Eletise graphene e matua manino ma mafai ona fa'aloaloa

O mea e lua-vaega, e pei o le graphene, e manaia mo faʻaoga masani o semiconductor ma faʻaoga fou i mea faʻaeletoronika fetuutuunai. Peitaʻi, o le malosi maualuga o le tensile o le graphene e mafua ai ona gau i le maualalo o le strain, ma faigata ai ona faʻaaogaina ona meatotino faʻaeletoronika tulaga ese i mea faʻaeletoronika e mafai ona faʻaloaloa. Ina ia mafai ai ona faʻatino lelei le faʻatinoina o le strain-dependent o graphene transparent conductors, na matou faia ai ni graphene nanoscrolls i le va o vaega graphene ua faʻaputuina, e taʻua o multilayer graphene/graphene scrolls (MGGs). I lalo o le strain, o nisi scrolls na faʻafesoʻotaʻi vaega vaeluaina o le graphene e faʻatumauina ai se fesoʻotaʻiga percolating lea na mafai ai ona lelei le conductivity i strains maualuga. Trilayer MGGs lagolagoina i luga o elastomers na taofia le 65% o latou conductance muamua i le 100% strain, lea e faʻasaga saʻo i le itu o le tafe o le tafe, ae o ata tifaga trilayer o le graphene e aunoa ma nanoscrolls na taofia naʻo le 25% o latou conductance amata. O se transistor carbon-uma e mafai ona fa'aloaloa na gaosia e fa'aaoga ai MGGs o ni electrodes na fa'aalia ai le fesiitaiga e >90% ma taofia le 60% o lona malosiaga muamua i le 120% strain (e tutusa ma le itu o le felauaiga o le charge). O nei transistor carbon-uma e matua'i fa'aloaloa ma manino e mafai ona fa'aogaina ai optoelectronics fa'aloaloa fa'apitoa.
O le fa'alauteleina o le eletise manino e mafai ona fa'aloaloa o se matata tuputupu a'e e iai ana fa'aoga taua i faiga fa'atekonolosi fa'atekonolosi fa'atekonolosi (1, 2) fa'apea fo'i ma le gafatia e tu'ufa'atasia ma le fa'alauteleina o le optoelectronics (3, 4) e gaosia ai ni robotics vaivai ma fa'aaliga fa'apitoa. O le Graphene e iai ona uiga mana'omia tele o le mafiafia o le atomika, maualuga le manino, ma le maualuga o le conductivity, ae o lona fa'atinoina i fa'aoga fa'aloaloa ua taofia ona o lona uiga e malepe i ni vaega laiti. O le faatoilaloina o tapula'a fa'amekanika o le graphene e mafai ai ona fa'atinoina ni galuega fou i masini manino e mafai ona fa'aloaloa.
O uiga tulaga ese o le graphene ua avea ai ma sui tauva malosi mo le isi tupulaga o electrodes fa'a-transparent conductive (5, 6). Pe a fa'atusatusa i le conductor transparent e masani ona fa'aaogaina, indium tin oxide [ITO; 100 ohms/square (sq) i le 90% transparency], o le monolayer graphene e totoina e ala i le chemical vapor deposition (CVD) e iai se tu'ufa'atasiga tutusa o le tete'e atu i le laupepa (125 ohms/sq) ma le transparency (97.4%) (5). E le gata i lea, o ata graphene e matua'i fetu'una'i pe a fa'atusatusa i le ITO (7). Mo se fa'ata'ita'iga, i luga o se substrate palasitika, e mafai ona taofia lona conductance e tusa lava pe o se radius pi'o o le curvature e la'ititi e pei o le 0.8 mm (8). Mo le fa'aleleia atili o lana fa'atinoga eletise o se conductor fetu'una'i manino, o galuega na muamua atu na atia'e ai mea hybrid graphene ma nanowires siliva e tasi le itu (1D) po'o carbon nanotubes (CNTs) (9–11). E le gata i lea, ua fa'aaogaina le graphene o ni electrodes mo semiconductors heterostructural fa'afefiloi (e pei o le 2D bulk Si, 1D nanowires/nanotubes, ma 0D quantum dots) (12), flexible transistors, solar cells, ma light-emitting diodes (LEDs) (13–23).
E ui lava ina ua faaalia e le graphene ni taunuuga lelei mo mea eletise fetuutuunai, ae o lona faaaogaina i mea eletise e mafai ona fa’aloaloa ua faatapulaaina e ona meatotino fa’amekanika (17, 24, 25); o le graphene e iai le malosi i totonu o le vaalele e 340 N/m ma le Young's modulus e 0.5 TPa (26). O le feso’ota’iga malosi o le carbon-carbon e le maua ai ni auala e fa’aumatia ai le malosi mo le fa’aaogaina o le mamafa ma o lea e faigofie ai ona malepe i le itiiti ifo i le 5% o le mamafa. Mo se fa’ata’ita’iga, o le CVD graphene ua fa’aliliuina i luga o se polydimethylsiloxane (PDMS) elastic substrate e na’o le itiiti ifo i le 6% o le mamafa e mafai ona fa’atumauina ai lona conductivity (8). O fa’atusatusaga fa’ateorē e fa’aalia ai o le malepelepe ma le fegalegaleai i le va o vaega eseese e tatau ona fa’aitiitia ai le malosi (26). I le fa’aputuina o le graphene i ni vaega se tele, ua lipotia mai o lenei graphene bi- po’o le trilayer e mafai ona fa’aloaloa i le 30% o le mamafa, e fa’aalia ai le suiga o le tete’e e 13 taimi e la’ititi ifo nai lo le monolayer graphene (27). Peita'i, o lenei gafatia e fa'aloaloa e matua'i maualalo lava nai lo mea fa'aonaponei e mafai ona fa'aloaloa (28, 29).
