અલ્ટ્રાટ્રાન્સપેરન્ટ અને સ્ટ્રેચેબલ ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ્સ

દ્વિ-પરિમાણીય સામગ્રી, જેમ કે ગ્રાફીન, પરંપરાગત સેમિકન્ડક્ટર એપ્લિકેશન્સ અને ફ્લેક્સિબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં નવજાત એપ્લિકેશન બંને માટે આકર્ષક છે. જો કે, ગ્રાફીનની ઉચ્ચ તાણ શક્તિ ઓછી તાણ પર ફ્રેક્ચરમાં પરિણમે છે, જેના કારણે સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં તેના અસાધારણ ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મોનો લાભ લેવાનું પડકારરૂપ બને છે. પારદર્શક ગ્રાફીન કંડક્ટરના ઉત્કૃષ્ટ તાણ-આધારિત પ્રદર્શનને સક્ષમ કરવા માટે, અમે સ્ટેક કરેલા ગ્રાફીન સ્તરો વચ્ચે ગ્રાફીન નેનોસ્ક્રોલ બનાવ્યા, જેને મલ્ટિલેયર ગ્રાફીન/ગ્રાફીન સ્ક્રોલ (MGGs) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. તાણ હેઠળ, કેટલાક સ્ક્રોલ પરકોલેટીંગ નેટવર્ક જાળવવા માટે ગ્રાફીનના વિભાજિત ડોમેન્સને બ્રિજ કરે છે જે ઉચ્ચ તાણ પર ઉત્તમ વાહકતાને સક્ષમ કરે છે. ઇલાસ્ટોમર્સ પર સપોર્ટેડ ટ્રાઇલેયર MGG એ તેમની મૂળ વાહકતાના 65% 100% તાણ પર જાળવી રાખ્યું છે, જે વર્તમાન પ્રવાહની દિશાને લંબરૂપ છે, જ્યારે નેનોસ્ક્રોલ વગરની ગ્રાફીનની ટ્રાયલેયર ફિલ્મો તેમના પ્રારંભિક વાહકતાના માત્ર 25% જાળવી રાખે છે. ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે MGGs નો ઉપયોગ કરીને સ્ટ્રેચેબલ ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર >90% નું ટ્રાન્સમિટન્સ પ્રદર્શિત કરે છે અને તેના મૂળ વર્તમાન આઉટપુટના 60% 120% તાણ પર જાળવી રાખે છે (ચાર્જ પરિવહનની દિશાની સમાંતર). આ અત્યંત સ્ટ્રેચેબલ અને પારદર્શક ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર અત્યાધુનિક સ્ટ્રેચેબલ ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક્સને સક્ષમ કરી શકે છે.
સ્ટ્રેચેબલ પારદર્શક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ એ એક વિકસતું ક્ષેત્ર છે જે અદ્યતન બાયોઇન્ટિગ્રેટેડ સિસ્ટમ્સ (1, 2)માં મહત્વપૂર્ણ એપ્લિકેશન્સ ધરાવે છે તેમજ અત્યાધુનિક સોફ્ટ રોબોટિક્સ અને ડિસ્પ્લે બનાવવા માટે સ્ટ્રેચેબલ ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક્સ (3, 4) સાથે સંકલિત થવાની સંભાવના ધરાવે છે. ગ્રાફીન પરમાણુ જાડાઈ, ઉચ્ચ પારદર્શિતા અને ઉચ્ચ વાહકતાના અત્યંત ઇચ્છનીય ગુણધર્મો દર્શાવે છે, પરંતુ સ્ટ્રેચેબલ એપ્લીકેશનમાં તેના અમલીકરણને નાના તાણ પર ક્રેક કરવાની વૃત્તિ દ્વારા અટકાવવામાં આવી છે. ગ્રેફિનની યાંત્રિક મર્યાદાઓને દૂર કરવાથી સ્ટ્રેચેબલ પારદર્શક ઉપકરણોમાં નવી કાર્યક્ષમતા સક્ષમ થઈ શકે છે.
ગ્રેફિનના અનન્ય ગુણધર્મો તેને આગામી પેઢીના પારદર્શક વાહક ઇલેક્ટ્રોડ્સ (5, 6) માટે મજબૂત ઉમેદવાર બનાવે છે. સૌથી સામાન્ય રીતે વપરાતા પારદર્શક વાહક, ઇન્ડિયમ ટીન ઓક્સાઇડ [ITO; 90% પારદર્શિતા પર 100 ઓહ્મ/ચોરસ (ચોરસ)], રાસાયણિક વરાળ ડિપોઝિશન (સીવીડી) દ્વારા ઉગાડવામાં આવેલ મોનોલેયર ગ્રાફીન શીટ પ્રતિકાર (125 ઓહ્મ/ચોરસ) અને પારદર્શિતા (97.4%) (5)નું સમાન સંયોજન ધરાવે છે. વધુમાં, ગ્રાફીન ફિલ્મોમાં ITO (7) ની સરખામણીમાં અસાધારણ સુગમતા હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, પ્લાસ્ટિકના સબસ્ટ્રેટ પર, 0.8 મીમી (8) જેટલા નાના વક્રતાના બેન્ડિંગ ત્રિજ્યા માટે પણ તેની વહનક્ષમતા જાળવી શકાય છે. પારદર્શક લવચીક વાહક તરીકે તેના વિદ્યુત પ્રભાવને વધુ વધારવા માટે, અગાઉના કાર્યોમાં એક પરિમાણીય (1D) સિલ્વર નેનોવાયર અથવા કાર્બન નેનોટ્યુબ્સ (CNTs) (9-11) સાથે ગ્રાફીન હાઇબ્રિડ સામગ્રી વિકસાવવામાં આવી છે. વધુમાં, મિશ્ર પરિમાણીય હેટરોસ્ટ્રક્ચરલ સેમિકન્ડક્ટર્સ (જેમ કે 2D બલ્ક Si, 1D નેનોવાઈર્સ/નેનોટ્યુબ્સ, અને 0D ક્વોન્ટમ ડોટ્સ) (12), લવચીક ટ્રાન્ઝિસ્ટર, સૌર કોષો અને પ્રકાશ ઉત્સર્જિત ડાયોડ્સ (13) માટે ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ગ્રેફિનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. -23).
જો કે ગ્રેફિને લવચીક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે આશાસ્પદ પરિણામો દર્શાવ્યા છે, સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં તેનો ઉપયોગ તેના યાંત્રિક ગુણધર્મો (17, 24, 25) દ્વારા મર્યાદિત છે; ગ્રાફીનમાં 340 N/m ની પ્લેનમાં જડતા અને યંગ્સ મોડ્યુલસ 0.5 TPa (26) છે. મજબૂત કાર્બન-કાર્બન નેટવર્ક લાગુ તાણ માટે કોઈપણ ઉર્જા વિસર્જન પદ્ધતિ પ્રદાન કરતું નથી અને તેથી 5% કરતા ઓછા તાણ પર સરળતાથી તિરાડો પડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, પોલિડીમેથિલસિલોક્સેન (PDMS) સ્થિતિસ્થાપક સબસ્ટ્રેટ પર સ્થાનાંતરિત CVD ગ્રાફીન તેની વાહકતા માત્ર 6% કરતા ઓછા તાણ (8) પર જાળવી શકે છે. સૈદ્ધાંતિક ગણતરીઓ દર્શાવે છે કે વિવિધ સ્તરો વચ્ચે કચડી નાખવું અને આંતરક્રિયાએ સખતતામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરવો જોઈએ (26). ગ્રાફીનને બહુવિધ સ્તરોમાં સ્ટેક કરીને, એવું નોંધવામાં આવે છે કે આ દ્વિ-અથવા ટ્રાયલેયર ગ્રાફીન 30% તાણ સુધી ખેંચી શકાય તેવું છે, જે મોનોલેયર ગ્રાફીન (27) કરતા 13 ગણું ઓછું પ્રતિકારક પરિવર્તન દર્શાવે છે. જો કે, આ સ્ટ્રેચેબિલિટી હજુ પણ અત્યાધુનિક સ્ટ્રેચેબલ સી ઓન્ડક્ટર્સ (28, 29) કરતાં નોંધપાત્ર રીતે હલકી ગુણવત્તાવાળા છે.
