అల్ట్రాపారదర్శక మరియు సాగదీయగల గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్లు

గ్రాఫేన్ వంటి ద్వి-మితీయ పదార్థాలు, సంప్రదాయ సెమీకండక్టర్ అప్లికేషన్‌లు మరియు ఫ్లెక్సిబుల్ ఎలక్ట్రానిక్స్‌లోని నాసెంట్ అప్లికేషన్‌లు రెండింటికీ ఆకర్షణీయంగా ఉంటాయి. అయినప్పటికీ, గ్రాఫేన్ యొక్క అధిక తన్యత బలం తక్కువ ఒత్తిడితో విరిగిపోతుంది, సాగదీయగల ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో దాని అసాధారణ ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాలను సద్వినియోగం చేసుకోవడం సవాలుగా మారుతుంది. పారదర్శక గ్రాఫేన్ కండక్టర్ల యొక్క అద్భుతమైన స్ట్రెయిన్-ఆధారిత పనితీరును ప్రారంభించడానికి, మేము బహుళస్థాయి గ్రాఫేన్/గ్రాఫేన్ స్క్రోల్స్ (MGGలు)గా సూచించబడే పేర్చబడిన గ్రాఫేన్ పొరల మధ్య గ్రాఫేన్ నానోస్క్రోల్‌లను సృష్టించాము. ఒత్తిడిలో, కొన్ని స్క్రోల్‌లు పెర్కోలేటింగ్ నెట్‌వర్క్‌ను నిర్వహించడానికి గ్రాఫేన్ యొక్క ఫ్రాగ్మెంటెడ్ డొమైన్‌లను వంతెన చేస్తాయి, ఇది అధిక జాతుల వద్ద అద్భుతమైన వాహకతను అనుమతిస్తుంది. ఎలాస్టోమర్‌లపై మద్దతిచ్చే ట్రైలేయర్ MGGలు వాటి అసలు వాహకతలో 65%ని 100% స్ట్రెయిన్ వద్ద నిలుపుకున్నాయి, ఇది ప్రస్తుత ప్రవాహం యొక్క దిశకు లంబంగా ఉంటుంది, అయితే నానోస్క్రోల్స్ లేని గ్రాఫేన్ యొక్క ట్రైలేయర్ ఫిల్మ్‌లు వాటి ప్రారంభ ప్రవర్తనలో 25% మాత్రమే నిలుపుకున్నాయి. MGGలను ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా ఉపయోగించి రూపొందించబడిన సాగదీయగల ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్> 90% ప్రసారాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది మరియు దాని అసలు కరెంట్ అవుట్‌పుట్‌లో 60% 120% స్ట్రెయిన్‌లో (ఛార్జ్ ట్రాన్స్‌పోర్ట్ దిశకు సమాంతరంగా) నిలుపుకుంది. ఈ అత్యంత సాగదీయగల మరియు పారదర్శకమైన ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు అధునాతన సాగదీయగల ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్‌ను ప్రారంభించగలవు.
సాగదీయగల పారదర్శక ఎలక్ట్రానిక్స్ అనేది అధునాతన బయోఇంటిగ్రేటెడ్ సిస్టమ్‌లలో (1, 2) ముఖ్యమైన అప్లికేషన్‌లను కలిగి ఉంది, అలాగే అధునాతన సాఫ్ట్ రోబోటిక్‌లు మరియు డిస్‌ప్లేలను ఉత్పత్తి చేయడానికి సాగదీయగల ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్స్ (3, 4)తో ఏకీకృతం చేయగల సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంది. గ్రాఫేన్ పరమాణు మందం, అధిక పారదర్శకత మరియు అధిక వాహకత యొక్క అత్యంత కావాల్సిన లక్షణాలను ప్రదర్శిస్తుంది, అయితే సాగదీయగల అనువర్తనాల్లో దాని అమలు చిన్న జాతుల వద్ద పగుళ్లు ఏర్పడే ధోరణి ద్వారా నిరోధించబడింది. గ్రాఫేన్ యొక్క యాంత్రిక పరిమితులను అధిగమించడం ద్వారా సాగదీయగల పారదర్శక పరికరాలలో కొత్త కార్యాచరణను ప్రారంభించవచ్చు.
గ్రాఫేన్ యొక్క ప్రత్యేక లక్షణాలు తరువాతి తరం పారదర్శక వాహక ఎలక్ట్రోడ్‌లకు (5, 6) బలమైన అభ్యర్థిని చేస్తాయి. అత్యంత సాధారణంగా ఉపయోగించే పారదర్శక కండక్టర్‌తో పోలిస్తే, ఇండియమ్ టిన్ ఆక్సైడ్ [ITO; 100 ఓంలు/చదరపు (చదరపు) 90% పారదర్శకత ], రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD) ద్వారా పెరిగిన మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ షీట్ నిరోధకత (125 ఓం/చదరపు) మరియు పారదర్శకత (97.4%) (5) యొక్క సారూప్య కలయికను కలిగి ఉంటుంది. అదనంగా, ITO (7)తో పోలిస్తే గ్రాఫేన్ ఫిల్మ్‌లు అసాధారణమైన సౌలభ్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి. ఉదాహరణకు, ప్లాస్టిక్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై, 0.8 మిమీ (8) కంటే తక్కువ వంపు వంపు వ్యాసార్థం కోసం కూడా దాని వాహకతను నిలుపుకోవచ్చు. పారదర్శక అనువైన కండక్టర్‌గా దాని విద్యుత్ పనితీరును మరింత మెరుగుపరచడానికి, మునుపటి రచనలు ఒక డైమెన్షనల్ (1D) సిల్వర్ నానోవైర్లు లేదా కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు (CNTలు) (9–11)తో గ్రాఫేన్ హైబ్రిడ్ పదార్థాలను అభివృద్ధి చేశాయి. అంతేకాకుండా, గ్రాఫేన్ మిశ్రమ డైమెన్షనల్ హెటెరోస్ట్రక్చరల్ సెమీకండక్టర్స్ (2D బల్క్ Si, 1D నానోవైర్లు/నానోట్యూబ్‌లు మరియు 0D క్వాంటం డాట్‌లు వంటివి) (12), ఫ్లెక్సిబుల్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు, సౌర ఘటాలు మరియు కాంతి-ఉద్గార డయోడ్‌లు (LEDలు) (13) కోసం ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా ఉపయోగించబడింది. –23).
అనువైన ఎలక్ట్రానిక్స్ కోసం గ్రాఫేన్ మంచి ఫలితాలను చూపించినప్పటికీ, సాగదీయగల ఎలక్ట్రానిక్స్‌లో దాని అప్లికేషన్ దాని యాంత్రిక లక్షణాల ద్వారా పరిమితం చేయబడింది (17, 24, 25); గ్రాఫేన్ విమానంలో దృఢత్వం 340 N/m మరియు యంగ్స్ మాడ్యులస్ 0.5 TPa (26). బలమైన కార్బన్-కార్బన్ నెట్‌వర్క్ అనువర్తిత స్ట్రెయిన్‌కు ఎటువంటి శక్తి వెదజల్లే మెకానిజమ్‌లను అందించదు మరియు అందువల్ల 5% కంటే తక్కువ స్ట్రెయిన్ వద్ద వెంటనే పగుళ్లు ఏర్పడతాయి. ఉదాహరణకు, పాలీడిమెథైల్సిలోక్సేన్ (PDMS) సాగే సబ్‌స్ట్రేట్‌లోకి బదిలీ చేయబడిన CVD గ్రాఫేన్ దాని వాహకతను 6% స్ట్రెయిన్ (8) కంటే తక్కువ వద్ద మాత్రమే నిర్వహించగలదు. వివిధ పొరల మధ్య నలిగిన మరియు పరస్పర చర్య దృఢత్వాన్ని బలంగా తగ్గిస్తుందని సైద్ధాంతిక లెక్కలు చూపిస్తున్నాయి (26). గ్రాఫేన్‌ను బహుళ పొరలుగా పేర్చడం ద్వారా, ఈ ద్వి- లేదా ట్రైలేయర్ గ్రాఫేన్ 30% స్ట్రెయిన్‌కు సాగుతుందని నివేదించబడింది, మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ (27) కంటే 13 రెట్లు చిన్న నిరోధక మార్పును ప్రదర్శిస్తుంది. అయినప్పటికీ, ఈ సాగతీత ఇప్పటికీ స్టేట్ ఆఫ్ ది ఆర్ట్ స్ట్రెచబుల్ సి అండక్టర్స్ (28, 29) కంటే చాలా తక్కువగా ఉంది.