E taua tele transistors i faʻaoga e mafai ona faʻaloaloa ona e mafai ai ona faʻalauteleina le faitauga o sensor ma le auʻiliʻiliga o faʻailoga (30, 31). O transistors i luga o le PDMS ma le graphene multilayer o ni electrodes puna/faʻamamago ma mea e faʻaaogaina ai le auala e mafai ona faʻatumauina le galuega eletise e oʻo atu i le 5% le mamafa (32), lea e matua maualalo ifo nai lo le tau maualalo e manaʻomia (~50%) mo sensors e mataʻituina ai le soifua maloloina ma le paʻu eletise (33, 34). Talu ai nei, ua suʻesuʻeina se auala graphene kirigami, ma o le transistor e faʻapipiʻiina e se electrolyte vai e mafai ona faʻaloaloa i le 240% (35). Peitaʻi, o lenei metotia e manaʻomia ai le graphene faʻapipiʻi, lea e faigata ai le faiga o le gaosiga.
Iinei, matou te ausia ni masini graphene e mafai ona fa'aloaloa e ala i le fa'apipi'iina o ta'avili graphene (~1 i le 20 μm le umi, ~0.1 i le 1 μm le lautele, ma le ~10 i le 100 nm le maualuga) i le va o vaega o le graphene. Matou te manatu o nei ta'avili graphene e mafai ona maua ai ni auala fa'aeletise e fa'afeso'ota'i ai māvaevae i totonu o pepa graphene, ma fa'atumauina ai le maualuga o le fa'aeletise i lalo o le mamafa. E le mana'omia e ta'avili graphene ni fa'aopoopoga po'o ni faiga; e masani ona fausia i le taimi o le fa'agasologa o le fesiita'iga susu. I le fa'aaogaina o ta'avili G/G (graphene/graphene) e tele vaega (MGGs) graphene stretchable electrodes (source/drain and gate) ma semiconducting CNTs, na mafai ai ona matou fa'aalia ni transistors all-carbon e matua manino ma fa'aloaloa, lea e mafai ona fa'aloaloa i le 120% strain (tutusa ma le itu o le felauaiga o le totogi) ma taofia le 60% o latou eletise muamua. O le transistor sili lea ona manino e fa'avae i le carbon i le taimi nei, ma e maua ai le eletise lava e fa'agaoioia ai se LED inorganic.
Ina ia mafai ai ona fa'aogaina ni eletise graphene e mafai ona fa'aloaloa i se vaega tele, na matou filifilia ai le graphene ua totoina i le CVD i luga o le pepa Cu. O le pepa Cu sa tautau i le ogatotonu o se paipa kuata CVD ina ia mafai ai ona tuputupu a'e le graphene i itu uma e lua, ma fausia ai ni fausaga G/Cu/G. Ina ia fa'aliliuina le graphene, na matou viliina muamua se vaega manifinifi o le poly(methyl methacrylate) (PMMA) e puipui ai le tasi itu o le graphene, lea na matou faaigoaina o le topside graphene (fa'afeagai mo le isi itu o le graphene), ma mulimuli ane, o le ata atoa (PMMA/top graphene/Cu/bottom graphene) sa fa'asusu i le vaifofo (NH4)2S2O8 e aveese ai le pepa Cu. O le graphene pito i lalo e aunoa ma le ufiufi PMMA o le a i ai ni māvaevae ma ni fa'aletonu e mafai ai e se etchant ona ulu atu i totonu (36, 37). E pei ona fa'aalia i le Ata 1A, i lalo o le aafiaga o le tete'e o le fogaeleele, o vaega o le graphene ua fa'asa'olotoina na afifiina i ni ta'avale ma mulimuli ane fa'apipi'i i luga o le ata o totoe o le top-G/PMMA. E mafai ona fa'aliliuina atu ia ta'avili pito i luga-G/G i luga o so'o se mea fa'avae, e pei o le SiO2/Si, tioata, po'o le polymer vaivai. O le toe faia o lenei faiga fa'aliliuina i ni nai taimi i luga o le mea fa'avae lava e tasi e maua ai ni fausaga MGG.
(A) Fa'ata'ita'iga fa'ata'ita'i o le faiga o le gaosiga o MGGs o se eletise e mafai ona fa'aloaloa. I le taimi o le fesiitaiga o le graphene, o le graphene i tua i luga o le pepa Cu na gauia i tuaoi ma mea sese, fa'a'ofu i ni foliga fa'afuase'i, ma fa'apipi'i mau i luga o ata tifaga pito i luga, ma fausia ai ni nanoscrolls. O le ata fa'ata'ita'i lona fa o lo'o fa'aalia ai le fausaga MGG ua fa'aputuina. (B ma le C) Fa'ailoga TEM maualuga-mautinoa o se monolayer MGG, e taula'i i le monolayer graphene (B) ma le vaega o le ta'avale (C), i le fa'asologa. O le fa'aopoopoga o le (B) o se ata fa'ateleina maualalo e fa'aalia ai le morphology atoa o monolayer MGGs i luga o le TEM grid. O fa'aopoopoga o le (C) o fa'amatalaga o le malosi na pu'eina i luga o pusa fa'atafafā o lo'o fa'aalia i le ata, lea o le mamao i le va o va'alele atomika e 0.34 ma le 0.41 nm. (D) Carbon K-edge EEL spectrum ma le graphitic π* ma σ* peaks ua fa'ailogaina. (E) Ata AFM vaega o monolayer G/G scrolls ma se fa'amatalaga maualuga i luga o le laina togitogi samasama. (F i le I) Ata o le microscopy opitika ma le ata AFM o le trilayer G e aunoa ma le (F ma le H) ma fa'atasi ai ma ta'avili (G ma le I) i luga o le 300-nm-mafiafia o le SiO2/Si substrates. O ta'avili ma maanuminumi fa'atusa na fa'ailogaina e fa'amamafa ai o latou eseesega.