સ્ટ્રેચેબલ એપ્લિકેશન્સમાં ટ્રાંઝિસ્ટર મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે તેઓ અત્યાધુનિક સેન્સર રીડઆઉટ અને સિગ્નલ વિશ્લેષણને સક્ષમ કરે છે (30, 31). સ્ત્રોત/ડ્રેન ઇલેક્ટ્રોડ અને ચેનલ સામગ્રી તરીકે મલ્ટિલેયર ગ્રેફિન સાથે PDMS પર ટ્રાન્ઝિસ્ટર 5% સ્ટ્રેઇન (32) સુધી વિદ્યુત કાર્ય જાળવી શકે છે, જે પહેરવા યોગ્ય આરોગ્ય-નિરીક્ષણ સેન્સર્સ અને ઇલેક્ટ્રોનિક ત્વચા માટે લઘુત્તમ જરૂરી મૂલ્ય (~50%) કરતાં નોંધપાત્ર રીતે નીચે છે. 33, 34). તાજેતરમાં, ગ્રાફીન કિરીગામી અભિગમની શોધ કરવામાં આવી છે, અને પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ દ્વારા ગેટેડ ટ્રાન્ઝિસ્ટરને 240% (35) સુધી ખેંચી શકાય છે. જો કે, આ પદ્ધતિ માટે સસ્પેન્ડેડ ગ્રાફીનની જરૂર છે, જે ફેબ્રિકેશન પ્રક્રિયાને જટિલ બનાવે છે.
અહીં, અમે ગ્રાફીન સ્તરો વચ્ચે ગ્રાફીન સ્ક્રોલ (~1 થી 20 μm લાંબા, ~ 0.1 થી 1 μm પહોળા અને ~ 10 થી 100 nm ઊંચા) ને ઇન્ટરકેલેટ કરીને અત્યંત ખેંચી શકાય તેવા ગ્રાફીન ઉપકરણો પ્રાપ્ત કરીએ છીએ. અમે અનુમાન કરીએ છીએ કે આ ગ્રાફીન સ્ક્રોલ ગ્રાફીન શીટ્સમાં તિરાડોને પુલ કરવા માટે વાહક માર્ગો પ્રદાન કરી શકે છે, આમ તાણ હેઠળ ઉચ્ચ વાહકતા જાળવી રાખે છે. ગ્રાફીન સ્ક્રોલને વધારાના સંશ્લેષણ અથવા પ્રક્રિયાની જરૂર નથી; તેઓ કુદરતી રીતે ભીની ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયા દરમિયાન રચાય છે. મલ્ટિલેયર G/G (ગ્રાફીન/ગ્રાફીન) સ્ક્રોલ (MGGs) ગ્રાફીન સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોડ્સ (સ્રોત/ડ્રેન અને ગેટ) અને સેમિકન્ડક્ટિંગ CNT નો ઉપયોગ કરીને, અમે અત્યંત પારદર્શક અને અત્યંત સ્ટ્રેચેબલ ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર દર્શાવવામાં સક્ષમ હતા, જેને 120 સુધી ખેંચી શકાય છે. % તાણ (ચાર્જ પરિવહનની દિશાની સમાંતર) અને તેમના મૂળ વર્તમાન આઉટપુટના 60% જાળવી રાખે છે. આ અત્યાર સુધીનું સૌથી સ્ટ્રેચેબલ પારદર્શક કાર્બન-આધારિત ટ્રાન્ઝિસ્ટર છે, અને તે અકાર્બનિક LED ચલાવવા માટે પૂરતો પ્રવાહ પૂરો પાડે છે.
મોટા વિસ્તારના પારદર્શક સ્ટ્રેચેબલ ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ્સને સક્ષમ કરવા માટે, અમે Cu વરખ પર CVD-ઉગાડવામાં આવેલ ગ્રાફીન પસંદ કર્યું. ક્યુ ફોઇલને CVD ક્વાર્ટઝ ટ્યુબની મધ્યમાં સસ્પેન્ડ કરવામાં આવ્યું હતું જેથી G/Cu/G સ્ટ્રક્ચર્સ બનાવે છે, બંને બાજુએ ગ્રેફિનની વૃદ્ધિ થાય છે. ગ્રાફીનને સ્થાનાંતરિત કરવા માટે, અમે સૌપ્રથમ ગ્રાફીનની એક બાજુને સુરક્ષિત રાખવા માટે પોલી(મિથાઈલ મેથાક્રાયલેટ) (PMMA) ના પાતળા સ્તરને સ્પિન-કોટેડ કર્યું, જેને અમે ટોપસાઈડ ગ્રાફીન (ગ્રાફિનની બીજી બાજુ માટે ઊલટું) નામ આપ્યું, અને ત્યારબાદ, આખી ફિલ્મ (PMMA/ટોપ ગ્રાફીન/Cu/બોટમ ગ્રાફીન) ક્યુ ફોઇલને દૂર કરવા માટે (NH4)2S2O8 સોલ્યુશનમાં પલાળવામાં આવી હતી. PMMA કોટિંગ વિના નીચેની બાજુના ગ્રાફીનમાં અનિવાર્યપણે તિરાડો અને ખામીઓ હશે જે એચેન્ટને (36, 37) માં પ્રવેશવા દે છે. ફિગ. 1A માં દર્શાવ્યા મુજબ, સપાટીના તાણની અસર હેઠળ, પ્રકાશિત થયેલ ગ્રાફીન ડોમેન્સ સ્ક્રોલમાં ફેરવાય છે અને ત્યારબાદ બાકીની ટોપ-G/PMMA ફિલ્મ સાથે જોડાયેલ છે. ટોપ-જી/જી સ્ક્રોલ કોઈપણ સબસ્ટ્રેટ પર ટ્રાન્સફર કરી શકાય છે, જેમ કે SiO2/Si, ગ્લાસ અથવા સોફ્ટ પોલિમર. આ ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયાને એક જ સબસ્ટ્રેટ પર ઘણી વખત પુનરાવર્તિત કરવાથી MGG સ્ટ્રક્ચર મળે છે.