సాగదీయగల అప్లికేషన్‌లలో ట్రాన్సిస్టర్‌లు ముఖ్యమైనవి ఎందుకంటే అవి అధునాతన సెన్సార్ రీడౌట్ మరియు సిగ్నల్ విశ్లేషణను ప్రారంభిస్తాయి (30, 31). మూలాధారం/డ్రెయిన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు మరియు ఛానెల్ మెటీరియల్‌గా బహుళస్థాయి గ్రాఫేన్‌తో PDMSపై ట్రాన్సిస్టర్‌లు 5% స్ట్రెయిన్ (32) వరకు విద్యుత్ పనితీరును నిర్వహించగలవు, ఇది ధరించగలిగే ఆరోగ్య పర్యవేక్షణ సెన్సార్‌లు మరియు ఎలక్ట్రానిక్ స్కిన్‌లకు అవసరమైన కనీస విలువ (~50%) కంటే గణనీయంగా తక్కువగా ఉంటుంది. 33, 34). ఇటీవల, గ్రాఫేన్ కిరిగామి విధానం అన్వేషించబడింది మరియు లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ ద్వారా గేట్ చేయబడిన ట్రాన్సిస్టర్‌ను 240% (35) వరకు విస్తరించవచ్చు. అయినప్పటికీ, ఈ పద్ధతికి సస్పెండ్ చేయబడిన గ్రాఫేన్ అవసరం, ఇది కల్పన ప్రక్రియను క్లిష్టతరం చేస్తుంది.
ఇక్కడ, గ్రాఫేన్ పొరల మధ్య గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌లను (~ 1 నుండి 20 μm పొడవు, ~ 0.1 నుండి 1 μm వెడల్పు మరియు ~ 10 నుండి 100 nm ఎత్తు వరకు) ఇంటర్‌కలేట్ చేయడం ద్వారా మేము చాలా సాగదీయగల గ్రాఫేన్ పరికరాలను సాధించాము. ఈ గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌లు గ్రాఫేన్ షీట్‌లలో వంతెన పగుళ్లకు వాహక మార్గాలను అందించగలవని మేము ఊహిస్తున్నాము, తద్వారా ఒత్తిడిలో అధిక వాహకతను నిర్వహిస్తుంది. గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌లకు అదనపు సంశ్లేషణ లేదా ప్రక్రియ అవసరం లేదు; తడి బదిలీ ప్రక్రియలో అవి సహజంగా ఏర్పడతాయి. బహుళస్థాయి G/G (గ్రాఫేన్/గ్రాఫేన్) స్క్రోల్‌లు (MGGలు) గ్రాఫేన్ సాగదీయగల ఎలక్ట్రోడ్‌లు (మూలం/డ్రెయిన్ మరియు గేట్) మరియు సెమీకండక్టింగ్ CNTలను ఉపయోగించడం ద్వారా, మేము 120 వరకు విస్తరించగలిగే అత్యంత పారదర్శకమైన మరియు అత్యంత సాగదీయగల ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లను ప్రదర్శించగలిగాము. % స్ట్రెయిన్ (ఛార్జ్ ట్రాన్స్‌పోర్ట్ దిశకు సమాంతరంగా) మరియు వాటి అసలు కరెంట్ అవుట్‌పుట్‌లో 60 % ని కలిగి ఉంటుంది. ఇది ఇప్పటివరకు చాలా సాగదీయగల పారదర్శక కార్బన్-ఆధారిత ట్రాన్సిస్టర్, మరియు ఇది అకర్బన LEDని నడపడానికి తగినంత కరెంట్‌ను అందిస్తుంది.
పెద్ద-ప్రాంతం పారదర్శకంగా సాగే గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లను ప్రారంభించడానికి, మేము Cu రేకుపై CVD-పెరిగిన గ్రాఫేన్‌ను ఎంచుకున్నాము. Cu రేకు CVD క్వార్ట్జ్ ట్యూబ్ మధ్యలో సస్పెండ్ చేయబడింది, తద్వారా రెండు వైపులా గ్రాఫేన్ వృద్ధి చెందుతుంది, ఇది G/Cu/G నిర్మాణాలను ఏర్పరుస్తుంది. గ్రాఫేన్‌ను బదిలీ చేయడానికి, గ్రాఫేన్‌లోని ఒక వైపును రక్షించడానికి మేము మొదట పాలీ (మిథైల్ మెథాక్రిలేట్) (PMMA) యొక్క పలుచని పొరను స్పిన్-కోట్ చేసాము, దీనికి మేము టాప్‌సైడ్ గ్రాఫేన్ అని పేరు పెట్టాము (గ్రాఫేన్ యొక్క మరొక వైపుకు విరుద్ధంగా) మరియు తరువాత, మొత్తం ఫిల్మ్ (PMMA/టాప్ గ్రాఫేన్/Cu/బాటమ్ గ్రాఫేన్)ని (NH4)2S2O8 ద్రావణంలో నానబెట్టి, Cu రేకును తొలగించారు. PMMA పూత లేకుండా దిగువ-వైపు గ్రాఫేన్ తప్పనిసరిగా పగుళ్లు మరియు లోపాలను కలిగి ఉంటుంది, ఇది ఒక ఎచాంట్ (36, 37) ద్వారా చొచ్చుకుపోయేలా చేస్తుంది. అంజీర్ 1Aలో ఉదహరించబడినట్లుగా, ఉపరితల ఉద్రిక్తత ప్రభావంతో, విడుదలైన గ్రాఫేన్ డొమైన్‌లు స్క్రోల్‌లుగా చుట్టబడతాయి మరియు తరువాత మిగిలిన టాప్-G/PMMA ఫిల్మ్‌కి జోడించబడతాయి. టాప్-G/G స్క్రోల్‌లు SiO2/Si, గాజు లేదా సాఫ్ట్ పాలిమర్ వంటి ఏదైనా సబ్‌స్ట్రేట్‌కి బదిలీ చేయబడతాయి. ఈ బదిలీ ప్రక్రియను ఒకే ఉపరితలంపై అనేకసార్లు పునరావృతం చేయడం MGG నిర్మాణాలను అందిస్తుంది.
(A) MGGల కోసం ఫాబ్రికేషన్ విధానం యొక్క స్కీమాటిక్ ఇలస్ట్రేషన్ ఒక సాగదీయగల ఎలక్ట్రోడ్‌గా. గ్రాఫేన్ బదిలీ సమయంలో, Cu రేకుపై ఉన్న బ్యాక్‌సైడ్ గ్రాఫేన్ సరిహద్దులు మరియు లోపాల వద్ద విరిగిపోయి, ఏకపక్ష ఆకారాలుగా చుట్టబడి, పై చిత్రాలపై గట్టిగా జోడించబడి, నానోస్క్రోల్‌లను ఏర్పరుస్తుంది. నాల్గవ కార్టూన్ పేర్చబడిన MGG నిర్మాణాన్ని వర్ణిస్తుంది. (B మరియు C) మోనోలేయర్ MGG యొక్క హై-రిజల్యూషన్ TEM క్యారెక్టరైజేషన్‌లు, వరుసగా మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ (B) మరియు స్క్రోల్ (C) ప్రాంతంపై దృష్టి సారిస్తాయి. (B) యొక్క ఇన్సెట్ TEM గ్రిడ్‌లో మోనోలేయర్ MGGల యొక్క మొత్తం స్వరూపాన్ని చూపే తక్కువ-మాగ్నిఫికేషన్ చిత్రం. (C) యొక్క ఇన్సెట్‌లు చిత్రంలో సూచించబడిన దీర్ఘచతురస్రాకార పెట్టెల వెంట తీసిన తీవ్రత ప్రొఫైల్‌లు, ఇక్కడ పరమాణు విమానాల మధ్య దూరాలు 0.34 మరియు 0.41 nm. (D ) లక్షణ గ్రాఫిటిక్ π* మరియు σ* పీక్‌లతో కార్బన్ K-ఎడ్జ్ EEL స్పెక్ట్రం లేబుల్ చేయబడింది. (E) పసుపు చుక్కల రేఖ వెంట ఎత్తు ప్రొఫైల్‌తో మోనోలేయర్ G/G స్క్రోల్‌ల సెక్షనల్ AFM చిత్రం. (F నుండి I) ట్రైలేయర్ G యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ మరియు AFM ఇమేజ్‌లు (F మరియు H) లేకుండా మరియు స్క్రోల్‌లతో (G మరియు I) వరుసగా 300-nm-మందపాటి SiO2/Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై. వాటి తేడాలను హైలైట్ చేయడానికి ప్రతినిధి స్క్రోల్‌లు మరియు ముడతలు లేబుల్ చేయబడ్డాయి.
