteindre de faibles résistances de feuille <100 ohms/sq malgré la grande résistance de jonction entre les CNT.Considérant que nos rouleaux de graphène ont des largeurs de 0,1 à 1 μm et que les rouleaux G/G ont des surfaces de contact beaucoup plus grandes que les NTC, la résistance de contact et la zone de contact entre le graphène et les rouleaux de graphène ne devraient pas être des facteurs limitants pour maintenir une conductivité élevée.
Le graphène a un module beaucoup plus élevé que le substrat SEBS.Bien que l'épaisseur effective de l'électrode de graphène soit bien inférieure à celle du substrat, la rigidité du graphène multipliée par son épaisseur est comparable à celle du substrat (43, 44), ce qui entraîne un effet d'îlot rigide modéré.Nous avons simulé la déformation d'un graphène de 1 nm d'épaisseur sur un substrat SEBS (voir Matériel supplémentaire pour plus de détails).Selon les résultats de la simulation, lorsqu'une contrainte de 20 % est appliquée au substrat SEBS à l'extérieur, la contrainte moyenne dans le graphène est d'environ 6,6 % (Fig. 4J et fig. S13D), ce qui est cohérent avec les observations expérimentales (voir fig. S13) .Nous avons comparé la souche dans les régions de graphène et de substrat à motifs à l'aide de la microscopie optique et avons trouvé que la souche dans la région de substrat était au moins deux fois la souche dans la région de graphène.Cela indique que la contrainte appliquée sur les motifs d'électrodes en graphène pourrait être considérablement confinée, formant des îlots rigides de graphène au-dessus du SEBS (26, 43, 44).
Par conséquent, la capacité des électrodes MGG à maintenir une conductivité élevée sous des contraintes élevées est probablement rendue possible par deux mécanismes principaux : (i) les volutes peuvent relier des régions déconnectées pour maintenir une voie de percolation conductrice, et (ii) les feuilles/élastomère de graphène multicouches peuvent glisser les uns sur les autres, ce qui réduit la contrainte sur les électrodes de graphène.Pour plusieurs couches de graphène transféré sur élastomère, les couches ne sont pas fortement attachées les unes aux autres, ce qui peut glisser en réponse à la contrainte (27).Les volutes ont également augmenté la rugosité des couches de graphène, ce qui peut aider à augmenter la séparation entre les couches de graphène et donc permettre le glissement des couches de graphène.
Les dispositifs tout carbone sont recherchés avec enthousiasme en raison de leur faible coût et de leur haut débit.Dans notre cas, des transistors entièrement en carbone ont été fabriqués à l'aide d'une grille inférieure en graphène, d'un contact source/drain supérieur en graphène, d'un semi-conducteur CNT trié et de SEBS comme diélectrique (Fig. 5A).Comme le montre la figure 5B, un dispositif entièrement en carbone avec des NTC comme source/drain et grille (dispositif inférieur) est plus opaque que le dispositif avec des électrodes de graphène (dispositif supérieur).En effet, les réseaux CNT nécessitent des épaisseurs plus importantes et, par conséquent, des transmissions optiques plus faibles pour atteindre des résistances par carré similaires à celles du graphène (fig. S4).La figure 5 (C et D) montre des courbes représentatives de transfert et de sortie avant contrainte pour un transistor réalisé avec des électrodes bicouches MGG.La largeur et la longueur du canal du transistor non contraint étaient respectivement de 800 et 100 μm.Le rapport on/off mesuré est supérieur à 103 avec des courants on et off aux niveaux de 10−5 et 10−8 A, respectivement.La courbe de sortie présente des régimes linéaires et de saturation idéaux avec une dépendance grille-tension claire, indiquant un contact idéal entre les NTC et les électrodes de graphène (45).La résistance de contact avec les électrodes de graphène s'est avérée inférieure à celle avec le film Au évaporé (voir fig. S14).La mobilité de saturation du transistor extensible est d'environ 5,6 cm2/Vs, similaire à celle des mêmes transistors CNT triés par polymère sur des substrats de Si rigides avec du SiO2 de 300 nm comme couche diélectrique.Une amélioration supplémentaire de la mobilité est possible avec une densité de tubes optimisée et d'autres types de tubes ( 46).
(A) Schéma du transistor extensible à base de graphène.SWNTs, nanotubes de carbone à paroi unique.(B) Photo des transistors extensibles constitués d'électrodes de graphène (en haut) et d'électrodes CNT (en bas).La différence de transparence est clairement perceptible.(C et D) Courbes de transfert et de sortie du transistor à base de graphène sur SEBS avant contrainte.(E et F) Courbes de transfert, courant marche/arrêt, rapport marche/arrêt et mobilité du transistor à base de graphène à différentes contraintes.