(A) સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે MGGs માટે ફેબ્રિકેશન પ્રક્રિયાનું યોજનાકીય ચિત્ર. ગ્રાફીન ટ્રાન્સફર દરમિયાન, ક્યુ ફોઇલ પર બેકસાઇડ ગ્રાફીન સીમાઓ અને ખામીઓ પર તૂટી ગયું હતું, મનસ્વી આકારોમાં વળેલું હતું, અને નેનોસ્ક્રોલ બનાવે છે, ઉપરની ફિલ્મો પર ચુસ્તપણે જોડાયેલું હતું. ચોથું કાર્ટૂન સ્ટેક્ડ MGG માળખું દર્શાવે છે. (B અને C) મોનોલેયર MGG ના ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન TEM લાક્ષણિકતા, અનુક્રમે મોનોલેયર ગ્રાફીન (B) અને સ્ક્રોલ (C) પ્રદેશ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે. (B) નો ઇનસેટ એ ઓછી-વૃદ્ધિની છબી છે જે TEM ગ્રીડ પર મોનોલેયર MGG ની એકંદર મોર્ફોલોજી દર્શાવે છે. (C) ના ઇન્સેટ્સ એ ઇમેજમાં દર્શાવેલ લંબચોરસ બોક્સ સાથે લેવામાં આવેલી તીવ્રતા પ્રોફાઇલ્સ છે, જ્યાં અણુ વિમાનો વચ્ચેનું અંતર 0.34 અને 0.41 nm છે. (D) કાર્બન કે-એજ EEL સ્પેક્ટ્રમ લાક્ષણિકતા ગ્રાફિક π* અને σ* શિખરો લેબલ સાથે. (E) મોનોલેયર G/G સ્ક્રોલની વિભાગીય AFM ઇમેજ પીળી ડોટેડ લાઇન સાથે ઉંચાઇ પ્રોફાઇલ સાથે. (F થી I) અનુક્રમે 300-nm-જાડા SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ પર (F અને H) વગર અને સ્ક્રોલ (G અને I) સાથે ટ્રાયલેયર G ની ઑપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપી અને AFM છબીઓ. પ્રતિનિધિ સ્ક્રોલ અને કરચલીઓ તેમના તફાવતોને પ્રકાશિત કરવા માટે લેબલ કરવામાં આવી હતી.
સ્ક્રોલ પ્રકૃતિમાં રોલ્ડ ગ્રાફીન છે તે ચકાસવા માટે, અમે મોનોલેયર ટોપ-જી/જી સ્ક્રોલ સ્ટ્રક્ચર્સ પર ઉચ્ચ-રિઝોલ્યુશન ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) અને ઇલેક્ટ્રોન એનર્જી લોસ (EEL) સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી અભ્યાસ હાથ ધર્યા. આકૃતિ 1B મોનોલેયર ગ્રાફીનનું ષટ્કોણ માળખું બતાવે છે, અને ઇન્સેટ એ TEM ગ્રીડના એક કાર્બન છિદ્ર પર આવરી લેવામાં આવેલી ફિલ્મની એકંદર મોર્ફોલોજી છે. મોનોલેયર ગ્રાફીન મોટાભાગની ગ્રીડને ફેલાવે છે, અને હેક્સાગોનલ રિંગ્સના બહુવિધ સ્ટેક્સની હાજરીમાં કેટલાક ગ્રાફીન ફ્લેક્સ દેખાય છે (ફિગ. 1B). વ્યક્તિગત સ્ક્રોલ (ફિગ. 1C) માં ઝૂમ કરીને, અમે 0.34 થી 0.41 nm ની રેન્જમાં જાળીના અંતર સાથે, ગ્રેફીન જાળીના કિનારે મોટી માત્રામાં અવલોકન કર્યું. આ માપ સૂચવે છે કે ફ્લેક્સ અવ્યવસ્થિત રીતે વળેલું છે અને તે સંપૂર્ણ ગ્રેફાઇટ નથી, જે "ABAB" લેયર સ્ટેકીંગમાં 0.34 nm નું જાળીનું અંતર ધરાવે છે. આકૃતિ 1D કાર્બન K-એજ EEL સ્પેક્ટ્રમ બતાવે છે, જ્યાં 285 eV પરની ટોચ π* ભ્રમણકક્ષામાંથી ઉદ્દભવે છે અને 290 eV ની આસપાસનો બીજો σ* ભ્રમણકક્ષાના સંક્રમણને કારણે છે. તે જોઈ શકાય છે કે આ સ્ટ્રક્ચરમાં sp2 બોન્ડિંગ વર્ચસ્વ ધરાવે છે, સ્ક્રોલ અત્યંત ગ્રાફિક છે તેની ચકાસણી કરે છે.
ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપી અને એટોમિક ફોર્સ માઈક્રોસ્કોપી (AFM) ઈમેજીસ MGGs (ફિગ. 1, E થી G, અને figs. S1 અને S2) માં ગ્રાફીન નેનોસ્ક્રોલના વિતરણની સમજ આપે છે. સ્ક્રોલ સપાટી પર અવ્યવસ્થિત રીતે વિતરિત કરવામાં આવે છે, અને તેમની પ્લેનમાં ઘનતા સ્ટેક્ડ સ્તરોની સંખ્યાના પ્રમાણમાં વધે છે. ઘણા સ્ક્રોલ ગાંઠોમાં ગુંચવાયેલા હોય છે અને 10 થી 100 એનએમની રેન્જમાં બિનસમાન ઊંચાઈ દર્શાવે છે. તેઓ 1 થી 20 μm લાંબા અને 0.1 થી 1 μm પહોળા હોય છે, તેમના પ્રારંભિક ગ્રાફીન ફ્લેક્સના કદના આધારે. ફિગ. 1 (H અને I) માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્ક્રોલ કરચલીઓ કરતા નોંધપાત્ર રીતે મોટા કદ ધરાવે છે, જે ગ્રાફીન સ્તરો વચ્ચે વધુ રફ ઇન્ટરફેસ તરફ દોરી જાય છે.
વિદ્યુત ગુણધર્મોને માપવા માટે, અમે ફોટોલિથોગ્રાફીનો ઉપયોગ કરીને 300-μm-પહોળા અને 2000-μm-લાંબી સ્ટ્રીપ્સમાં સ્ક્રોલ સ્ટ્રક્ચર્સ અને લેયર સ્ટેકીંગ સાથે અથવા વગર ગ્રાફીન ફિલ્મોની પેટર્ન બનાવી છે. તાણના કાર્ય તરીકે બે-તપાસ પ્રતિકારને આસપાસની પરિસ્થિતિઓ હેઠળ માપવામાં આવ્યા હતા. સ્ક્રોલની હાજરીએ મોનોલેયર ગ્રાફીન માટે પ્રતિરોધકતા 80% ઘટાડી હતી અને ટ્રાન્સમિટન્સમાં માત્ર 2.2% ઘટાડો થયો હતો (ફિગ. S4). આ પુષ્ટિ કરે છે કે નેનોસ્ક્રોલ, જે 5 × 107 A/cm2 (38, 39) સુધીની ઊંચી વર્તમાન ઘનતા ધરાવે છે, તે MGG માટે ખૂબ જ હકારાત્મક વિદ્યુત યોગદાન આપે છે. તમામ મોનો-, બાય- અને ટ્રાયલેયર પ્લેન ગ્રાફીન અને MGG માં, ટ્રાઈલેયર MGG લગભગ 90% ની પારદર્શિતા સાથે શ્રેષ્ઠ વાહકતા ધરાવે છે. સાહિત્યમાં નોંધાયેલા ગ્રાફીનના અન્ય સ્ત્રોતો સાથે સરખામણી કરવા માટે, અમે ચાર-પ્રોબ શીટ રેઝિસ્ટન્સ (ફિગ. S5) પણ માપ્યા છે અને તેમને Fig. 2A માં 550 nm (અંજીર S6) પર ટ્રાન્સમિટન્સના કાર્ય તરીકે સૂચિબદ્ધ કર્યા છે. MGG કૃત્રિમ રીતે સ્ટૅક્ડ મલ્ટિલા યર પ્લેન ગ્રાફીન અને ઘટાડેલા ગ્રેફિન ઓક્સાઇડ (RGO) (6, 8, 18) કરતાં તુલનાત્મક અથવા ઉચ્ચ વાહકતા અને પારદર્શિતા દર્શાવે છે. નોંધ કરો કે સાહિત્યમાંથી કૃત્રિમ રીતે સ્ટૅક્ડ મલ્ટિલેયર પ્લેન ગ્રાફીનની શીટ રેઝિસ્ટન્સ આપણા MGG કરતા સહેજ વધારે છે, કદાચ તેમની અપ્રમાણિત વૃદ્ધિની સ્થિતિ અને ટ્રાન્સફર પદ્ધતિને કારણે.