స్క్రోల్‌లు ప్రకృతిలో చుట్టబడిన గ్రాఫేన్ అని ధృవీకరించడానికి, మేము మోనోలేయర్ టాప్-జి/జి స్క్రోల్ స్ట్రక్చర్‌లపై హై-రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (TEM) మరియు ఎలక్ట్రాన్ ఎనర్జీ లాస్ (EEL) స్పెక్ట్రోస్కోపీ అధ్యయనాలను నిర్వహించాము. మూర్తి 1B ఒక మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ యొక్క షట్కోణ నిర్మాణాన్ని చూపుతుంది మరియు ఇన్సెట్ అనేది TEM గ్రిడ్ యొక్క ఒకే కార్బన్ హోల్‌పై కప్పబడిన చలనచిత్రం యొక్క మొత్తం స్వరూపం. మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ గ్రిడ్‌లో ఎక్కువ భాగం విస్తరించి ఉంది మరియు షట్కోణ వలయాల బహుళ స్టాక్‌ల సమక్షంలో కొన్ని గ్రాఫేన్ రేకులు కనిపిస్తాయి (Fig. 1B). వ్యక్తిగత స్క్రోల్ (Fig. 1C)లోకి జూమ్ చేయడం ద్వారా, మేము పెద్ద మొత్తంలో గ్రాఫేన్ లాటిస్ అంచులను గమనించాము, లాటిస్ స్పేసింగ్ 0.34 నుండి 0.41 nm వరకు ఉంటుంది. "ABAB" లేయర్ స్టాకింగ్‌లో 0.34 nm జాలక అంతరాన్ని కలిగి ఉన్న రేకులు యాదృచ్ఛికంగా చుట్టబడి ఉంటాయి మరియు ఖచ్చితమైన గ్రాఫైట్ కాదని ఈ కొలతలు సూచిస్తున్నాయి. Figure 1D కార్బన్ K-ఎడ్జ్ EEL స్పెక్ట్రమ్‌ను చూపుతుంది, ఇక్కడ 285 eV వద్ద ఉన్న శిఖరం π* కక్ష్య నుండి ఉద్భవించింది మరియు మరొకటి 290 eV చుట్టూ σ* కక్ష్య యొక్క పరివర్తన కారణంగా ఉంటుంది. స్క్రోల్‌లు అత్యంత గ్రాఫిటిక్‌గా ఉన్నాయని ధృవీకరించడం ద్వారా ఈ నిర్మాణంలో sp2 బంధం ఆధిపత్యం చెలాయించడం చూడవచ్చు.
ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ మరియు అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (AFM) చిత్రాలు MGGలలో గ్రాఫేన్ నానోస్క్రోల్‌ల పంపిణీపై అంతర్దృష్టిని అందిస్తాయి (Fig. 1, E నుండి G, మరియు ఫిగ్స్. S1 మరియు S2). స్క్రోల్‌లు యాదృచ్ఛికంగా ఉపరితలంపై పంపిణీ చేయబడతాయి మరియు వాటి ఇన్-ప్లేన్ సాంద్రత పేర్చబడిన పొరల సంఖ్యకు అనులోమానుపాతంలో పెరుగుతుంది. అనేక స్క్రోల్‌లు నాట్‌లుగా చిక్కుకొని ఉంటాయి మరియు 10 నుండి 100 nm పరిధిలో నాన్‌యూనిఫాం ఎత్తులను ప్రదర్శిస్తాయి. వాటి ప్రారంభ గ్రాఫేన్ రేకుల పరిమాణాలను బట్టి అవి 1 నుండి 20 μm పొడవు మరియు 0.1 నుండి 1 μm వెడల్పు కలిగి ఉంటాయి. అంజీర్ 1 (H మరియు I)లో చూపినట్లుగా, స్క్రోల్‌లు ముడతల కంటే పెద్ద పరిమాణాలను కలిగి ఉంటాయి, ఇది గ్రాఫేన్ పొరల మధ్య చాలా కఠినమైన ఇంటర్‌ఫేస్‌కు దారి తీస్తుంది.
విద్యుత్ లక్షణాలను కొలవడానికి, మేము ఫోటోలిథోగ్రఫీని ఉపయోగించి 300-μm-వెడల్పు మరియు 2000-μm-పొడవు స్ట్రిప్స్‌లో స్క్రోల్ స్ట్రక్చర్‌లు మరియు లేయర్ స్టాకింగ్‌తో లేదా లేకుండా గ్రాఫేన్ ఫిల్మ్‌లను నమూనా చేసాము. స్ట్రెయిన్ యొక్క విధిగా రెండు-ప్రోబ్ రెసిస్టెన్స్ పరిసర పరిస్థితులలో కొలుస్తారు. స్క్రోల్‌ల ఉనికి మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్‌కు రెసిస్టివిటీని 80% తగ్గించింది, ట్రాన్స్‌మిటెన్స్‌లో కేవలం 2.2% తగ్గుదల (అత్తి. S4). 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ) వరకు అధిక కరెంట్ సాంద్రత కలిగిన నానోస్క్రోల్‌లు MGG లకు చాలా సానుకూల విద్యుత్ సహకారాన్ని అందిస్తాయని ఇది నిర్ధారిస్తుంది. మోనో-, ద్వి-, మరియు ట్రైలేయర్ సాదా గ్రాఫేన్ మరియు MGGలన్నింటిలో, ట్రైలేయర్ MGG దాదాపు 90% పారదర్శకతతో ఉత్తమ వాహకతను కలిగి ఉంది. సాహిత్యంలో నివేదించబడిన గ్రాఫేన్ యొక్క ఇతర వనరులతో పోల్చడానికి, మేము నాలుగు-ప్రోబ్ షీట్ రెసిస్టెన్స్‌లను (ఫిగ్. S5) కూడా కొలిచాము మరియు వాటిని Fig. 2Aలో 550 nm (Fig. S6) వద్ద ట్రాన్స్‌మిటెన్స్ ఫంక్షన్‌గా జాబితా చేసాము. MGG కృత్రిమంగా పేర్చబడిన మల్టీలాయర్ సాదా గ్రాఫేన్ మరియు తగ్గిన గ్రాఫేన్ ఆక్సైడ్ (RGO) (6, 8, 18) కంటే పోల్చదగిన లేదా అధిక వాహకత మరియు పారదర్శకతను చూపుతుంది. సాహిత్యం నుండి కృత్రిమంగా పేర్చబడిన బహుళస్థాయి సాదా గ్రాఫేన్ యొక్క షీట్ నిరోధకతలు మా MGG కంటే కొంచెం ఎక్కువగా ఉన్నాయని గమనించండి, బహుశా వాటి అనుకూలించని వృద్ధి పరిస్థితులు మరియు బదిలీ పద్ధతి కారణంగా.
(A) అనేక రకాల గ్రాఫేన్‌లకు నాలుగు-ప్రోబ్ షీట్ రెసిస్టెన్స్ వర్సెస్ ట్రాన్స్‌మిటెన్స్ 550 nm, ఇక్కడ బ్లాక్ స్క్వేర్‌లు మోనో-, బై- మరియు ట్రైలేయర్ MGGలను సూచిస్తాయి; ఎరుపు వృత్తాలు మరియు నీలి త్రిభుజాలు Li et al అధ్యయనాల నుండి Cu మరియు Ni లలో పెరిగిన బహుళస్థాయి సాదా గ్రాఫేన్‌కు అనుగుణంగా ఉంటాయి. (6) మరియు కిమ్ మరియు ఇతరులు. (8), వరుసగా, మరియు తదనంతరం SiO2/Si లేదా క్వార్ట్జ్‌కి బదిలీ చేయబడింది; మరియు ఆకుపచ్చ త్రిభుజాలు బొనాకోర్సో మరియు ఇతరుల అధ్యయనం నుండి వివిధ తగ్గింపు స్థాయిలలో RGO కోసం విలువలు. (18) (B మరియు C) మోనో-, ద్వి- మరియు ట్రైలేయర్ MGGలు మరియు G యొక్క సాధారణీకరించిన ప్రతిఘటన మార్పు ప్రస్తుత ప్రవాహం యొక్క దిశకు లంబంగా (B) మరియు సమాంతర (C) స్ట్రెయిన్ యొక్క విధిగా. (D) చక్రీయ స్ట్రెయిన్ కింద బిలేయర్ G (ఎరుపు) మరియు MGG (నలుపు) యొక్క సాధారణీకరించిన ప్రతిఘటన మార్పు 50% లంబ స్ట్రెయిన్ వరకు లోడ్ అవుతోంది. (E) చక్రీయ స్ట్రెయిన్ కింద ట్రైలేయర్ G (ఎరుపు) మరియు MGG (నలుపు) యొక్క సాధారణీకరించిన ప్రతిఘటన మార్పు 90% సమాంతర జాతి వరకు లోడ్ అవుతోంది. (F) మోనో-, ద్వి- మరియు ట్రైలేయర్ G మరియు ద్వి- మరియు ట్రైలేయర్ MGGల యొక్క సాధారణ కెపాసిటెన్స్ మార్పు స్ట్రెయిన్ యొక్క విధిగా. ఇన్సెట్ అనేది కెపాసిటర్ నిర్మాణం, ఇక్కడ పాలిమర్ సబ్‌స్ట్రేట్ SEBS మరియు పాలిమర్ డైలెక్ట్రిక్ లేయర్ 2-μm-మందపాటి SEBS.