Ina ia faʻamaonia o nei taʻavale o ni graphene ua milo i le natura, na matou faia ai ni suʻesuʻega o le microscopy eletise faʻasalalau maualuga (TEM) ma le electron energy loss (EEL) spectroscopy i luga o le monolayer top-G/G scroll structures. O loʻo faʻaalia i le Ata 1B le fausaga hexagonal o le monolayer graphene, ma o le inset o se morphology lautele o le ata tifaga ua ufiufi i luga o le tasi le pu kaponi o le TEM grid. O le monolayer graphene e ufitia le tele o le grid, ma o nisi o graphene flakes i le i ai o le tele o faaputuga o mama hexagonal e aliali mai (Ata 1B). I le faʻalauteleina i totonu o se taʻavale taʻitasi (Ata 1C), na matou matauina ai le tele o graphene lattice fringes, faʻatasi ai ma le va o le lattice i le va o le 0.34 i le 0.41 nm. O nei fua e faʻaalia ai o flakes ua milo faʻafuaseʻi ma e le o ni graphite atoatoa, lea e iai le va o le lattice e 0.34 nm i le "ABAB" layer stacking. O lo'o fa'aalia i le Ata 1D le carbon K-edge EEL spectrum, lea e afua mai ai le tumutumuga i le 285 eV mai le π* orbital ma le isi e tusa ma le 290 eV ona o le suiga o le σ* orbital. E mafai ona iloa atu o le sp2 bonding e pulea i lenei fausaga, e fa'amaonia ai o lo'o matua'i fa'akalafi ia ta'avale.
O ata o le optical microscopy ma le atomic force microscopy (AFM) e maua ai se malamalamaaga i le tufatufaina o graphene nanoscrolls i totonu o MGGs (Ata 1, E i le G, ma figs. S1 ma le S2). O lo'o tufatufa fa'afuase'i ia ta'avale i luga o le fogā'ele'ele, ma o lo latou mafiafia i totonu o le va'alele e fa'ateleina fa'atatau i le aofa'i o vaega o lo'o fa'aputuina. O le tele o ta'avale e fe'avea'i i ni nonoa ma e le tutusa le maualuga i le va o le 10 i le 100 nm. E 1 i le 20 μm le umi ma le 0.1 i le 1 μm le lautele, e fa'atatau i le tele o latou graphene flakes muamua. E pei ona fa'aalia i le Ata 1 (H ma le I), o ta'avale e matua lapopo'a tele atu nai lo maanuminumi, e o'o atu ai i se va'aiga e sili atu ona ma'ale'ale i le va o vaega o le graphene.
Mo le fuaina o meatotino eletise, na matou mamanuina ai ata tifaga graphene ma pe leai foi ni fausaga o le scroll ma le faaputuga o vaega i ni fasipepa e 300-μm le lautele ma le 2000-μm le umi e faaaoga ai le photolithography. O tete'ega e lua-probe e avea o se galuega tauave o le mamafa na fuaina i lalo o tulaga o le siosiomaga. O le i ai o scrolls na faaitiitia ai le resistivity mo le monolayer graphene i le 80% ma na o le 2.2% le faaitiitia o le transmittance (fig. S4). O lenei mea e faamaonia ai o nanoscrolls, e maualuga le density o le current e oo atu i le 5 × 107 A/cm2 (38, 39), e faia ai se sao eletise lelei tele i MGGs. I totonu o mono-, bi-, ma trilayer plain graphene ma MGGs uma, o le trilayer MGG e sili ona lelei le conductance ma le transparency e toetoe lava 90%. Ina ia faʻatusatusa ma isi punaoa o le graphene o loʻo lipotia mai i tusitusiga, na matou fuaina foʻi teteʻega o le fa-probe sheet (ata S5) ma lisiina i latou o se galuega tauave o le transmittance i le 550 nm (ata S6) i le Ata 2A. O loʻo faʻaalia e le MGG le conductivity ma le transparency e tutusa pe sili atu nai lo le graphene plain multilayer faʻapipiʻi faʻapitoa ma le graphene oxide faʻaititia (RGO) (6, 8, 18). Manatua o teteʻega o le sheet o le graphene plain multilayer faʻapipiʻi faʻapitoa mai tusitusiga e fai si maualuga atu nai lo le matou MGG, atonu ona o latou tulaga tuputupu aʻe e leʻi faʻaleleia ma le auala e fesiitaʻi ai.
(A) Tete'ega o pepa e fa-probe e fa'atusatusa i le transmittance i le 550 nm mo le tele o ituaiga o graphene, lea e fa'ailoa ai sikuea uliuli mono-, bi-, ma trilayer MGGs; o li'o mumu ma tafatolu lanumoana e fetaui ma le multilayer plain graphene na totoina i luga o le Cu ma le Ni mai su'esu'ega a Li et al. (6) ma Kim et al. (8), i le faasologa lava lea, ma mulimuli ane fa'aliliuina i luga o le SiO2/Si po'o le quartz; ma o tafatolu lanumeamata o tau mo le RGO i tikeri fa'aitiitia eseese mai le su'esu'ega a Bonaccorso et al. (18). (B ma le C) Suiga fa'ale-normalized o le tete'ega o mono-, bi- ma trilayer MGGs ma le G e fai ma galuega tauave o le perpendicular (B) ma le parallel (C) strain i le itu o le tafe o le tafe. (D) Suiga fa'ale-normalized o le tete'ega o le bilayer G (mumu) ma le MGG (uliuli) i lalo o le cyclic strain loading e o'o atu i le 50% perpendicular strain. (E) Suiga fa'ale-normalized o le tete'ega o le trilayer G (mumu) ma le MGG (uliuli) i lalo o le cyclic strain loading e o'o atu i le 90% parallel strain. (F) Suiga masani o le capacitance o le mono-, bi- ma le trilayer G ma le bi- ma le trilayer MGGs o se galuega tauave o le strain. O le inset o le fausaga o le capacitor, lea o le polymer substrate o le SEBS ma le polymer dielectric layer o le 2-μm-thick SEBS.