(A) વિવિધ પ્રકારના ગ્રાફીન માટે 550 nm પર ટ્રાન્સમિટન્સ વિરુદ્ધ ફોર-પ્રોબ શીટ પ્રતિકાર, જ્યાં કાળા ચોરસ મોનો-, બાય- અને ટ્રાયલેયર MGGs દર્શાવે છે; લાલ વર્તુળો અને વાદળી ત્રિકોણ લિ એટ અલના અભ્યાસોમાંથી Cu અને Ni પર ઉગાડવામાં આવેલા મલ્ટિલેયર પ્લેન ગ્રાફીન સાથે સુસંગત છે. (6) અને કિમ એટ અલ. (8), અનુક્રમે, અને ત્યારબાદ SiO2/Si અથવા ક્વાર્ટઝ પર સ્થાનાંતરિત; અને લીલા ત્રિકોણ એ બોનાકોર્સો એટ અલના અભ્યાસમાંથી અલગ-અલગ ઘટાડતી ડિગ્રી પર RGO માટે મૂલ્યો છે. (18). (B અને C) મોનો-, દ્વિ- અને ટ્રાયલેયર MGGs અને G નો સામાન્યકૃત પ્રતિકાર ફેરફાર કાટખૂણે (B) અને સમાંતર (C) પ્રવાહની દિશામાં તાણના કાર્ય તરીકે. (D) 50% લંબરૂપ તાણ સુધી ચક્રીય તાણ લોડિંગ હેઠળ બાયલેયર G (લાલ) અને MGG (કાળો) નો સામાન્યકૃત પ્રતિકાર ફેરફાર. (E) 90% સમાંતર તાણ સુધી ચક્રીય તાણ લોડિંગ હેઠળ ટ્રાયલેયર G (લાલ) અને MGG (કાળો) નો સામાન્યકૃત પ્રતિકાર ફેરફાર. (F) તાણના કાર્ય તરીકે મોનો-, દ્વિ- અને ટ્રાયલેયર G અને દ્વિ- અને ટ્રાયલેયર MGG નું સામાન્યકૃત કેપેસીટન્સ ફેરફાર. ઇનસેટ એ કેપેસિટર માળખું છે, જ્યાં પોલિમર સબસ્ટ્રેટ SEBS છે અને પોલિમર ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર 2-μm-જાડું SEBS છે.
MGG ની તાણ-આધારિત કામગીરીનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે, અમે થર્મોપ્લાસ્ટિક ઇલાસ્ટોમર સ્ટાયરીન-ઇથિલિન-બ્યુટાડિયન-સ્ટાયરીન (SEBS) સબસ્ટ્રેટ્સ (~2 સે.મી. પહોળા અને ~5 સે.મી. લાંબુ) પર ગ્રાફીન સ્થાનાંતરિત કર્યું, અને સબસ્ટ્રેટને ખેંચવામાં આવતાં વાહકતા માપવામાં આવી. (સામગ્રી અને પદ્ધતિઓ જુઓ) વર્તમાન પ્રવાહની દિશા (ફિગ. 2, B અને C) બંને કાટખૂણે અને સમાંતર. નેનોસ્ક્રોલનો સમાવેશ અને ગ્રાફીન સ્તરોની સંખ્યા વધવાથી તાણ-આશ્રિત વિદ્યુત વર્તનમાં સુધારો થયો છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે તાણ વર્તમાન પ્રવાહને લંબરૂપ હોય છે, ત્યારે મોનોલેયર ગ્રાફીન માટે, સ્ક્રોલના ઉમેરાથી વિદ્યુત તૂટવાના સમયે તાણ 5 થી 70% સુધી વધી જાય છે. ટ્રાઇલેયર ગ્રાફીનની તાણ સહિષ્ણુતા પણ મોનોલેયર ગ્રાફીનની તુલનામાં નોંધપાત્ર રીતે સુધારેલ છે. નેનોસ્ક્રોલ સાથે, 100% લંબરૂપ તાણ પર, સ્ક્રોલ વગરના ટ્રાયલેયર ગ્રાફીન માટે 300% ની સરખામણીમાં, ટ્રાયલેયર MGG સ્ટ્રક્ચરનો પ્રતિકાર માત્ર 50% વધ્યો છે. ચક્રીય તાણ લોડિંગ હેઠળ પ્રતિકાર પરિવર્તનની તપાસ કરવામાં આવી હતી. સરખામણી માટે (ફિગ. 2D), 50% કાટખૂણે તાણ પર ~700 ચક્ર પછી સાદા બાયલેયર ગ્રાફીન ફિલ્મનો પ્રતિકાર લગભગ 7.5 ગણો વધ્યો અને દરેક ચક્રમાં તાણ સાથે વધતો જ રહ્યો. બીજી તરફ, ~700 ચક્ર પછી બાયલેયર MGG નો પ્રતિકાર માત્ર 2.5 ગણો વધ્યો છે. સમાંતર દિશામાં 90% સુધી તાણ લાગુ કરવાથી, ટ્રાયલેયર ગ્રાફીનનો પ્રતિકાર 1000 ચક્ર પછી ~100 ગણો વધ્યો છે, જ્યારે ટ્રાયલેયર MGG (ફિગ. 2E)માં તે માત્ર ~8 ગણો છે. સાયકલ ચલાવવાના પરિણામો ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યા છે. S7. સમાંતર તાણની દિશા સાથે પ્રતિકારમાં પ્રમાણમાં ઝડપી વધારો એ છે કારણ કે તિરાડોનું ઓરિએન્ટેશન વર્તમાન પ્રવાહની દિશાને લંબરૂપ છે. લોડિંગ અને અનલોડિંગ તાણ દરમિયાન પ્રતિકારનું વિચલન SEBS ઇલાસ્ટોમર સબસ્ટ્રેટની વિસ્કોએલાસ્ટિક પુનઃપ્રાપ્તિને કારણે છે. સાયકલિંગ દરમિયાન MGG સ્ટ્રીપ્સનો વધુ સ્થિર પ્રતિકાર એ મોટા સ્ક્રોલની હાજરીને કારણે છે જે ગ્રાફીનના તિરાડ ભાગોને પુલ કરી શકે છે (જેમ કે AFM દ્વારા ઓબ્ઝ કરવામાં આવ્યું છે), જે પરકોલેટીંગ પાથવે જાળવવામાં મદદ કરે છે. ઇલાસ્ટોમર સબસ્ટ્રેટ્સ (40, 41) પર ક્રેક્ડ મેટલ અથવા સેમિકન્ડક્ટર ફિલ્મો માટે પરકોલેટીંગ પાથવે દ્વારા વાહકતા જાળવવાની આ ઘટના અગાઉ નોંધવામાં આવી છે.