MGG యొక్క స్ట్రెయిన్-డిపెండెంట్ పనితీరును అంచనా వేయడానికి, మేము గ్రాఫేన్‌ను థర్మోప్లాస్టిక్ ఎలాస్టోమర్ స్టైరీన్-ఎథిలీన్-బ్యూటాడిన్-స్టైరీన్ (SEBS) సబ్‌స్ట్రేట్‌లకు (~ 2 సెం.మీ వెడల్పు మరియు ~ 5 సెం.మీ పొడవు) బదిలీ చేసాము మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ విస్తరించబడినందున వాహకతను కొలుస్తారు. (మెటీరియల్స్ మరియు మెథడ్స్ చూడండి) ప్రస్తుత ప్రవాహం దిశకు లంబంగా మరియు సమాంతరంగా ఉంటాయి (Fig. 2, B మరియు C). నానోస్క్రోల్‌లను చేర్చడం మరియు గ్రాఫేన్ పొరల సంఖ్య పెరగడంతో స్ట్రెయిన్-డిపెండెంట్ ఎలక్ట్రికల్ ప్రవర్తన మెరుగుపడింది. ఉదాహరణకు, స్ట్రెయిన్ ప్రస్తుత ప్రవాహానికి లంబంగా ఉన్నప్పుడు, మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ కోసం, స్క్రోల్‌ల జోడింపు విద్యుత్ విచ్ఛిన్నం వద్ద ఒత్తిడిని 5 నుండి 70% వరకు పెంచింది. మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్‌తో పోలిస్తే ట్రైలేయర్ గ్రాఫేన్ యొక్క స్ట్రెయిన్ టాలరెన్స్ కూడా గణనీయంగా మెరుగుపడింది. నానోస్క్రోల్‌లతో, 100% లంబంగా ఉండే స్ట్రెయిన్‌లో, ట్రైలేయర్ MGG స్ట్రక్చర్ యొక్క రెసిస్టెన్స్ 50% మాత్రమే పెరిగింది, స్క్రోల్‌లు లేని ట్రైలేయర్ గ్రాఫేన్‌కు 300%తో పోలిస్తే. సైక్లిక్ స్ట్రెయిన్ లోడ్ కింద నిరోధక మార్పు పరిశోధించబడింది. పోలిక కోసం (Fig. 2D), సాదా బైలేయర్ గ్రాఫేన్ ఫిల్మ్ యొక్క ప్రతిఘటనలు ~700 సైకిల్స్ తర్వాత 50% లంబంగా స్ట్రెయిన్ వద్ద 7.5 రెట్లు పెరిగాయి మరియు ప్రతి చక్రంలో ఒత్తిడితో పెరుగుతూనే ఉన్నాయి. మరోవైపు, బిలేయర్ MGG యొక్క ప్రతిఘటన ~700 సైకిల్స్ తర్వాత 2.5 రెట్లు మాత్రమే పెరిగింది. సమాంతర దిశలో 90% ఒత్తిడిని వర్తింపజేస్తే, ట్రైలేయర్ గ్రాఫేన్ యొక్క ప్రతిఘటన 1000 చక్రాల తర్వాత ~100 రెట్లు పెరిగింది, అయితే ఇది ట్రైలేయర్ MGG (Fig. 2E)లో ~8 సార్లు మాత్రమే ఉంటుంది. సైక్లింగ్ ఫలితాలు అంజీర్‌లో చూపబడ్డాయి. S7. సమాంతర స్ట్రెయిన్ దిశలో ప్రతిఘటనలో సాపేక్షంగా వేగవంతమైన పెరుగుదల, ఎందుకంటే పగుళ్ల ధోరణి ప్రస్తుత ప్రవాహం యొక్క దిశకు లంబంగా ఉంటుంది. లోడ్ మరియు అన్‌లోడ్ స్ట్రెయిన్ సమయంలో నిరోధకత యొక్క విచలనం SEBS ఎలాస్టోమర్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క విస్కోలాస్టిక్ రికవరీ కారణంగా ఉంటుంది. సైక్లింగ్ సమయంలో MGG స్ట్రిప్స్ యొక్క మరింత స్థిరమైన ప్రతిఘటన గ్రాఫేన్ యొక్క పగిలిన భాగాలను వంతెన చేయగల పెద్ద స్క్రోల్‌ల ఉనికి కారణంగా ఉంది (AFM ద్వారా గమనించినట్లుగా), పెర్కోలేటింగ్ పాత్‌వేని నిర్వహించడానికి సహాయపడుతుంది. ఎలాస్టోమర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పగిలిన మెటల్ లేదా సెమీకండక్టర్ ఫిల్మ్‌ల కోసం పెర్కోలేటింగ్ మార్గం ద్వారా వాహకతను కొనసాగించే ఈ దృగ్విషయం ముందు నివేదించబడింది (40, 41).
ఈ గ్రాఫేన్-ఆధారిత ఫిల్మ్‌లను సాగదీయగల పరికరాలలో గేట్ ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా అంచనా వేయడానికి, మేము గ్రాఫేన్ పొరను SEBS విద్యుద్వాహక పొరతో (2 μm మందం) కవర్ చేసాము మరియు స్ట్రెయిన్ యొక్క విధిగా విద్యుద్వాహక కెపాసిటెన్స్ మార్పును పర్యవేక్షించాము (Fig. 2F మరియు దాని కోసం అనుబంధ పదార్థాలను చూడండి వివరాలు). గ్రాఫేన్ యొక్క విమానంలో వాహకత కోల్పోవడం వల్ల సాదా మోనోలేయర్ మరియు బిలేయర్ గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లతో కెపాసిటెన్స్ త్వరగా తగ్గుతుందని మేము గమనించాము. దీనికి విరుద్ధంగా, MGGలు మరియు సాదా ట్రైలేయర్ గ్రాఫేన్ ద్వారా గేట్ చేయబడిన కెపాసిటెన్స్‌లు స్ట్రెయిన్‌తో కెపాసిటెన్స్ పెరుగుదలను చూపించాయి, ఇది స్ట్రెయిన్‌తో విద్యుద్వాహక మందం తగ్గడం వల్ల అంచనా వేయబడింది. కెపాసిటెన్స్‌లో ఊహించిన పెరుగుదల MGG నిర్మాణంతో బాగా సరిపోలింది (Fig. S8). సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్‌లకు గేట్ ఎలక్ట్రోడ్‌గా MGG అనుకూలంగా ఉంటుందని ఇది సూచిస్తుంది.
ఎలక్ట్రికల్ కండక్టివిటీ యొక్క స్ట్రెయిన్ టాలరెన్స్‌పై 1D గ్రాఫేన్ స్క్రోల్ పాత్రను మరింత పరిశోధించడానికి మరియు గ్రాఫేన్ పొరల మధ్య విభజనను బాగా నియంత్రించడానికి, మేము గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌లను భర్తీ చేయడానికి స్ప్రే-కోటెడ్ CNTలను ఉపయోగించాము (అనుబంధ పదార్థాలను చూడండి). MGG నిర్మాణాలను అనుకరించడానికి, మేము CNTల యొక్క మూడు సాంద్రతలను (అంటే CNT1) డిపాజిట్ చేసాము.