Ina ia iloilo le fa'atinoga fa'alagolago i le fa'asolosolo o le MGG, na matou fa'aliliuina le graphene i luga o le thermoplastic elastomer styrene-ethylene-butadiene-styrene (SEBS) substrates (~2 cm le lautele ma le ~5 cm le umi), ma sa fuaina le conductivity a'o fa'aloaloa le substrate (tagai i Meafaitino ma Metotia) i le itu e tutusa ma le itu e tafe ai le tafe (Ata 2, B ma le C). Na fa'aleleia atili le amioga eletise fa'alagolago i le fa'asolosolo i le tu'ufa'atasia o nanoscrolls ma le fa'ateleina o le aofa'i o vaega o le graphene. Mo se fa'ata'ita'iga, pe a tutusa le fa'asolosolo i le tafe o le tafe, mo le monolayer graphene, o le fa'aopoopoina o scrolls na fa'ateleina ai le fa'asolosolo i le motusia o le eletise mai le 5 i le 70%. O le onosa'i i le fa'asolosolo o le trilayer graphene e fa'aleleia atili fo'i pe a fa'atusatusa i le monolayer graphene. Fa'atasi ai ma nanoscrolls, i le 100% fa'asolosolo fa'asolosolo, na'o le 50% le fa'ateleina o le tete'e o le fausaga o le trilayer MGG, pe a fa'atusatusa i le 300% mo le trilayer graphene e aunoa ma scrolls. Na su'esu'eina le suiga o le tete'e i lalo o le cyclic strain loading. Mo se faʻatusatusaga (Ata 2D), o le teteʻe o se ata graphene bilayer lamolemole na faʻateleina pe tusa ma le 7.5 taimi pe a uma le ~700 taʻamilosaga i le 50% o le faʻasolosolo faʻatulagaina ma faʻaauau pea ona faʻateleina i le faʻasolosolo i taʻamilosaga taʻitasi. I le isi itu, o le teteʻe o se MGG bilayer na faʻateleina pe tusa ma le 2.5 taimi pe a uma le ~700 taʻamilosaga. O le faʻaaogaina o le faʻasolosolo e oʻo atu i le 90% i le itu tutusa, o le teteʻe o le graphene trilayer na faʻateleina ~100 taimi pe a uma le 1000 taʻamilosaga, ae naʻo le ~8 taimi i le MGG trilayer (Ata 2E). O taunuʻuga o le cycling o loʻo faʻaalia i le ata S7. O le vave tele o le faʻateleina o le teteʻe i le itu tutusa o le faʻasolosolo ona o le faʻatulagaina o māvaevae e faʻasaga saʻo i le itu o le tafe o le eletise. O le faʻaletonu o le teteʻe i le taimi o le utaina ma le aveeseina o le faʻasolosolo e mafua mai i le viscoelastic recovery o le SEBS elastomer substrate. O le teteʻe sili atu ona mautu o MGG strips i le taimi o le cycling e mafua mai i le i ai o ni taʻavale tetele e mafai ona faʻafesoʻotaʻi vaega māvaevae o le graphene (e pei ona matauina e le AFM), e fesoasoani e faʻatumauina se auala percolating. O lenei mea na tupu i le faatumauina o le conductivity e ala i se auala percolating ua lipotia muamua mo uʻamea ua malepe poʻo ata semiconductor i luga o elastomer substrates (40, 41).
Ina ia iloiloina nei ata tifaga e faʻavae i luga o le graphene o ni gate electrodes i masini e mafai ona faʻaloaloa, na matou ufiufiina le vaega o le graphene i se vaega dielectric SEBS (2 μm le mafiafia) ma mataʻituina le suiga o le dielectric capacitance e fai ma galuega tauave o le strain (tagai i le Ata 2F ma Mea Faʻaopoopo mo faʻamatalaga auiliili). Na matou matauina o capacitances ma plain monolayer ma bilayer graphene electrodes na vave ona faʻaitiitia ona o le leiloa o le in-plane conductivity o le graphene. I se faʻatusatusaga, o capacitances na faʻamauina e MGGs faʻapea foʻi ma le plain trilayer graphene na faʻaalia ai le faʻateleina o le capacitance ma le strain, lea e faʻamoemoeina ona o le faʻaitiitia o le mafiafia o le dielectric ma le strain. O le faʻateleina o le capacitance na faʻamoemoeina na fetaui lelei ma le fausaga o le MGG (ata S8). O loʻo faʻaalia ai o le MGG e talafeagai o se gate electrode mo transistors e mafai ona faʻaloaloa.