સ્ટ્રેચેબલ ઉપકરણોમાં ગેટ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે આ ગ્રાફીન-આધારિત ફિલ્મોનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે, અમે SEBS ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર (2 μm જાડા) સાથે ગ્રેફિન સ્તરને આવરી લીધું છે અને તાણના કાર્ય તરીકે ડાઇલેક્ટ્રિક કેપેસીટન્સ ફેરફારનું નિરીક્ષણ કર્યું છે (ફિગ. 2F અને પૂરક સામગ્રી જુઓ. વિગતો). અમે અવલોકન કર્યું છે કે પ્લેન મોનોલેયર અને બાયલેયર ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ સાથેની ક્ષમતા ઝડપથી ઘટી ગઈ છે કારણ કે ગ્રાફીનની પ્લેન વાહકતાના નુકશાનને કારણે. તેનાથી વિપરિત, MGGs તેમજ સાદા ટ્રાયલેયર ગ્રાફીન દ્વારા ગેટેડ કેપેસિટેન્સે તાણ સાથે કેપેસિટેન્સમાં વધારો દર્શાવ્યો હતો, જે તાણ સાથે ડાઇલેક્ટ્રિક જાડાઈમાં ઘટાડો થવાને કારણે અપેક્ષિત છે. કેપેસિટેન્સમાં અપેક્ષિત વધારો MGG સ્ટ્રક્ચર (અંજીર S8) સાથે ખૂબ જ સારી રીતે મેળ ખાતો હતો. આ સૂચવે છે કે એમજીજી સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાંઝિસ્ટર માટે ગેટ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે યોગ્ય છે.
વિદ્યુત વાહકતાની તાણ સહિષ્ણુતા પર 1D ગ્રાફીન સ્ક્રોલની ભૂમિકાની વધુ તપાસ કરવા અને ગ્રાફીન સ્તરો વચ્ચેના વિભાજનને વધુ સારી રીતે નિયંત્રિત કરવા માટે, અમે ગ્રેફિન સ્ક્રોલને બદલવા માટે સ્પ્રે-કોટેડ CNT નો ઉપયોગ કર્યો (જુઓ પૂરક સામગ્રી). MGG સ્ટ્રક્ચર્સની નકલ કરવા માટે, અમે CNT ની ત્રણ ઘનતા જમા કરી છે (એટલે ​​કે, CNT1
(A થી C) CNTs (CNT1
સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે તેમની ક્ષમતાને વધુ સમજવા માટે, અમે તાણ હેઠળ MGG અને G-CNT-G ના મોર્ફોલોજીસની પદ્ધતિસર તપાસ કરી. ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપી અને સ્કેનિંગ ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપી (SEM) અસરકારક પાત્રાલેખન પદ્ધતિઓ નથી કારણ કે બંનેમાં કલર કોન્ટ્રાસ્ટનો અભાવ છે અને SEM ઈલેક્ટ્રોન સ્કેનિંગ દરમિયાન જ્યારે ગ્રાફીન પોલિમર સબસ્ટ્રેટ (અંજીર S9 અને S10) પર હોય છે ત્યારે ઈમેજ આર્ટિફેક્ટને આધીન છે. તાણ હેઠળની ગ્રાફીન સપાટીનું અવલોકન કરવા માટે, અમે ખૂબ જ પાતળા (~0.1 મીમી જાડા) અને સ્થિતિસ્થાપક SEBS સબસ્ટ્રેટ પર સ્થાનાંતરિત કર્યા પછી ટ્રાયલેયર MGGs અને સાદા ગ્રાફીન પર AFM માપ એકત્રિત કર્યા. CVD ગ્રાફીનમાં આંતરિક ખામીઓ અને ટ્રાન્સફર પ્રક્રિયા દરમિયાન બાહ્ય નુકસાનને કારણે, તાણવાળા ગ્રાફીન પર અનિવાર્યપણે તિરાડો ઉત્પન્ન થાય છે, અને વધતા તાણ સાથે, તિરાડો વધુ ગીચ બની જાય છે (ફિગ. 4, A થી D). કાર્બન-આધારિત ઇલેક્ટ્રોડ્સના સ્ટેકીંગ સ્ટ્રક્ચર પર આધાર રાખીને, તિરાડો વિવિધ મોર્ફોલોજીસ દર્શાવે છે (અંજીર S11) (27). મલ્ટિલેયર ગ્રેફિનની ક્રેક એરિયા ડેન્સિટી (ક્રેક એરિયા/વિશ્લેષિત વિસ્તાર તરીકે વ્યાખ્યાયિત) તાણ પછી મોનોલેયર ગ્રાફીન કરતા ઓછી છે, જે એમજીજી માટે વિદ્યુત વાહકતામાં વધારા સાથે સુસંગત છે. બીજી બાજુ, તિરાડોને પુલ કરવા માટે ઘણીવાર સ્ક્રોલ જોવા મળે છે, જે તાણવાળી ફિલ્મમાં વધારાના વાહક માર્ગો પૂરા પાડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ફિગ. 4B ની ઇમેજમાં લેબલ કર્યા મુજબ, એક વિશાળ સ્ક્રોલ ટ્રાયલેયર MGGમાં ક્રેકને પાર કરે છે, પરંતુ સાદા ગ્રાફીનમાં (ફિગ. 4, E થી H) કોઈ સ્ક્રોલ જોવા મળ્યું નથી. એ જ રીતે, CNT એ પણ ગ્રાફીન (ફિગ. S11) માં તિરાડોને દૂર કરે છે. ક્રેક એરિયા ડેન્સિટી, સ્ક્રોલ એરિયા ડેન્સિટી અને ફિલ્મોની રફનેસનો સારાંશ ફિગ. 4Kમાં આપવામાં આવ્યો છે.
(A થી H) 0, 20, 60, અને 100 પર અત્યંત પાતળા SEBS (~0.1 mm જાડા) ઇલાસ્ટોમર પર ટ્રાઇલેયર G/G સ્ક્રોલ (A થી D) અને ટ્રાયલેયર G સ્ટ્રક્ચર્સ (E થી H) ની AFM છબીઓ % તાણ. પ્રતિનિધિ તિરાડો અને સ્ક્રોલ તીર સાથે નિર્દેશિત છે. તમામ AFM ઈમેજો 15 μm × 15 μm વિસ્તારમાં છે, લેબલ કરેલ સમાન રંગ સ્કેલ બારનો ઉપયોગ કરીને. (I) SEBS સબસ્ટ્રેટ પર પેટર્નવાળી મોનોલેયર ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ્સની સિમ્યુલેશન ભૂમિતિ. (J) 20% બાહ્ય તાણ પર મોનોલેયર ગ્રાફીન અને SEBS સબસ્ટ્રેટમાં મહત્તમ મુખ્ય લઘુગણક તાણનો સિમ્યુલેશન કોન્ટૂર નકશો. (K) ક્રેક એરિયા ડેન્સિટી (લાલ કૉલમ), સ્ક્રોલ એરિયા ડેન્સિટી (પીળો કૉલમ), અને સપાટીની ખરબચડી (વાદળી કૉલમ) વિવિધ ગ્રાફિન સ્ટ્રક્ચર્સ માટે સરખામણી.