(A నుండి C) CNTల యొక్క మూడు విభిన్న సాంద్రతల AFM చిత్రాలు (CNT1
సాగదీయగల ఎలక్ట్రానిక్‌ల కోసం ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా వాటి సామర్థ్యాన్ని మరింత అర్థం చేసుకోవడానికి, మేము ఒత్తిడిలో ఉన్న MGG మరియు G-CNT-G యొక్క స్వరూపాలను క్రమపద్ధతిలో పరిశోధించాము. ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ మరియు స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) ప్రభావవంతమైన క్యారెక్టరైజేషన్ పద్ధతులు కావు ఎందుకంటే రెండూ కలర్ కాంట్రాస్ట్ లేకపోవడం మరియు గ్రాఫేన్ పాలిమర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఉన్నప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ స్కానింగ్ సమయంలో ఇమేజ్ ఆర్టిఫ్యాక్ట్‌లకు SEM లోబడి ఉంటుంది (అత్తిపండ్లు. S9 మరియు S10). ఒత్తిడిలో ఉన్న గ్రాఫేన్ ఉపరితలాన్ని సిటులో గమనించడానికి, మేము చాలా సన్నని (~ 0.1 మిమీ మందం) మరియు సాగే SEBS సబ్‌స్ట్రేట్‌లకు బదిలీ చేసిన తర్వాత ట్రైలేయర్ MGGలు మరియు సాదా గ్రాఫేన్‌లపై AFM కొలతలను సేకరించాము. CVD గ్రాఫేన్‌లో అంతర్గత లోపాలు మరియు బదిలీ ప్రక్రియలో బాహ్య నష్టం కారణంగా, వడకట్టిన గ్రాఫేన్‌పై అనివార్యంగా పగుళ్లు ఏర్పడతాయి మరియు పెరుగుతున్న ఒత్తిడితో, పగుళ్లు దట్టంగా మారాయి (Fig. 4, A నుండి D). కార్బన్-ఆధారిత ఎలక్ట్రోడ్ల స్టాకింగ్ నిర్మాణంపై ఆధారపడి, పగుళ్లు వేర్వేరు స్వరూపాలను ప్రదర్శిస్తాయి (అత్తి. S11) (27). బహుళస్థాయి గ్రాఫేన్ యొక్క క్రాక్ ఏరియా సాంద్రత (క్రాక్ ఏరియా/విశ్లేషించబడిన ప్రాంతంగా నిర్వచించబడింది) స్ట్రెయిన్ తర్వాత మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, ఇది MGGలకు విద్యుత్ వాహకత పెరుగుదలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది. మరోవైపు, స్ట్రెయిన్డ్ ఫిల్మ్‌లో అదనపు వాహక మార్గాలను అందిస్తూ, పగుళ్లను తగ్గించడానికి స్క్రోల్‌లు తరచుగా గమనించబడతాయి. ఉదాహరణకు, Fig. 4B చిత్రంలో లేబుల్ చేయబడినట్లుగా, ట్రైలేయర్ MGGలో ఒక విశాలమైన స్క్రోల్ క్రాస్ చేయబడింది, కానీ సాదా గ్రాఫేన్‌లో (Fig. 4, E నుండి H వరకు) స్క్రోల్ ఏదీ గమనించబడలేదు. అదేవిధంగా, CNTలు గ్రాఫేన్‌లోని పగుళ్లను కూడా తగ్గించాయి (Fig. S11). క్రాక్ ఏరియా డెన్సిటీ, స్క్రోల్ ఏరియా డెన్సిటీ మరియు ఫిల్మ్‌ల కరుకుదనం అంజీర్ 4Kలో సంగ్రహించబడ్డాయి.
(A నుండి H) 0, 20, 60 మరియు 100 వద్ద చాలా సన్నని SEBS (~0.1 మిమీ మందం) ఎలాస్టోమర్‌పై ట్రైలేయర్ G/G స్క్రోల్స్ (A నుండి D) మరియు ట్రైలేయర్ G స్ట్రక్చర్‌ల (E నుండి H వరకు) యొక్క సిటు AFM చిత్రాలు % స్ట్రెయిన్. ప్రతినిధి పగుళ్లు మరియు స్క్రోల్‌లు బాణాలతో సూచించబడతాయి. అన్ని AFM చిత్రాలు 15 μm × 15 μm విస్తీర్ణంలో ఉన్నాయి, లేబుల్ చేయబడిన అదే రంగు స్కేల్ బార్‌ను ఉపయోగిస్తాయి. (I) SEBS సబ్‌స్ట్రేట్‌పై నమూనా కలిగిన మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల అనుకరణ జ్యామితి. (J) మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్‌లోని గరిష్ట ప్రిన్సిపల్ లాగరిథమిక్ స్ట్రెయిన్ యొక్క సిమ్యులేషన్ కాంటౌర్ మ్యాప్ మరియు 20% ఎక్స్‌టర్నల్ స్ట్రెయిన్ వద్ద SEBS సబ్‌స్ట్రేట్. (K) వివిధ గ్రాఫేన్ నిర్మాణాల కోసం క్రాక్ ఏరియా డెన్సిటీ (ఎరుపు కాలమ్), స్క్రోల్ ఏరియా డెన్సిటీ (పసుపు కాలమ్) మరియు ఉపరితల కరుకుదనం (నీలం కాలమ్) పోలిక.
MGG ఫిల్మ్‌లు విస్తరించబడినప్పుడు, స్క్రోల్‌లు గ్రాఫేన్ యొక్క పగుళ్లు ఉన్న ప్రాంతాలను వంతెన చేయగలవు, పెర్కోలేటింగ్ నెట్‌వర్క్‌ను నిర్వహించగల ముఖ్యమైన అదనపు యంత్రాంగం ఉంది. గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌లు ఆశాజనకంగా ఉన్నాయి ఎందుకంటే అవి పదుల మైక్రోమీటర్ల పొడవు ఉంటాయి మరియు అందువల్ల సాధారణంగా మైక్రోమీటర్ స్కేల్ వరకు ఉండే పగుళ్లను తగ్గించగలవు. ఇంకా, స్క్రోల్‌లు గ్రాఫేన్ యొక్క బహుళస్థాయిలను కలిగి ఉన్నందున, అవి తక్కువ నిరోధకతను కలిగి ఉంటాయని భావిస్తున్నారు. పోల్చి చూస్తే, CNTలు చిన్నవిగా (సాధారణంగా కొన్ని మైక్రోమీటర్ల పొడవు) మరియు స్క్రోల్‌ల కంటే తక్కువ వాహకతతో పోల్చదగిన వాహక బ్రిడ్జింగ్ సామర్థ్యాన్ని అందించడానికి సాపేక్షంగా దట్టమైన (తక్కువ ట్రాన్స్‌మిటెన్స్) CNT నెట్‌వర్క్‌లు అవసరం. మరోవైపు, అంజీర్లో చూపిన విధంగా. S12, స్ట్రెచింగ్ సమయంలో గ్రాఫేన్ పగుళ్లు ఏర్పడినప్పుడు, స్క్రోల్‌లు పగుళ్లు రావు, రెండోది అంతర్లీన గ్రాఫేన్‌పై జారిపోవచ్చని సూచిస్తుంది. గ్రాఫేన్ (~1 నుండి 2 0 μm పొడవు, ~0.1 నుండి 1 μm వెడల్పు మరియు ~10 నుండి 100 nm ఎత్తు వరకు) అనేక పొరల గ్రాఫేన్‌లతో కూడిన రోల్డ్-అప్ నిర్మాణం వల్ల అవి పగుళ్లు రాకపోవడానికి కారణం కావచ్చు. సింగిల్-లేయర్ గ్రాఫేన్ కంటే అధిక ప్రభావవంతమైన మాడ్యులస్. గ్రీన్ మరియు హెర్సామ్ (42) నివేదించినట్లుగా, మెటాలిక్ CNT నెట్‌వర్క్‌లు (ట్యూబ్ వ్యాసం 1.0 nm) CNTల మధ్య పెద్ద జంక్షన్ నిరోధకత ఉన్నప్పటికీ తక్కువ షీట్ రెసిస్టెన్స్ <100 ohms/sq సాధించగలవు. మా గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌లు 0.1 నుండి 1 μm వెడల్పులను కలిగి ఉన్నాయని మరియు G/G స్క్రోల్‌లు CNTల కంటే చాలా పెద్ద పరిచయ ప్రాంతాలను కలిగి ఉన్నాయని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే, గ్రాఫేన్ మరియు గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌ల మధ్య కాంటాక్ట్ రెసిస్టెన్స్ మరియు కాంటాక్ట్ ఏరియా అధిక వాహకతను నిర్వహించడానికి కారకాలను పరిమితం చేయకూడదు.
గ్రాఫేన్ SEBS సబ్‌స్ట్రేట్ కంటే చాలా ఎక్కువ మాడ్యులస్‌ని కలిగి ఉంది. గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క ప్రభావవంతమైన మందం సబ్‌స్ట్రేట్ కంటే చాలా తక్కువగా ఉన్నప్పటికీ, గ్రాఫేన్ యొక్క దృఢత్వం దాని మందంతో పోల్చబడుతుంది (43, 44), దీని ఫలితంగా మితమైన దృఢమైన-ద్వీపం ప్రభావం ఉంటుంది. మేము SEBS సబ్‌స్ట్రేట్‌పై 1-nm-మందపాటి గ్రాఫేన్ యొక్క వైకల్యాన్ని అనుకరించాము (వివరాల కోసం అనుబంధ పదార్థాలను చూడండి). అనుకరణ ఫలితాల ప్రకారం, 20% స్ట్రెయిన్‌ను SEBS సబ్‌స్ట్రేట్‌కు బాహ్యంగా వర్తింపజేసినప్పుడు, గ్రాఫేన్‌లోని సగటు జాతి ~6.6% (Fig. 4J మరియు fig. S13D), ఇది ప్రయోగాత్మక పరిశీలనలకు అనుగుణంగా ఉంటుంది (అత్తి. S13 చూడండి) . మేము ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీని ఉపయోగించి నమూనా చేసిన గ్రాఫేన్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ ప్రాంతాలలోని స్ట్రెయిన్‌ను పోల్చాము మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ ప్రాంతంలోని స్ట్రెయిన్ గ్రాఫేన్ ప్రాంతంలో కనీసం రెండింతలు ఉన్నట్లు కనుగొన్నాము. గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్ నమూనాలపై వర్తించే జాతి గణనీయంగా పరిమితం చేయబడుతుందని ఇది సూచిస్తుంది, SEBS (26, 43, 44) పైన గ్రాఫేన్ గట్టి ద్వీపాలను ఏర్పరుస్తుంది.