Mo se suʻesuʻega atili i le matafaioi a le 1D graphene scroll i le onosaʻi i le faʻalavelave o le eletise ma le pulea lelei o le vaeluaga i le va o vaega o le graphene, na matou faʻaaogaina ai CNTs ua valiina e sui ai graphene scrolls (tagai i Mea Faʻaopoopo). Mo le faʻataʻitaʻiina o fausaga MGG, na matou faʻapipiʻiina ai ni densities se tolu o CNTs (o lona uiga, CNT1
(A i le C) Ata AFM o mafiafia eseese e tolu o CNT (CNT1
Ina ia malamalama atili i lo latou gafatia o ni eletise mo mea eletise e mafai ona fa'aloaloa, na matou su'esu'eina ma le fa'aeteete foliga o MGG ma le G-CNT-G i lalo o le mamafa. O le microscopy optical ma le scanning electron microscopy (SEM) e le o ni metotia fa'ailoaina lelei ona e leai ni lanu eseese ma e mafai ona va'aia le SEM i ata i le taimi o le scanning electron pe a iai le graphene i luga o substrates polymer (ata S9 ma le S10). Ina ia mata'ituina i totonu o le graphene o lo'o i lalo o le mamafa, na matou aoina fua o le AFM i luga o le trilayer MGGs ma le graphene masani ina ua uma ona fa'aliliuina i luga o substrates SEBS manifinifi (~0.1 mm le mafiafia) ma elastic. Ona o fa'aletonu i totonu o le CVD graphene ma fa'aleagaina mai fafo i le taimi o le fa'agasologa o le fa'aliliuina, e mafua ai ona tupu ni mavaevae i luga o le graphene ua fa'aloaloa, ma fa'atasi ai ma le fa'ateleina o le mamafa, na fa'ateleina ai mavaevae (Ata 4, A i le D). E fa'atatau i le fausaga fa'aputu o eletise e fa'avae i le carbon, o mavaevae e fa'aalia ai foliga eseese (ata S11) (27). O le mafiafia o le vaega o le māvaevae (fa'amatalaina o le vaega o le māvaevae/vaega ua su'esu'eina) o le graphene e tele vaega e itiiti ifo nai lo le graphene e tasi vaega pe a uma le fa'amama, lea e ogatasi ma le fa'ateleina o le fa'aola eletise mo MGG. I le isi itu, e masani ona matauina o lo'o fa'apipi'i solo ia māvaevae, ma maua ai ni auala fa'aopoopo e fa'aola ai i le ata tifaga ua fa'amama. Mo se fa'ata'ita'iga, e pei ona fa'ailogaina i le ata o le Ata 4B, o se solo lautele na sopo'ia se māvaevae i le MGG e tolu vaega, ae leai se solo na matauina i le graphene masani (Ata 4, E i le H). I se tulaga tutusa, o CNT na fa'apipi'i fo'i māvaevae i le graphene (ata S11). O le mafiafia o le vaega o le māvaevae, le mafiafia o le vaega o le solo, ma le ma'a'a o ata tifaga o lo'o aoteleina i le Ata 4K.
(A i le H) Ata AFM i totonu o le nofoaga o ta'avili trilayer G/G (A i le D) ma fausaga trilayer G (E i le H) i luga o se elastomer manifinifi SEBS (~0.1 mm le mafiafia) i le 0, 20, 60, ma le 100% le mamafa. O māvaevae ma ta'avili fa'atusa e fa'asino i aū. O ata AFM uma o lo'o i totonu o se vaega e 15 μm × 15 μm, e fa'aaoga ai le pa lanu tutusa e pei ona fa'ailogaina. (I) Fa'ata'ita'iga o le geometry o electrodes graphene monolayer fa'ata'ita'i i luga o le substrate SEBS. (J) Fa'ata'ita'iga o le fa'afanua o le logarithmic maximal principal strain i le monolayer graphene ma le substrate SEBS i le 20% o le mamafa i fafo. (K) Fa'atusatusaga o le mafiafia o le vaega o māvaevae (koluma mumu), mafiafia o le vaega o ta'avili (koluma samasama), ma le roughness o le fogaeleele (koluma lanumoana) mo fausaga eseese o graphene.
A fa'aloaloa ata tifaga MGG, e iai se isi auala taua e mafai ai e ta'avale ona fa'afeso'ota'i vaega ua māvaevae o le graphene, ma fa'atumauina ai se feso'ota'iga e sosolo ai. E foliga mai e manuia ta'avale graphene auā e mafai ona sefulu micrometers le umi ma o lea e mafai ai ona fa'afeso'ota'i māvaevae e masani ona o'o atu i le lapopo'a micrometer. E le gata i lea, ona o ta'avale e aofia ai le tele o vaega o le graphene, e fa'amoemoeina e maualalo lo latou tete'e. I le fa'atusatusaga, e mana'omia feso'ota'iga CNT mafiafia (maualalo le fesiita'iga) e tu'uina atu ai le gafatia tutusa e fa'afeso'ota'i ai le eletise, auā e laiti CNTs (e masani lava o ni nai micrometers le umi) ma e itiiti le fesiita'iga nai lo ta'avale. I le isi itu, e pei ona fa'aalia i le ata S12, e ui o le graphene e māvaevae i le taimi e fa'aloaloa ai e fa'afetaui ai le mamafa, ae e le māvaevae ta'avale, e fa'ailoa mai ai atonu o lo'o se'e le graphene i lalo ifo. O le mafuaʻaga e lē malepe ai e foliga mai ona o le fausaga ua afifiina, e aofia ai le tele o vaega o le graphene (~1 i le 2 0 μm le umi, ~0.1 i le 1 μm le lautele, ma le ~10 i le 100 nm le maualuga), lea e sili atu le modulus aoga nai lo le graphene e tasi le vaega. E pei ona lipotia mai e Green ma Hersam (42), o fesoʻotaʻiga CNT uʻamea (le lautele o le paipa e 1.0 nm) e mafai ona ausia ni teteʻe maualalo i le pepa <100 ohms/sq e ui lava i le teteʻe tele o le fesoʻotaʻiga i le va o CNT. I le mafaufauina o a tatou graphene scrolls e 0.1 i le 1 μm le lautele ma o le G/G scrolls e sili atu le tele o vaega o fesoʻotaʻiga nai lo CNTs, o le teteʻe o fesoʻotaʻiga ma le vaega o fesoʻotaʻiga i le va o le graphene ma graphene scrolls e le tatau ona avea ma mea e faʻatapulaʻaina ai le faʻatumauina o le maualuga o le conductivity.