જ્યારે MGG ફિલ્મોને ખેંચવામાં આવે છે, ત્યારે એક મહત્વપૂર્ણ વધારાની પદ્ધતિ છે કે જે સ્ક્રોલ ગ્રાફીનના તિરાડ વિસ્તારોને પુલ કરી શકે છે, એક પરકોલેટિંગ નેટવર્ક જાળવી રાખે છે. ગ્રાફીન સ્ક્રોલ આશાસ્પદ છે કારણ કે તે લંબાઈમાં દસ માઇક્રોમીટર હોઈ શકે છે અને તેથી તે તિરાડોને દૂર કરવામાં સક્ષમ છે જે સામાન્ય રીતે માઇક્રોમીટર સ્કેલ સુધી હોય છે. વધુમાં, કારણ કે સ્ક્રોલ્સમાં ગ્રાફીનના મલ્ટિલેયર્સનો સમાવેશ થાય છે, તેમની પાસે ઓછી પ્રતિકારની અપેક્ષા છે. સરખામણીમાં, તુલનાત્મક વાહક બ્રિજિંગ ક્ષમતા પ્રદાન કરવા માટે પ્રમાણમાં ગાઢ (નીચું ટ્રાન્સમિટન્સ) CNT નેટવર્ક જરૂરી છે, કારણ કે CNT નાના (સામાન્ય રીતે થોડા માઇક્રોમીટર લંબાઈ) અને સ્ક્રોલ કરતાં ઓછા વાહક હોય છે. બીજી બાજુ, ફિગમાં બતાવ્યા પ્રમાણે. S12, જ્યારે સ્ટ્રેચિંગ દરમિયાન ગ્રાફીનમાં તિરાડો પડે છે જેથી તાણને સમાવવા માટે, સ્ક્રોલ ક્રેક થતા નથી, જે દર્શાવે છે કે બાદમાં અંતર્ગત ગ્રાફીન પર સરકતું હોઈ શકે છે. તેમાં તિરાડ પડતી નથી તેનું કારણ ગ્રાફીનના ઘણા સ્તરો (~1 થી 2 0 μm લાંબા, ~ 0.1 થી 1 μm પહોળા અને ~ 10 થી 100 nm ઉંચા) થી બનેલા રોલ્ડ-અપ સ્ટ્રક્ચરને કારણે છે. સિંગલ-લેયર ગ્રાફીન કરતાં વધુ અસરકારક મોડ્યુલસ. ગ્રીન અને હર્સમ (42) દ્વારા અહેવાલ મુજબ, ધાતુના CNT નેટવર્ક્સ (1.0 nmનો ટ્યુબ વ્યાસ) CNTs વચ્ચે મોટા જંકશન પ્રતિકાર હોવા છતાં નીચા શીટ પ્રતિકાર <100 ohms/sq પ્રાપ્ત કરી શકે છે. અમારા ગ્રાફીન સ્ક્રોલની પહોળાઈ 0.1 થી 1 μm છે અને G/G સ્ક્રોલમાં CNTs કરતા ઘણા મોટા સંપર્ક વિસ્તારો છે તે ધ્યાનમાં લેતા, ગ્રાફીન અને ગ્રાફીન સ્ક્રોલ વચ્ચેનો સંપર્ક પ્રતિકાર અને સંપર્ક વિસ્તાર ઉચ્ચ વાહકતા જાળવવા માટેના પરિબળોને મર્યાદિત કરવા જોઈએ નહીં.
ગ્રેફિનમાં SEBS સબસ્ટ્રેટ કરતાં ઘણું વધારે મોડ્યુલસ છે. ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડની અસરકારક જાડાઈ સબસ્ટ્રેટ કરતા ઘણી ઓછી હોવા છતાં, ગ્રેફિનની કઠિનતા તેની જાડાઈ સબસ્ટ્રેટ (43, 44) સાથે તુલનાત્મક છે, પરિણામે મધ્યમ કઠોર-ટાપુ અસર થાય છે. અમે SEBS સબસ્ટ્રેટ પર 1-nm-જાડા ગ્રેફિનના વિરૂપતાનું અનુકરણ કર્યું (વિગતો માટે પૂરક સામગ્રી જુઓ). સિમ્યુલેશન પરિણામો અનુસાર, જ્યારે SEBS સબસ્ટ્રેટ પર 20% તાણ બાહ્ય રીતે લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ગ્રાફીનમાં સરેરાશ તાણ ~6.6% (ફિગ. 4J અને ફિગ. S13D) છે, જે પ્રાયોગિક અવલોકનો સાથે સુસંગત છે (જુઓ. ફિગ. S13) . અમે ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરીને પેટર્નવાળા ગ્રાફીન અને સબસ્ટ્રેટ પ્રદેશોમાં તાણની તુલના કરી અને સબસ્ટ્રેટ પ્રદેશમાં તાણ ગ્રેફિન પ્રદેશમાં ઓછામાં ઓછા બમણું તાણ હોવાનું જણાયું. આ સૂચવે છે કે ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ પેટર્ન પર લાગુ કરાયેલ તાણ નોંધપાત્ર રીતે મર્યાદિત હોઈ શકે છે, જે SEBS (26, 43, 44) ની ટોચ પર ગ્રેફિન સખત ટાપુઓ બનાવે છે.
તેથી, ઉચ્ચ તાણ હેઠળ ઉચ્ચ વાહકતા જાળવવા માટે એમજીજી ઇલેક્ટ્રોડ્સની ક્ષમતા બે મુખ્ય પદ્ધતિઓ દ્વારા સક્ષમ થવાની સંભાવના છે: (i) સ્ક્રોલ વાહક પરકોલેશન પાથવે જાળવવા માટે ડિસ્કનેક્ટ થયેલા પ્રદેશોને પુલ કરી શકે છે, અને (ii) મલ્ટિલેયર ગ્રાફીન શીટ્સ/ઇલાસ્ટોમર સ્લાઇડ કરી શકે છે. એકબીજાની ઉપર, જેના પરિણામે ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ પરનો તાણ ઓછો થાય છે. ઇલાસ્ટોમર પર સ્થાનાંતરિત ગ્રાફીનના બહુવિધ સ્તરો માટે, સ્તરો એકબીજા સાથે મજબૂત રીતે જોડાયેલા નથી, જે તાણના પ્રતિભાવમાં સ્લાઇડ થઈ શકે છે (27). સ્ક્રોલોએ ગ્રાફીન સ્તરોની રફનેસમાં પણ વધારો કર્યો છે, જે ગ્રાફીન સ્તરો વચ્ચેના વિભાજનને વધારવામાં મદદ કરી શકે છે અને તેથી ગ્રાફીન સ્તરોના સ્લાઇડિંગને સક્ષમ કરે છે.