అందువల్ల, అధిక ఒత్తిడిలో అధిక వాహకతను నిర్వహించడానికి MGG ఎలక్ట్రోడ్‌ల సామర్థ్యం రెండు ప్రధాన యంత్రాంగాల ద్వారా ప్రారంభించబడుతుంది: (i) వాహక పెర్కోలేషన్ మార్గాన్ని నిర్వహించడానికి స్క్రోల్‌లు డిస్‌కనెక్ట్ చేయబడిన ప్రాంతాలను వంతెన చేయగలవు మరియు (ii) బహుళస్థాయి గ్రాఫేన్ షీట్‌లు/ఎలాస్టోమర్ స్లైడ్ కావచ్చు. ఒకదానిపై ఒకటి, ఫలితంగా గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లపై ఒత్తిడి తగ్గుతుంది. ఎలాస్టోమర్‌పై బదిలీ చేయబడిన గ్రాఫేన్ యొక్క బహుళ పొరల కోసం, పొరలు ఒకదానితో ఒకటి గట్టిగా జతచేయబడవు, ఇవి ఒత్తిడికి ప్రతిస్పందనగా జారిపోవచ్చు (27). స్క్రోల్‌లు గ్రాఫేన్ పొరల కరుకుదనాన్ని కూడా పెంచాయి, ఇది గ్రాఫేన్ పొరల మధ్య విభజనను పెంచడానికి సహాయపడుతుంది మరియు అందువల్ల గ్రాఫేన్ పొరల స్లైడింగ్‌ను ప్రారంభించవచ్చు.
తక్కువ ధర మరియు అధిక నిర్గమాంశ కారణంగా అన్ని-కార్బన్ పరికరాలు ఉత్సాహంగా అనుసరించబడతాయి. మా విషయంలో, ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు దిగువ గ్రాఫేన్ గేట్, టాప్ గ్రాఫేన్ సోర్స్/డ్రెయిన్ కాంటాక్ట్, క్రమబద్ధీకరించబడిన CNT సెమీకండక్టర్ మరియు SEBS ఒక విద్యుద్వాహక (Fig. 5A) ఉపయోగించి తయారు చేయబడ్డాయి. అంజీర్ 5Bలో చూపినట్లుగా, CNTలు మూలం/డ్రెయిన్ మరియు గేట్ (దిగువ పరికరం)గా ఉన్న ఆల్-కార్బన్ పరికరం గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు (టాప్ పరికరం) ఉన్న పరికరం కంటే ఎక్కువ అపారదర్శకంగా ఉంటుంది. ఎందుకంటే CNT నెట్‌వర్క్‌లకు పెద్ద మందం అవసరం మరియు తత్ఫలితంగా, గ్రాఫేన్ (Fig. S4) మాదిరిగానే షీట్ రెసిస్టెన్స్‌ను సాధించడానికి తక్కువ ఆప్టికల్ ట్రాన్స్‌మిటెన్స్‌లు అవసరం. మూర్తి 5 (C మరియు D) బిలేయర్ MGG ఎలక్ట్రోడ్‌లతో తయారు చేయబడిన ట్రాన్సిస్టర్‌కు ఒత్తిడికి ముందు ప్రతినిధి బదిలీ మరియు అవుట్‌పుట్ వక్రతలను చూపుతుంది. స్ట్రెయిన్డ్ ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క ఛానెల్ వెడల్పు మరియు పొడవు వరుసగా 800 మరియు 100 μm. కొలవబడిన ఆన్/ఆఫ్ నిష్పత్తి వరుసగా 10−5 మరియు 10−8 A స్థాయిలలో ఆన్ మరియు ఆఫ్ కరెంట్‌లతో 103 కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది. అవుట్‌పుట్ కర్వ్ స్పష్టమైన గేట్-వోల్టేజ్ డిపెండెన్స్‌తో ఆదర్శవంతమైన లీనియర్ మరియు సా ట్యూరేషన్ పాలనలను ప్రదర్శిస్తుంది, ఇది CNTలు మరియు గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల మధ్య ఆదర్శ సంబంధాన్ని సూచిస్తుంది (45). గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లతో సంపర్క నిరోధకత ఆవిరైన Au ఫిల్మ్‌తో పోలిస్తే తక్కువగా ఉన్నట్లు గమనించబడింది (అత్తి. S14 చూడండి). సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క సంతృప్త చలనశీలత దాదాపు 5.6 cm2/Vs, అదే పాలిమర్-క్రమబద్ధీకరించబడిన CNT ట్రాన్సిస్టర్‌ల మాదిరిగానే 300-nm SiO2 విద్యుద్వాహక పొర వలె దృఢమైన Si ఉపరితలాలపై ఉంటుంది. ఆప్టిమైజ్ చేసిన ట్యూబ్ డెన్సిటీ మరియు ఇతర రకాల ట్యూబ్‌లతో మొబిలిటీలో మరింత మెరుగుదల సాధ్యమవుతుంది (46).
(A) గ్రాఫేన్-ఆధారిత సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్ పథకం. SWNTలు, సింగిల్-వాల్డ్ కార్బన్ నానోట్యూబ్‌లు. (B) గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు (పైభాగం) మరియు CNT ఎలక్ట్రోడ్‌లు (దిగువ)తో చేసిన సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్‌ల ఫోటో. పారదర్శకతలో తేడా స్పష్టంగా గమనించవచ్చు. (C మరియు D) ఒత్తిడికి ముందు SEBSలో గ్రాఫేన్-ఆధారిత ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క బదిలీ మరియు అవుట్‌పుట్ వక్రతలు. (E మరియు F) బదిలీ వక్రతలు, ఆన్ మరియు ఆఫ్ కరెంట్, ఆన్/ఆఫ్ నిష్పత్తి మరియు వివిధ జాతుల వద్ద గ్రాఫేన్-ఆధారిత ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క చలనశీలత.
పారదర్శక, ఆల్-కార్బన్ పరికరాన్ని ఛార్జ్ రవాణా దిశకు సమాంతర దిశలో విస్తరించినప్పుడు, 120% స్ట్రెయిన్ వరకు కనిష్ట క్షీణత గమనించబడింది. సాగదీయడం సమయంలో, చలనశీలత 0% స్ట్రెయిన్ వద్ద 5.6 cm2/Vs నుండి 120% స్ట్రెయిన్ వద్ద 2.5 cm2/ Vsకి నిరంతరం తగ్గింది (Fig. 5F). మేము వేర్వేరు ఛానెల్ పొడవుల కోసం ట్రాన్సిస్టర్ పనితీరును కూడా పోల్చాము (టేబుల్ S1 చూడండి). ముఖ్యంగా, 105% పెద్ద స్ట్రెయిన్ వద్ద, ఈ ట్రాన్సిస్టర్‌లన్నీ ఇప్పటికీ అధిక ఆన్/ఆఫ్ నిష్పత్తి (>103) మరియు మొబిలిటీ (>3 cm2/Vs)ని ప్రదర్శించాయి. అదనంగా, మేము ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లపై ఇటీవలి పనిని సంగ్రహించాము (టేబుల్ S2 చూడండి) (47–52). ఎలాస్టోమర్‌లపై పరికర కల్పనను ఆప్టిమైజ్ చేయడం ద్వారా మరియు MGGలను కాంటాక్ట్‌లుగా ఉపయోగించడం ద్వారా, మా ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు మొబిలిటీ మరియు హిస్టెరిసిస్ పరంగా మంచి పనితీరును చూపుతాయి.
పూర్తిగా పారదర్శకంగా మరియు సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క అప్లికేషన్‌గా, LED యొక్క స్విచింగ్‌ను నియంత్రించడానికి మేము దానిని ఉపయోగించాము (Fig. 6A). అంజీర్ 6Bలో చూపినట్లుగా, నేరుగా పైన ఉంచబడిన సాగదీయగల ఆల్-కార్బన్ పరికరం ద్వారా ఆకుపచ్చ LEDని స్పష్టంగా చూడవచ్చు. ~ 100% (Fig. 6, C మరియు D) వరకు సాగుతున్నప్పుడు, LED కాంతి తీవ్రత మారదు, ఇది పైన వివరించిన ట్రాన్సిస్టర్ పనితీరుకు అనుగుణంగా ఉంటుంది (చిత్రం S1 చూడండి). గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌లను ఉపయోగించి తయారు చేయబడిన స్ట్రెచబుల్ కంట్రోల్ యూనిట్‌ల యొక్క మొదటి నివేదిక ఇది, గ్రాఫేన్ సాగదీయగల ఎలక్ట్రానిక్స్‌కు కొత్త అవకాశాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది.