Lorsque le dispositif transparent entièrement en carbone a été étiré dans la direction parallèle à la direction de transport de charge, une dégradation minimale a été observée jusqu'à 120 % de déformation.Pendant l'étirement, la mobilité a diminué de façon continue de 5,6 cm2/Vs à 0 % de déformation à 2,5 cm2/Vs à 120 % de déformation (Fig. 5F).Nous avons également comparé les performances des transistors pour différentes longueurs de canal (voir tableau S1).Notamment, à une contrainte aussi grande que 105 %, tous ces transistors présentaient encore un rapport marche/arrêt élevé (> 103) et une mobilité (> 3 cm2/Vs).De plus, nous avons résumé tous les travaux récents sur les transistors tout carbone (voir tableau S2) (47–52).En optimisant la fabrication des dispositifs sur élastomères et en utilisant les MGG comme contacts, nos transistors tout carbone présentent de bonnes performances en termes de mobilité et d'hystérésis ainsi qu'une grande élasticité.
En tant qu'application du transistor entièrement transparent et extensible, nous l'avons utilisé pour contrôler la commutation d'une LED (Fig. 6A).Comme le montre la figure 6B, la LED verte peut être clairement vue à travers le dispositif extensible entièrement en carbone placé directement au-dessus.Tout en s'étirant à ~ 100 % (Fig. 6, C et D), l'intensité lumineuse de la LED ne change pas, ce qui est cohérent avec les performances du transistor décrites ci-dessus (voir le film S1).Il s'agit du premier rapport d'unités de contrôle extensibles réalisées à l'aide d'électrodes en graphène, démontrant une nouvelle possibilité pour l'électronique extensible en graphène.
(A) Circuit d'un transistor pour piloter la LED.GND, terre.(B) Photo du transistor tout carbone extensible et transparent à 0 % de contrainte monté au-dessus d'une LED verte.(C) Le transistor entièrement en carbone transparent et extensible utilisé pour commuter la LED est monté au-dessus de la LED à 0 % (à gauche) et ~ 100 % de contrainte (à droite).Les flèches blanches pointent vers les marqueurs jaunes sur l'appareil pour indiquer le changement de distance en cours d'étirement.(D) Vue latérale du transistor étiré, avec la LED enfoncée dans l'élastomère.
En conclusion, nous avons développé une structure de graphène conductrice transparente qui maintient une conductivité élevée sous de grandes contraintes en tant qu'électrodes extensibles, rendue possible par des nanoscrolls de graphène entre des couches de graphène empilées.Ces structures d'électrodes MGG bi- et tricouches sur un élastomère peuvent maintenir respectivement 21 et 65 % de leurs conductivités de déformation à 0 % à une déformation aussi élevée que 100 %, par rapport à une perte complète de conductivité à une déformation de 5 % pour les électrodes de graphène monocouche typiques .Les chemins conducteurs supplémentaires des rouleaux de graphène ainsi que la faible interaction entre les couches transférées contribuent à la stabilité supérieure de la conductivité sous contrainte.Nous avons ensuite appliqué cette structure de graphène pour fabriquer des transistors extensibles tout carbone.Jusqu'à présent, c'est le transistor à base de graphène le plus extensible avec la meilleure transparence sans utiliser de flambage.Bien que la présente étude ait été menée pour activer le graphène pour l'électronique extensible, nous pensons que cette approche peut être étendue à d'autres matériaux 2D pour permettre l'électronique 2D extensible.
Du graphène CVD de grande surface a été cultivé sur des feuilles de Cu en suspension (99,999 % ; Alfa Aesar) sous une pression constante de 0,5 mtorr avec 50–SCCM (centimètre cube standard par minute) CH4 et 20–SCCM H2 comme précurseurs à 1000°C.Les deux côtés de la feuille de Cu étaient recouverts de graphène monocouche.Une fine couche de PMMA (2000 tr/min; A4, Microchem) a été enduite par centrifugation sur un côté de la feuille de Cu, formant une structure PMMA/G/Cu feuille/G.ensuite, le film entier a été trempé dans une solution de persulfate d'ammonium 0,1 M [(NH4)2S2O8] pendant environ 2 heures pour éliminer par gravure la feuille de Cu.Au cours de ce processus, le graphène arrière non protégé s'est d'abord déchiré le long des joints de grains, puis s'est enroulé en volutes en raison de la tension superficielle.Les rouleaux ont été fixés sur le film de graphène supérieur supporté par PMMA, formant des rouleaux PMMA/G/G.Les films ont ensuite été lavés plusieurs fois dans de l'eau désionisée et déposés sur un substrat cible, tel qu'un SiO2/Si rigide ou un substrat en plastique.Dès que le film attaché a séché sur le substrat, l'échantillon a été trempé séquentiellement dans de l'acétone, 1: 1 acétone / IPA (alcool isopropylique) et IPA pendant 30 s chacun pour éliminer le PMMA.Les films ont été chauffés à 100°C pendant 15 min ou maintenus sous vide pendant une nuit pour éliminer complètement l'eau piégée avant qu'une autre couche de rouleau G/G ne soit transférée dessus.Cette étape visait à éviter le détachement du film de graphène du substrat et à assurer une couverture complète des MGG lors de la libération de la couche de support en PMMA.