ઓછી કિંમત અને ઉચ્ચ થ્રુપુટને કારણે ઓલ-કાર્બન ઉપકરણોને ઉત્સાહપૂર્વક અનુસરવામાં આવે છે. અમારા કિસ્સામાં, ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર નીચે ગ્રાફીન ગેટ, ટોચના ગ્રાફીન સ્ત્રોત/ડ્રેન કોન્ટેક્ટ, સોર્ટ કરેલ CNT સેમિકન્ડક્ટર અને ડાઇલેક્ટ્રિક તરીકે SEBS (ફિગ. 5A) નો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવ્યા હતા. ફિગ. 5B માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સ્ત્રોત/ડ્રેન અને ગેટ (નીચેનું ઉપકરણ) તરીકે CNTs સાથેનું ઓલ-કાર્બન ઉપકરણ ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ્સ (ટોચ ઉપકરણ) સાથેના ઉપકરણ કરતાં વધુ અપારદર્શક છે. આ એટલા માટે છે કારણ કે CNT નેટવર્કને મોટી જાડાઈની જરૂર પડે છે અને પરિણામે, ગ્રાફીન (ફિગ. S4) જેવા શીટ પ્રતિકાર પ્રાપ્ત કરવા માટે ઓછા ઓપ્ટિકલ ટ્રાન્સમિટન્સની જરૂર પડે છે. આકૃતિ 5 (C અને D) બાયલેયર MGG ઇલેક્ટ્રોડ્સ સાથે બનેલા ટ્રાન્ઝિસ્ટર માટે તાણ પહેલા પ્રતિનિધિ ટ્રાન્સફર અને આઉટપુટ વણાંકો દર્શાવે છે. અનસ્ટ્રેઇન્ડ ટ્રાંઝિસ્ટરની ચેનલની પહોળાઈ અને લંબાઈ અનુક્રમે 800 અને 100 μm હતી. માપેલ ચાલુ/બંધ ગુણોત્તર અનુક્રમે 10−5 અને 10−8 A ના સ્તરે ચાલુ અને બંધ પ્રવાહો સાથે 103 કરતા વધારે છે. આઉટપુટ વળાંક સ્પષ્ટ ગેટ-વોલ્ટેજ અવલંબન સાથે આદર્શ રેખીય અને સા ટ્યુરેશન શાસન દર્શાવે છે, જે CNTs અને ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ્સ (45) વચ્ચે આદર્શ સંપર્ક સૂચવે છે. ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ સાથેનો સંપર્ક પ્રતિકાર બાષ્પીભવનવાળી Au ફિલ્મ (અંજીર S14 જુઓ) કરતા ઓછો હોવાનું જણાયું હતું. સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સંતૃપ્તિ ગતિશીલતા લગભગ 5.6 cm2/Vs છે, જે એક ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર તરીકે 300-nm SiO2 સાથે સખત Si સબસ્ટ્રેટ પર સમાન પોલિમર-સૉર્ટેડ CNT ટ્રાન્ઝિસ્ટરની સમાન છે. ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ ટ્યુબ ડેન્સિટી અને અન્ય પ્રકારની ટ્યુબ (46) વડે ગતિશીલતામાં વધુ સુધારો શક્ય છે.
(A) ગ્રાફીન આધારિત સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની યોજના. SWNTs, સિંગલ-દિવાલ કાર્બન નેનોટ્યુબ. (B) ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ (ટોચ) અને CNT ઇલેક્ટ્રોડ (નીચે) થી બનેલા સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો ફોટો. પારદર્શિતામાં તફાવત સ્પષ્ટપણે નોંધનીય છે. ( C અને D) તાણ પહેલાં SEBS પર ગ્રાફીન-આધારિત ટ્રાન્ઝિસ્ટરનું સ્થાનાંતરણ અને આઉટપુટ વળાંક. (E અને F) ટ્રાન્સફર વણાંકો, ચાલુ અને બંધ વર્તમાન, ચાલુ/બંધ ગુણોત્તર, અને વિવિધ તાણ પર ગ્રાફીન-આધારિત ટ્રાન્ઝિસ્ટરની ગતિશીલતા.
જ્યારે પારદર્શક, ઓલ-કાર્બન ઉપકરણને ચાર્જ પરિવહન દિશાની સમાંતર દિશામાં ખેંચવામાં આવ્યું હતું, ત્યારે 120% તાણ સુધી ન્યૂનતમ અધોગતિ જોવા મળી હતી. સ્ટ્રેચિંગ દરમિયાન, ગતિશીલતા સતત 5.6 cm2/Vs થી 0% તાણ પર 2.5 cm2/Vs થી ઘટીને 120% તાણ પર (ફિગ. 5F). અમે વિવિધ ચેનલ લંબાઈ માટે ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રદર્શનની પણ સરખામણી કરી છે (કોષ્ટક S1 જુઓ). નોંધનીય રીતે, 105% જેટલા મોટા તાણ પર, આ તમામ ટ્રાન્ઝિસ્ટર હજુ પણ ઉચ્ચ ચાલુ/બંધ ગુણોત્તર (>103) અને ગતિશીલતા (>3 cm2/Vs) દર્શાવે છે. વધુમાં, અમે ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર પરના તમામ તાજેતરના કામનો સારાંશ આપ્યો (કોષ્ટક S2 જુઓ) (47–52). ઇલાસ્ટોમર્સ પર ઉપકરણ ફેબ્રિકેશનને ઑપ્ટિમાઇઝ કરીને અને સંપર્કો તરીકે MGG નો ઉપયોગ કરીને, અમારા ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર ગતિશીલતા અને હિસ્ટેરેસીસની દ્રષ્ટિએ સારી કામગીરી દર્શાવે છે તેમજ અત્યંત સ્ટ્રેચેબલ છે.
સંપૂર્ણ પારદર્શક અને સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાંઝિસ્ટરની એપ્લિકેશન તરીકે, અમે તેનો ઉપયોગ LED સ્વિચિંગ (ફિગ. 6A) ને નિયંત્રિત કરવા માટે કર્યો છે. ફિગ. 6B માં બતાવ્યા પ્રમાણે, લીલો એલઇડી સીધા ઉપર મૂકવામાં આવેલા સ્ટ્રેચેબલ ઓલ-કાર્બન ઉપકરણ દ્વારા સ્પષ્ટપણે જોઈ શકાય છે. ~100% (ફિગ. 6, C અને D) સુધી ખેંચાતી વખતે, LED લાઇટની તીવ્રતા બદલાતી નથી, જે ઉપર વર્ણવેલ ટ્રાન્ઝિસ્ટર પ્રદર્શન સાથે સુસંગત છે (મૂવી S1 જુઓ). ગ્રેફીન ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરીને બનાવેલ સ્ટ્રેચેબલ કંટ્રોલ યુનિટનો આ પ્રથમ અહેવાલ છે, જે ગ્રાફીન સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે નવી સંભાવના દર્શાવે છે.