(A) LED డ్రైవ్ చేయడానికి ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క సర్క్యూట్. GND, గ్రౌండ్. (B) ఆకుపచ్చ LED పైన మౌంట్ చేయబడిన 0% స్ట్రెయిన్ వద్ద సాగదీయగల మరియు పారదర్శకమైన ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్ ఫోటో. (C) LEDని మార్చడానికి ఉపయోగించే ఆల్-కార్బన్ పారదర్శక మరియు సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్ LED పైన 0% (ఎడమ) మరియు ~100% స్ట్రెయిన్ (కుడి) వద్ద మౌంట్ చేయబడుతోంది. దూరం మార్పును విస్తరించడాన్ని చూపడానికి పరికరంలోని పసుపు గుర్తులను తెలుపు బాణాలు సూచిస్తాయి. (D) సాగదీసిన ట్రాన్సిస్టర్ యొక్క సైడ్ వ్యూ, LED ఎలాస్టోమర్‌లోకి నెట్టబడింది.
ముగింపులో, మేము పారదర్శక వాహక గ్రాఫేన్ నిర్మాణాన్ని అభివృద్ధి చేసాము, ఇది పెద్ద జాతుల క్రింద సాగదీయగల ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా అధిక వాహకతను నిర్వహిస్తుంది, పేర్చబడిన గ్రాఫేన్ పొరల మధ్య గ్రాఫేన్ నానోస్క్రోల్‌ల ద్వారా ప్రారంభించబడుతుంది. సాధారణ మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్ ఎలక్ట్రోడ్‌ల కోసం 5% స్ట్రెయిన్ వద్ద వాహకత పూర్తిగా కోల్పోవడంతో పోలిస్తే, ఎలాస్టోమర్‌పై ఈ ద్వి- మరియు ట్రైలేయర్ MGG ఎలక్ట్రోడ్ నిర్మాణాలు వరుసగా 21 మరియు 65%, వాటి 0% స్ట్రెయిన్ కండక్టివిటీలను 100% కంటే ఎక్కువ స్ట్రెయిన్‌లో నిర్వహించగలవు. . గ్రాఫేన్ స్క్రోల్‌ల యొక్క అదనపు వాహక మార్గాలు అలాగే బదిలీ చేయబడిన పొరల మధ్య బలహీనమైన పరస్పర చర్య ఒత్తిడిలో ఉన్నతమైన వాహకత స్థిరత్వానికి దోహదం చేస్తుంది. ఆల్-కార్బన్ సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్‌లను రూపొందించడానికి మేము ఈ గ్రాఫేన్ నిర్మాణాన్ని మరింత వర్తింపజేసాము. ఇప్పటివరకు, బక్లింగ్‌ని ఉపయోగించకుండా అత్యుత్తమ పారదర్శకతతో సాగే గ్రాఫేన్ ఆధారిత ట్రాన్సిస్టర్ ఇదే. సాగదీయగల ఎలక్ట్రానిక్స్ కోసం గ్రాఫేన్‌ను ప్రారంభించడానికి ప్రస్తుత అధ్యయనం నిర్వహించబడినప్పటికీ, సాగదీయగల 2D ఎలక్ట్రానిక్‌లను ప్రారంభించడానికి ఈ విధానాన్ని ఇతర 2D పదార్థాలకు విస్తరించవచ్చని మేము నమ్ముతున్నాము.
పెద్ద-ప్రాంతం CVD గ్రాఫేన్ 50-SCCM (నిమిషానికి ప్రామాణిక క్యూబిక్ సెంటీమీటర్) CH4 మరియు 20-SCCM H2తో 1000°C వద్ద పూర్వగాములుగా 0.5 mtorr యొక్క స్థిరమైన ఒత్తిడితో సస్పెండ్ చేయబడిన Cu రేకులపై (99.999%; ఆల్ఫా ఈజర్) పెంచబడింది. Cu రేకు యొక్క రెండు వైపులా మోనోలేయర్ గ్రాఫేన్‌తో కప్పబడి ఉన్నాయి. PMMA యొక్క పలుచని పొర (2000 rpm; A4, మైక్రోకెమ్) Cu రేకు యొక్క ఒక వైపున స్పిన్-కోట్ చేయబడింది, ఇది PMMA/G/Cu రేకు/G నిర్మాణాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. తదనంతరం, Cu రేకును చెక్కడానికి మొత్తం చలనచిత్రాన్ని 0.1 M అమ్మోనియం పెర్సల్ఫేట్ [(NH4)2S2O8] ద్రావణంలో సుమారు 2 గంటలపాటు నానబెట్టారు. ఈ ప్రక్రియలో, అసురక్షిత బ్యాక్‌సైడ్ గ్రాఫేన్ మొదట ధాన్యం సరిహద్దులను చీల్చివేసి, ఆపై ఉపరితల ఉద్రిక్తత కారణంగా స్క్రోల్స్‌గా చుట్టబడుతుంది. PMMA-మద్దతు ఉన్న ఎగువ గ్రాఫేన్ ఫిల్మ్‌పై స్క్రోల్‌లు జోడించబడ్డాయి, PMMA/G/G స్క్రోల్‌లను ఏర్పరుస్తాయి. ఫిల్మ్‌లు తదనంతరం డీయోనైజ్డ్ నీటిలో చాలాసార్లు కడుగుతారు మరియు దృఢమైన SiO2/Si లేదా ప్లాస్టిక్ సబ్‌స్ట్రేట్ వంటి టార్గెట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై వేయబడ్డాయి. అటాచ్ చేసిన ఫిల్మ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై ఎండిన వెంటనే, PMMAను తొలగించడానికి నమూనా w క్రమానుగతంగా అసిటోన్, 1:1 అసిటోన్/IPA (ఐసోప్రొపైల్ ఆల్కహాల్) మరియు IPAలో ఒక్కొక్కటి 30 సెకన్ల పాటు నానబెట్టబడుతుంది. ఫిల్మ్‌లు 15 నిమిషాలు 100°C వద్ద వేడి చేయబడతాయి లేదా G/G స్క్రోల్‌లోని మరొక పొరను దానిపైకి బదిలీ చేయడానికి ముందు చిక్కుకున్న నీటిని పూర్తిగా తొలగించడానికి రాత్రిపూట వాక్యూమ్‌లో ఉంచబడతాయి. ఈ దశ సబ్‌స్ట్రేట్ నుండి గ్రాఫేన్ ఫిల్మ్ డిటాచ్‌మెంట్‌ను నివారించడం మరియు PMMA క్యారియర్ లేయర్ విడుదల సమయంలో MGGల పూర్తి కవరేజీని నిర్ధారించడం.
MGG నిర్మాణం యొక్క స్వరూపం ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోప్ (లైకా) మరియు స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ (1 kV; FEI) ఉపయోగించి గమనించబడింది. G స్క్రోల్‌ల వివరాలను గమనించడానికి ఒక అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోప్ (నానోస్కోప్ III, డిజిటల్ ఇన్‌స్ట్రుమెంట్) ట్యాపింగ్ మోడ్‌లో నిర్వహించబడింది. ఫిల్మ్ పారదర్శకత అతినీలలోహిత-కనిపించే స్పెక్ట్రోమీటర్ (ఎజిలెంట్ క్యారీ 6000i) ద్వారా పరీక్షించబడింది. స్ట్రెయిన్ ప్రస్తుత ప్రవాహం యొక్క లంబ దిశలో ఉన్నప్పుడు పరీక్షల కోసం, గ్రాఫేన్ నిర్మాణాలను స్ట్రిప్స్‌గా (~ 300 μm వెడల్పు మరియు ~ 2000 μm పొడవు) నమూనా చేయడానికి ఫోటోలిథోగ్రఫీ మరియు O2 ప్లాస్మా ఉపయోగించబడ్డాయి మరియు Au (50 nm) ఎలక్ట్రోడ్‌లు థర్మల్‌గా నిక్షిప్తం చేయబడ్డాయి. పొడవాటి వైపు రెండు చివర్లలో నీడ ముసుగులు. గ్రాఫేన్ స్ట్రిప్స్‌ను SEBS ఎలాస్టోమర్‌తో (~2 సెం.మీ వెడల్పు మరియు ~5 సెం.మీ పొడవు) పరిచయం చేశారు, స్ట్రిప్స్ యొక్క పొడవాటి అక్షంతో SEBS యొక్క చిన్న వైపు సమాంతరంగా BOE (బఫర్డ్ ఆక్సైడ్ ఎట్చ్) (HF:H2O) ఉంటుంది. 1:6) ఎలక్ట్రికల్ కాంటాక్ట్‌లుగా చెక్కడం మరియు యూటెక్టిక్ గాలియం ఇండియం (EGaIn). సమాంతర స్ట్రెయిన్ పరీక్షల కోసం, నమూనా లేని గ్రాఫేన్ స్ట్రక్చర్ es (~ 5 × 10 మిమీ) SEBS సబ్‌స్ట్రేట్‌లపైకి బదిలీ చేయబడింది, SEBS సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క పొడవైన వైపుకు సమాంతరంగా పొడవైన అక్షాలు ఉంటాయి. రెండు సందర్భాల్లో, మొత్తం G (G స్క్రోల్‌లు లేకుండా)/SEBS మాన్యువల్ ఉపకరణంలో ఎలాస్టోమర్ యొక్క పొడవాటి వైపు విస్తరించబడింది మరియు సిటులో, సెమీకండక్టర్ ఎనలైజర్‌తో (కీత్లీ 4200) ప్రోబ్ స్టేషన్‌లో ఒత్తిడితో వాటి నిరోధక మార్పులను మేము కొలిచాము. -SCS).