E sili atu le maualuga o le modulus o le graphene nai lo le SEBS substrate. E ui o le mafiafia aoga o le graphene electrode e matua maualalo ifo nai lo le substrate, o le malosi o le graphene fa'atele lona mafiafia e tutusa ma le substrate (43, 44), ma iu ai i se aafiaga o le motu faigata. Na matou fa'ata'ita'iina le fa'aleagaina o le graphene e 1-nm le mafiafia i luga o le SEBS substrate (tagai i Mea Fa'aopoopo mo fa'amatalaga auiliili). E tusa ai ma taunu'uga o le fa'ata'ita'iga, pe a fa'aogaina le 20% o le fa'alavelave i le SEBS substrate i fafo, o le averesi o le fa'alavelave i le graphene e ~6.6% (Ata 4J ma le ata S13D), lea e ogatasi ma matauga fa'ata'ita'i (tagai i le ata S13). Na matou fa'atusatusaina le fa'alavelave i totonu o le graphene ma vaega o le substrate e fa'aaoga ai le microscopy opitika ma maua ai le fa'alavelave i le vaega o le substrate e le itiiti ifo ma le faaluaina o le fa'alavelave i le vaega o le graphene. O lo'o fa'aalia ai o le fa'alavelave e fa'aogaina i mamanu o le graphene electrode e mafai ona matua fa'atapula'aina, ma fausia ai ni motu faigata o le graphene i luga o le SEBS (26, 43, 44).
O le mea lea, o le gafatia o MGG electrodes e faatumauina ai le maualuga o le conductivity i lalo o le mamafa tele e foliga mai e mafai ona faia e ala i ni auala tetele se lua: (i) E mafai e scrolls ona faʻafesoʻotaʻi vaega ua motusia e faatumauina ai se auala percolation conductive, ma le (ii) e mafai ona see le tele o vaega o le graphene sheets/elastomer i luga o le tasi ma le isi, ma iu ai ina faaitiitia le mamafa i luga o graphene electrodes. Mo le tele o vaega o le graphene ua faaliliuina i luga o le elastomer, e le o pipii malosi vaega, lea e ono see pe a tali atu i le mamafa (27). Na faateleina foi e scrolls le mageso o vaega o le graphene, lea e ono fesoasoani e faateleina le vaeluaga i le va o vaega o le graphene ma o lea e mafai ai ona see vaega o le graphene.
O masini uma-carbon e matuā sailia ma le naunautai ona o le taugofie ma le maualuga o le gaosiga. I la matou mataupu, o transistors uma-carbon na gaosia e faʻaaoga ai se faitotoa graphene pito i lalo, se fesoʻotaʻiga puna/faʻamamago o le graphene pito i luga, se semiconductor CNT ua faʻavasegaina, ma le SEBS o se dielectric (Ata 5A). E pei ona faʻaalia i le Ata 5B, o se masini uma-carbon ma CNT o le puna/faʻamamago ma le faitotoa (masini pito i lalo) e sili atu le opaque nai lo le masini ma electrodes graphene (masini pito i luga). E mafua ona o fesoʻotaʻiga CNT e manaʻomia ai ni mafiafia tetele ma, o le mea lea, maualalo le faʻasalalauga opitika e ausia ai teteʻega o pepa e tutusa ma le graphene (ata S4). O le Ata 5 (C ma le D) o loʻo faʻaalia ai le faʻaliliuga faʻatusa ma le faʻasologa o le output aʻo leʻi faia le strain mo se transistor na faia i electrodes bilayer MGG. O le lautele o le auala ma le umi o le transistor e leʻi faʻamalosia e 800 ma le 100 μm, i le faasologa. O le fua faatatau o le on/off na fuaina e sili atu nai lo le 103 ma tafega i luga ma fafo i le tulaga o le 10−5 ma le 10−8 A, i le faasologa. O le pi'o o le fa'ai'uga o lo'o fa'aalia ai faiga fa'atulagaina lelei ma fa'asusu ma le fa'alagolago manino i le faitoto'a-voltage, e fa'aalia ai le feso'ota'iga lelei i le va o CNT ma electrodes graphene (45). O le tete'e o feso'ota'iga ma electrodes graphene na matauina e maualalo ifo nai lo le ata Au ua fa'amamago (tagai i le ata S14). O le saturation mobility o le transistor e mafai ona fa'aloaloa e tusa ma le 5.6 cm2/Vs, e tutusa ma le tutusa o le polymer-sorted CNT transistors i luga o substrates Si ma'a'a ma le 300-nm SiO2 o se vaega dielectric. O le fa'aleleia atili o le mobility e mafai ona faia i le fa'aleleia atili o le mafiafia o le paipa ma isi ituaiga o paipa (46).
(A) Fuafuaga o le transistor e mafai ona fa'aloaloa e fa'avae i luga o le graphene. SWNTs, nanotubes kaponi e tasi le puipui. (B) Ata o transistor e mafai ona fa'aloaloa e faia i electrodes graphene (pito i luga) ma electrodes CNT (pito i lalo). O le eseesega i le manino e manino lava. (C ma le D) Pi'o o le fesiitaiga ma le fa'aulufalega o le transistor e fa'avae i luga o le graphene i luga o le SEBS a'o le'i faia le fa'alavelave. (E ma le F) Pi'o o le fesiitaiga, tafega o le eletise i luga ma le tape, fua fa'atatau o le eletise i luga/tape, ma le fe'avea'i o le transistor e fa'avae i luga o le graphene i ituaiga eseese.
Ina ua fa'aloaloa le masini manino, e atoa le kaponi i le itu e tutusa ma le itu e feavea'i ai le mamafa, e la'ititi lava le fa'aleagaina na matauina e o'o atu i le 120% o le fa'alavelave. I le taimi o le fa'aloaloa, e fa'aauau pea ona fa'aitiitia le fe'avea'i mai le 5.6 cm2/Vs i le 0% o le fa'alavelave i le 2.5 cm2/Vs i le 120% o le fa'alavelave (Ata 5F). Na matou fa'atusatusaina fo'i le fa'atinoga o le transistor mo le umi eseese o alavai (tagai i le laulau S1). E maitauina, i se fa'alavelave e o'o atu i le 105%, o nei transistors uma lava na fa'aalia pea le maualuga o le fua fa'atatau o le on/off (>103) ma le fe'avea'i (>3 cm2/Vs). E le gata i lea, na matou aoteleina uma galuega talu ai nei i transistors uma-kaponi (tagai i le laulau S2) (47–52). I le fa'aleleia atili o le gaosiga o masini i luga o elastomers ma le fa'aaogaina o MGGs o ni feso'ota'iga, o a matou transistors uma-kaponi e fa'aalia ai le fa'atinoga lelei i tulaga o le fe'avea'i ma le hysteresis fa'apea fo'i ma le matua'i fa'aloaloa.