La morphologie de la structure MGG a été observée à l'aide d'un microscope optique (Leica) et d'un microscope électronique à balayage (1 kV ; FEI).Un microscope à force atomique (Nanoscope III, Digital Instrument) a été utilisé en mode tapotement pour observer les détails des rouleaux G.La transparence du film a été testée par un spectromètre ultraviolet-visible (Agilent Cary 6000i).Pour les tests lorsque la contrainte était le long de la direction perpendiculaire du flux de courant, la photolithographie et le plasma O2 ont été utilisés pour modeler les structures de graphène en bandes (~ 300 μm de large et ~ 2000 μm de long), et des électrodes Au (50 nm) ont été thermiquement déposées en utilisant masques d'ombre aux deux extrémités du côté long.Les bandes de graphène ont ensuite été mises en contact avec un élastomère SEBS (~ 2 cm de large et ~ 5 cm de long), avec le grand axe des bandes parallèle au côté court de SEBS suivi de BOE (gravure à l'oxyde tamponné) (HF:H2O 1:6) gravure et gallium indium eutectique (EGaIn) comme contacts électriques.Pour les tests de déformation parallèle, des structures de graphène sans motif (~ 5 × 10 mm) ont été transférées sur des substrats SEBS, avec de longs axes parallèles au côté long du substrat SEBS.Dans les deux cas, l'ensemble G (sans les rouleaux G)/SEBS a été étiré le long du côté long de l'élastomère dans un appareil manuel, et in situ, nous avons mesuré leurs variations de résistance sous contrainte sur une station de sonde avec un analyseur de semi-conducteur (Keithley 4200 -SCS).
Les transistors entièrement en carbone hautement étirables et transparents sur un substrat élastique ont été fabriqués par les procédures suivantes pour éviter d'endommager par un solvant organique le diélectrique polymère et le substrat.Les structures MGG ont été transférées sur SEBS en tant qu'électrodes de grille.Pour obtenir une couche diélectrique polymère à couche mince uniforme (2 μm d'épaisseur), une solution de toluène SEBS (80 mg / ml) a été appliquée par centrifugation sur un substrat SiO2 / Si modifié octadécyltrichlorosilane (OTS) à 1000 tr / min pendant 1 min.Le film diélectrique mince peut être facilement transféré de la surface OTS hydrophobe sur le substrat SEBS recouvert de graphène tel que préparé.Un condensateur peut être fabriqué en déposant une électrode supérieure en métal liquide (EGaIn; Sigma-Aldrich) pour déterminer la capacité en fonction de la contrainte à l'aide d'un compteur LCR (inductance, capacité, résistance) (Agilent).L'autre partie du transistor était constituée de NTC semi-conducteurs triés par polymère, suivant les procédures rapportées précédemment (53).Les électrodes source/drain à motifs ont été fabriquées sur des substrats rigides SiO2/Si.Par la suite, les deux parties, diélectrique/G/SEBS et NTC/G/SiO2/Si à motifs, ont été laminées l'une sur l'autre et trempées dans du BOE pour éliminer le substrat rigide SiO2/Si.Ainsi, les transistors entièrement transparents et extensibles ont été fabriqués.Le test électrique sous contrainte a été effectué sur une configuration d'étirement manuel comme la méthode susmentionnée.
Des informations supplémentaires pour cet article sont disponibles sur http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
figue.S1.Images de microscopie optique de MGG monocouche sur substrats SiO2/Si à différents grossissements.
figue.S4.Comparaison des résistances de feuille à deux sondes et des transmittances à 550 nm de graphène uni mono-, bi- et tricouche (carrés noirs), MGG (cercles rouges) et CNT (triangle bleu).
figue.S7.Changement de résistance normalisé des MGG mono- et bicouches (noir) et G (rouge) sous une charge de déformation cyclique d'environ 1000 jusqu'à 40 et 90 % de déformation parallèle, respectivement.
figue.S10.Image SEM du MGG tricouche sur élastomère SEBS après déformation, montrant un long défilement croisé sur plusieurs fissures.
figue.S12.Image AFM du MGG tricouche sur un élastomère SEBS très fin à 20 % de déformation, montrant qu'une volute a traversé une fissure.
tableau S1.Mobilités des transistors bicouches MGG – nanotubes de carbone à paroi unique à différentes longueurs de canal avant et après déformation.
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Par 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
Par 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 Association américaine pour l'avancement des sciences.Tous les droits sont réservés.AAAS est partenaire de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef et COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Heure de publication : 28 janvier 2021