పాలిమర్ డైలెక్ట్రిక్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క సేంద్రీయ ద్రావకం నష్టాన్ని నివారించడానికి క్రింది విధానాల ద్వారా సాగే ఉపరితలంపై అత్యంత సాగదీయగల మరియు పారదర్శకమైన ఆల్-కార్బన్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు రూపొందించబడ్డాయి. MGG నిర్మాణాలు గేట్ ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా SEBSకి బదిలీ చేయబడ్డాయి. ఏకరీతి థిన్-ఫిల్మ్ పాలిమర్ డైలెక్ట్రిక్ లేయర్ (2 μm మందం) పొందేందుకు, ఒక SEBS టోల్యూన్ (80 mg/ml) ద్రావణం ఆక్టాడెసిల్‌ట్రిక్లోరోసిలేన్ (OTS)పై స్పిన్-కోట్ చేయబడింది-1000 rpm వద్ద 1000 rpm వద్ద సవరించిన SiO2/Si సబ్‌స్ట్రేట్. సన్నని విద్యుద్వాహక చలనచిత్రం హైడ్రోఫోబిక్ OTS ఉపరితలం నుండి సిద్ధం చేయబడిన గ్రాఫేన్‌తో కప్పబడిన SEBS ఉపరితలంపైకి సులభంగా బదిలీ చేయబడుతుంది. LCR (ఇండక్టెన్స్, కెపాసిటెన్స్, రెసిస్టెన్స్) మీటర్ (ఎజిలెంట్) ఉపయోగించి స్ట్రెయిన్ ఫంక్షన్‌గా కెపాసిటెన్స్‌ని నిర్ణయించడానికి లిక్విడ్-మెటల్ (EGaIn; సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్) టాప్ ఎలక్ట్రోడ్‌ను డిపాజిట్ చేయడం ద్వారా కెపాసిటర్‌ను తయారు చేయవచ్చు. ట్రాన్సిస్టర్‌లోని ఇతర భాగం గతంలో నివేదించిన విధానాలను అనుసరించి, పాలిమర్-క్రమబద్ధీకరించబడిన సెమీకండక్టింగ్ CNTలను కలిగి ఉంటుంది (53). నమూనా మూలం/డ్రెయిన్ ఎలక్ట్రోడ్లు దృఢమైన SiO2/Si ఉపరితలాలపై కల్పించబడ్డాయి. తదనంతరం, విద్యుద్వాహక/G/SEBS మరియు CNTలు/నమూనా G/SiO2/Si అనే రెండు భాగాలు ఒకదానికొకటి లామినేట్ చేయబడ్డాయి మరియు దృఢమైన SiO2/Si సబ్‌స్ట్రేట్‌ను తొలగించడానికి BOEలో నానబెట్టబడ్డాయి. అందువలన, పూర్తిగా పారదర్శకంగా మరియు సాగదీయగల ట్రాన్సిస్టర్లు కల్పించబడ్డాయి. స్ట్రెయిన్ కింద ఎలక్ట్రికల్ టెస్టింగ్ పైన పేర్కొన్న పద్ధతిలో మాన్యువల్ స్ట్రెచింగ్ సెటప్‌లో నిర్వహించబడింది.
ఈ కథనం కోసం అనుబంధ మెటీరియల్ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1లో అందుబాటులో ఉంది
అంజీర్ S1. వివిధ మాగ్నిఫికేషన్‌ల వద్ద SiO2/Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై మోనోలేయర్ MGG యొక్క ఆప్టికల్ మైక్రోస్కోపీ చిత్రాలు.
అంజీర్ S4. మోనో-, ద్వి- మరియు ట్రైలేయర్ సాదా గ్రాఫేన్ (నలుపు చతురస్రాలు), MGG (ఎరుపు వృత్తాలు) మరియు CNTలు (బ్లూ ట్రయాంగిల్) @550 nm యొక్క రెండు-ప్రోబ్ షీట్ రెసిస్టెన్స్ మరియు ట్రాన్స్‌మిటెన్స్‌ల పోలిక.
అంజీర్ S7. మోనో- మరియు బిలేయర్ MGGs (నలుపు) మరియు G (ఎరుపు) యొక్క సాధారణీకరించిన ప్రతిఘటన మార్పు ~1000 సైక్లిక్ స్ట్రెయిన్‌లో వరుసగా 40 మరియు 90% సమాంతర జాతి వరకు లోడ్ అవుతోంది.
అంజీర్ S10. స్ట్రెయిన్ తర్వాత SEBS ఎలాస్టోమర్‌పై ట్రైలేయర్ MGG యొక్క SEM చిత్రం, అనేక పగుళ్లపై పొడవైన స్క్రోల్ క్రాస్‌ను చూపుతుంది.
అంజీర్ S12. 20% స్ట్రెయిన్‌లో చాలా సన్నని SEBS ఎలాస్టోమర్‌పై ట్రైలేయర్ MGG యొక్క AFM చిత్రం, ఒక స్క్రోల్ క్రాస్‌పైకి వెళ్లిందని చూపిస్తుంది.
పట్టిక S1. బిలేయర్ MGG-సింగిల్-వాల్డ్ కార్బన్ నానోట్యూబ్ ట్రాన్సిస్టర్‌ల మొబిలిటీస్ స్ట్రెయిన్‌కు ముందు మరియు తర్వాత వేర్వేరు ఛానెల్ పొడవులు.
ఇది క్రియేటివ్ కామన్స్ అట్రిబ్యూషన్-నాన్ కమర్షియల్ లైసెన్స్ నిబంధనల ప్రకారం పంపిణీ చేయబడిన ఓపెన్-యాక్సెస్ కథనం, ఇది ఏ మాధ్యమంలోనైనా ఉపయోగం, పంపిణీ మరియు పునరుత్పత్తిని అనుమతిస్తుంది, ఫలితంగా ఉపయోగం వాణిజ్య ప్రయోజనం కోసం కాదు మరియు అసలు పని సరిగ్గా ఉంటే ఉదహరించారు.
గమనిక: మేము మీ ఇమెయిల్ చిరునామాను మాత్రమే అభ్యర్థిస్తాము, తద్వారా మీరు పేజీని సిఫార్సు చేస్తున్న వ్యక్తి మీరు దానిని చూడాలనుకుంటున్నారని మరియు అది జంక్ మెయిల్ కాదని తెలుసుకుంటారు. మేము ఏ ఇమెయిల్ చిరునామాను క్యాప్చర్ చేయము.
ఈ ప్రశ్న మీరు మానవ సందర్శకులా కాదా అని పరీక్షించడానికి మరియు స్వయంచాలక స్పామ్ సమర్పణలను నిరోధించడానికి.
నాన్ లియు, అలెక్స్ చోర్టోస్, టింగ్ లీ, లిహువా జిన్, తాహో రాయ్ కిమ్, వోన్-గ్యు బే, చెన్‌క్సిన్ ఝు, సిహోంగ్ వాంగ్, రాఫెల్ ఫాట్నర్, జియువాన్ చెన్, రాబర్ట్ సింక్లైర్, జెనాన్ బావో ద్వారా
నాన్ లియు, అలెక్స్ చోర్టోస్, టింగ్ లీ, లిహువా జిన్, తాహో రాయ్ కిమ్, వోన్-గ్యు బే, చెన్‌క్సిన్ ఝు, సిహోంగ్ వాంగ్, రాఫెల్ ఫాట్నర్, జియువాన్ చెన్, రాబర్ట్ సింక్లైర్, జెనాన్ బావో ద్వారా
© 2021 అమెరికన్ అసోసియేషన్ ఫర్ ది అడ్వాన్స్‌మెంట్ ఆఫ్ సైన్స్. అన్ని హక్కులు ప్రత్యేకించబడ్డాయి. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef మరియు COUNTERకి భాగస్వామి. సైన్స్ అడ్వాన్సెస్ ISSN 2375-2548.