I le avea ai o se faʻaaogaina o le transistor e manino atoatoa ma faʻaloaloa, na matou faʻaaogaina e pulea ai le fesuiaʻiga o le LED (Ata 6A). E pei ona faʻaalia i le Ata 6B, e mafai ona vaʻaia manino le LED lanumeamata e ala i le masini e mafai ona faʻaloaloa uma-carbon o loʻo tuʻu saʻo i luga. E ui ina faʻaloaloa i le ~100% (Ata 6, C ma le D), e le suia le malosi o le malamalama o le LED, lea e ogatusa ma le faʻatinoga o le transistor o loʻo faʻamatalaina i luga (tagai i le ata tifaga S1). O le lipoti muamua lea o iunite pulea e mafai ona faʻaloaloa na faia e faʻaaoga ai electrodes graphene, o loʻo faʻaalia ai se avanoa fou mo mea eletise e mafai ona faʻaloaloa graphene.
(A) Matagaluega o se transistor e fa'agaoioi ai le LED. GND, eleele. (B) Ata o le transistor carbon-uma e mafai ona fa'aloaloa ma manino i le 0% strain ua fa'apipi'i i luga a'e o se LED lanumeamata. (C) O le transistor carbon-uma e manino ma fa'aloaloa e fa'aaoga e sui ai le LED o lo'o fa'apipi'i i luga a'e o le LED i le 0% (agavale) ma le ~100% strain (taumatau). O aū pa'epa'e e fa'asino i fa'ailoga samasama i luga o le masini e fa'aalia ai le suiga o le mamao o lo'o fa'aloaloa. (D) Va'aiga i le itu o le transistor ua fa'aloaloa, fa'atasi ai ma le LED ua tuleia i totonu o le elastomer.
I le faaiuga, ua matou atiaeina se fausaga manino o le graphene e faʻatautaia ai le eletise e faatumauina ai le maualuga o le faʻatautaia i lalo o ni faʻalavelave tetele e pei o ni eletise e mafai ona faʻaloaloa, e mafai ona faia e graphene nanoscrolls i le va o vaega o le graphene ua faʻaputuina. O nei fausaga o le MGG bi- ma le trilayer i luga o se elastomer e mafai ona faatumauina le 21 ma le 65%, i le faasologa, o latou faʻatautaia o le eletise e 0% i se faʻalavelave e maualuga atu i le 100%, pe a faʻatusatusa i le leiloa atoa o le faʻatautaia i le 5% faʻalavelave mo eletise graphene monolayer masani. O auala faʻaopoopo o le faʻatautaia o graphene scrolls faʻapea foʻi ma le vaivai o fegalegaleaiga i le va o vaega ua faʻaliliuina e fesoasoani i le mautu sili atu o le faʻatautaia i lalo o le faʻalavelave. Na matou faʻaaogaina atili lenei fausaga graphene e fausia ai transistors e mafai ona faʻaloaloa uma-carbon. Seia oʻo mai i le taimi nei, o le transistor sili lea ona faʻaloaloa e faʻavae i luga o le graphene ma le manino sili ona lelei e aunoa ma le faʻaaogaina o le buckling. E ui o le suʻesuʻega o loʻo iai nei na faia e faʻatagaina ai le graphene mo mea eletise e mafai ona faʻaloaloa, matou te talitonu o lenei auala e mafai ona faʻalauteleina i isi mea 2D e faʻatagaina ai mea eletise 2D e mafai ona faʻaloaloa.
Sa totoina le graphene CVD tele-vaega i luga o pepa Cu tautau (99.999%; Alfa Aesar) i lalo o le mamafa faifai pea o le 0.5 mtorr faatasi ai ma le 50–SCCM (senitimita kupita masani i le minute) CH4 ma le 20–SCCM H2 o ni mea muamua i le 1000°C. O itu uma e lua o le pepa Cu sa ufiufiina i le graphene monolayer. O se vaega manifinifi o le PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) sa viliina i le tasi itu o le pepa Cu, ma fausia ai se fausaga PMMA/G/Cu foil/G. Mulimuli ane, sa faasusu le ata atoa i le 0.1 M ammonium persulfate [(NH4)2S2O8] mo le tusa ma le 2 itula e aveese ai le pepa Cu. I le taimi o lenei faagasologa, o le graphene i tua e le'i puipuia na muamua saeia i luga o tuaoi o fatu ona afifi lea i luga i ni tusi taai ona o le mamafa o le fogaeleele. Sa faapipiiina tusi taai i luga o le ata graphene pito i luga e lagolagoina e le PMMA, ma fausia ai ni tusi taai PMMA/G/G. Ona fufuluina lea o ata tifaga i le vai fa'amamago i ni nai taimi ma fa'ata'atia i luga o se mea fa'apitoa, e pei o se SiO2/Si malosi po'o se mea fa'apipi'i palasitika. O le taimi lava e mago ai le ata tifaga ua fa'apipi'i i luga o le mea fa'apipi'i, ona fa'asusu lea o le fa'ata'ita'iga i le acetone, 1:1 acetone/IPA (isopropyl alcohol), ma le IPA mo le 30 sekone ta'itasi e aveese ai le PMMA. Na fa'avevela ata tifaga i le 100°C mo le 15 minute pe tu'u i totonu o se masini e aveese atoa ai le vai ua maileia a'o le'i fa'aopoopoina i ai se isi vaega o le G/G scroll. O lenei la'asaga o le 'alofia lea o le vavae'eseina o le ata tifaga graphene mai le mea fa'apipi'i ma ia mautinoa le ufiufi atoa o MGGs i le taimi e fa'asa'oloto ai le vaega feavea'i PMMA.
Sa matauina le morphology o le fausaga MGG e faʻaaoga ai se optical microscope (Leica) ma se scanning electron microscope (1 kV; FEI). Sa faʻagaoioia se atomic force microscope (Nanoscope III, Digital Instrument) i le tapping mode e mataʻituina ai faʻamatalaga o le G scrolls. Sa faʻataʻitaʻiina le manino o le ata tifaga e se ultraviolet-visible spectrometer (Agilent Cary 6000i). Mo suʻega pe a i ai le strain i le itu faʻatulagaina o le tafe o le tafe, sa faʻaaogaina le photolithography ma le O2 plasma e faʻataʻitaʻi ai fausaga graphene i ni fasipepa (~300 μm lautele ma ~2000 μm le umi), ma sa faʻapipiʻiina faʻavevela electrodes Au (50 nm) e faʻaaoga ai shadow masks i pito uma e lua o le itu umi. Ona faʻapipiʻi lea o fasipepa graphene i se SEBS elastomer (~2 cm lautele ma ~5 cm le umi), faʻatasi ai ma le long axis o fasipepa e tutusa ma le itu puʻupuʻu o le SEBS ona sosoo ai lea ma le BOE (buffered oxide etch) (HF:H2O 1:6) etching ma le eutectic gallium indium (EGaIn) o ni fesoʻotaʻiga eletise. Mo suega fa'asolosolo tutusa, o fausaga graphene e le'i fa'atulagaina (~5 × 10 mm) na fa'aliliuina i luga o substrates SEBS, fa'atasi ai ma 'au uumi e tutusa ma le itu umi o le substrate SEBS. Mo tulaga uma e lua, o le G atoa (e aunoa ma G scrolls)/SEBS na fa'aloaloa i le itu umi o le elastomer i totonu o se masini fa'aoga lima, ma i le tulaga sa i ai, na matou fuaina ai a latou suiga o le tete'e i lalo o le fa'asolosolo i luga o se nofoaga su'esu'e ma se semiconductor analyzer (Keithley 4200-SCS).
O transistors carbon-all e matua fa'aloaloa ma manino i luga o se substrate elastic na gaosia e ala i faiga nei e aloese ai mai le fa'aleagaina o le organic solvent o le polymer dielectric ma le substrate. Na fa'aliliuina fausaga MGG i luga o le SEBS o ni gate electrodes. Ina ia maua se vaega manifinifi o le polymer dielectric (2 μm le mafiafia), o se SEBS toluene (80 mg/ml) solution na viliina i luga o se octadecyltrichlorosilane (OTS)–modified SiO2/Si substrate i le 1000 rpm mo le 1 minute. O le dielectric film manifinifi e mafai ona fa'aliliuina faigofie mai le hydrophobic OTS surface i luga o le SEBS substrate ua ufiufiina i le graphene ua saunia. E mafai ona faia se capacitor e ala i le teuina o se liquid-metal (EGaIn; Sigma-Aldrich) top electrode e fuafua ai le capacitance o se galuega tauave o le strain e fa'aaoga ai se mita LCR (inductance, capacitance, resistance) (Agilent). O le isi vaega o le transistor e aofia ai polymer-sorted semiconducting CNTs, mulimuli i faiga na lipotia muamua (53). O eletise fa'apuna/fa'amamago ua mamanuina sa faia i luga o mea fa'apipi'i SiO2/Si malō. Mulimuli ane, o vaega e lua, o le dielectric/G/SEBS ma le CNTs/fa'apipi'i G/SiO2/Si, sa fa'apipi'i le tasi i le isi, ma fa'asusu i le BOE e aveese ai le mea fa'apipi'i SiO2/Si malō. O lea la, sa faia ai transistors e manino atoatoa ma mafai ona fa'aloaloa. O le su'ega eletise i lalo o le mamafa sa faia i luga o se fa'atulagaga fa'aloaloa lima e pei o le metotia ua ta'ua muamua.
O lo'o maua mea fa'aopoopo mo lenei tusiga i le http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
ata S1. Ata o le microscopy opitika o le monolayer MGG i luga o substrates SiO2/Si i fa'alautelega eseese.
ata S4. Fa'atusatusaga o tete'ega ma fesiita'iga o pepa e lua-probe @550 nm o le mono-, bi- ma le trilayer plain graphene (sikuea uliuli), MGG (li'o mumu), ma CNTs (tafatolu lanumoana).
ata S7. Suiga masani o le tete'e o le mono- ma le bilayer MGGs (uliuli) ma le G (mumu) i lalo o le ~1000 cyclic strain loading e o'o atu i le 40 ma le 90% parallel strain, i le faasologa.
ata S10. Ata SEM o le trilayer MGG i luga o le SEBS elastomer ina ua maeʻa le faʻamaʻiina, o loʻo faʻaalia ai se koluse faʻasolosolo umi i luga o ni māvaevae se tele.
ata S12. Ata AFM o le trilayer MGG i luga o le SEBS elastomer manifinifi tele i le 20% strain, o loʻo faʻaalia ai o se tusi taʻavale na sopoʻia se māvaevae.
laulau S1. Fe'avea'iga o transistors nanotube carbon bilayer MGG–single-walled i umi eseese o alavai a'o le'i faia ma ina ua mae'a le fa'alavelave.
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Saunia e 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 American Association for the Advancement of Science. Ua taofia aia tatau uma. AAAS ose paaga a HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef ma COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.