(A) LED ચલાવવા માટે ટ્રાંઝિસ્ટરનું સર્કિટ. GND, જમીન. (B) લીલા LED ઉપર માઉન્ટ થયેલ 0% તાણ પર સ્ટ્રેચેબલ અને પારદર્શક ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો ફોટો. (C) LED ને સ્વિચ કરવા માટે વપરાતો ઓલ-કાર્બન પારદર્શક અને સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાન્ઝિસ્ટર LED ઉપર 0% (ડાબે) અને ~100% સ્ટ્રેઈન (જમણે) પર માઉન્ટ થયેલ છે. શ્વેત તીર ઉપકરણ પરના પીળા માર્કર્સ તરીકે દર્શાવે છે કે જે અંતરના ફેરફારને ખેંચવામાં આવે છે. (D) સ્ટ્રેચ્ડ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનું સાઇડ વ્યુ, એલઇડીને ઇલાસ્ટોમરમાં ધકેલવામાં આવે છે.
નિષ્કર્ષમાં, અમે એક પારદર્શક વાહક ગ્રાફીન માળખું વિકસાવ્યું છે જે સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે મોટા તાણ હેઠળ ઉચ્ચ વાહકતા જાળવી રાખે છે, જે સ્ટેક કરેલા ગ્રાફીન સ્તરો વચ્ચે ગ્રાફીન નેનોસ્ક્રોલ દ્વારા સક્ષમ છે. લાક્ષણિક મોનોલેયર ગ્રાફીન ઇલેક્ટ્રોડ માટે 5% તાણ પર વાહકતાના સંપૂર્ણ નુકશાનની સરખામણીમાં, ઇલાસ્ટોમર પર આ દ્વિ- અને ત્રિ-સ્તર એમજીજી ઇલેક્ટ્રોડ માળખાં અનુક્રમે તેમની 0% તાણ વાહકતામાંથી 100% જેટલા ઊંચા તાણ પર 21 અને 65% જાળવી શકે છે. . ગ્રાફીન સ્ક્રોલના વધારાના વાહક માર્ગો તેમજ સ્થાનાંતરિત સ્તરો વચ્ચેની નબળી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા તાણ હેઠળ શ્રેષ્ઠ વાહકતા સ્થિરતામાં ફાળો આપે છે. અમે આ ગ્રાફીન સ્ટ્રક્ચરને ઓલ-કાર્બન સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવવા માટે લાગુ કર્યું. અત્યાર સુધી, બકલિંગનો ઉપયોગ કર્યા વિના શ્રેષ્ઠ પારદર્શિતા સાથે આ સૌથી વધુ સ્ટ્રેચેબલ ગ્રાફીન-આધારિત ટ્રાન્ઝિસ્ટર છે. જો કે હાલનો અભ્યાસ સ્ટ્રેચેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક્સ માટે ગ્રાફીનને સક્ષમ કરવા માટે હાથ ધરવામાં આવ્યો હતો, અમે માનીએ છીએ કે આ અભિગમને સ્ટ્રેચેબલ 2D ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સક્ષમ કરવા માટે અન્ય 2D સામગ્રી સુધી વિસ્તૃત કરી શકાય છે.
1000°C પર પૂર્વવર્તી તરીકે 50–SCCM (પ્રમાણભૂત ઘન સેન્ટીમીટર પ્રતિ મિનિટ) CH4 અને 20–SCCM H2 સાથે 0.5 mtorr ના સતત દબાણ હેઠળ સસ્પેન્ડેડ ક્યુ ફોઇલ્સ (99.999%; આલ્ફા એસર) પર મોટા-એરિયા CVD ગ્રાફીન ઉગાડવામાં આવ્યા હતા. ક્યુ ફોઇલની બંને બાજુઓ મોનોલેયર ગ્રાફીન દ્વારા આવરી લેવામાં આવી હતી. PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) નું પાતળું પડ ક્યુ ફોઇલની એક બાજુએ સ્પિન-કોટેડ હતું, જે PMMA/G/Cu ફોઇલ/G માળખું બનાવે છે. ત્યારબાદ, આખી ફિલ્મ 0.1 M એમોનિયમ પર્સલ્ફેટ [(NH4)2S2O8] સોલ્યુશનમાં લગભગ 2 કલાક માટે પલાળીને ક્યુ ફોઇલને દૂર કરવામાં આવી હતી. આ પ્રક્રિયા દરમિયાન, અસુરક્ષિત બેકસાઇડ ગ્રાફીન પ્રથમ અનાજની સીમાઓ સાથે ફાટી જાય છે અને પછી સપાટીના તણાવને કારણે સ્ક્રોલમાં ફેરવાય છે. સ્ક્રોલ પીએમએમએ-સપોર્ટેડ અપર ગ્રાફીન ફિલ્મ સાથે જોડાયેલા હતા, જે પીએમએમએ/જી/જી સ્ક્રોલ બનાવે છે. ત્યારબાદ ફિલ્મોને ડીયોનાઇઝ્ડ પાણીમાં ઘણી વખત ધોવાઇ હતી અને ટાર્ગેટ સબસ્ટ્રેટ પર નાખવામાં આવી હતી, જેમ કે સખત SiO2/Si અથવા પ્લાસ્ટિક સબસ્ટ્રેટ. સબસ્ટ્રેટ પર જોડાયેલ ફિલ્મ સુકાઈ જાય કે તરત જ, પીએમએમએને દૂર કરવા માટે નમૂનાને અનુક્રમે એસિટોન, 1:1 એસિટોન/આઈપીએ (આઈસોપ્રોપીલ આલ્કોહોલ), અને આઈપીએમાં 30 સેકન્ડ માટે પલાળવામાં આવે છે. G/G સ્ક્રોલના બીજા સ્તરને તેના પર સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે તે પહેલાં ફસાયેલા પાણીને સંપૂર્ણપણે દૂર કરવા માટે ફિલ્મોને 15 મિનિટ માટે 100 ° સે પર ગરમ કરવામાં આવી હતી અથવા તેને રાતોરાત વેક્યૂમમાં રાખવામાં આવી હતી. આ પગલું સબસ્ટ્રેટમાંથી ગ્રાફીન ફિલ્મના ડિટેચમેન્ટને ટાળવા અને PMMA કેરિયર લેયરના પ્રકાશન દરમિયાન MGGના સંપૂર્ણ કવરેજની ખાતરી કરવા માટે હતું.
ઓપ્ટિકલ માઈક્રોસ્કોપ (લેઈકા) અને સ્કેનિંગ ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપ (1 kV; FEI) નો ઉપયોગ કરીને MGG રચનાનું મોર્ફોલોજી અવલોકન કરવામાં આવ્યું હતું. જી સ્ક્રોલની વિગતોનું અવલોકન કરવા માટે અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપ (નેનોસ્કોપ III, ડિજિટલ ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ) ટેપીંગ મોડમાં ચલાવવામાં આવ્યું હતું. ફિલ્મ પારદર્શિતાનું પરીક્ષણ અલ્ટ્રાવાયોલેટ-વિઝિબલ સ્પેક્ટ્રોમીટર (એજિલેન્ટ કેરી 6000i) દ્વારા કરવામાં આવ્યું હતું. પરીક્ષણો માટે જ્યારે તાણ વર્તમાન પ્રવાહની કાટખૂણે હોય ત્યારે, ફોટોલિથોગ્રાફી અને O2 પ્લાઝ્માનો ઉપયોગ ગ્રેફિન સ્ટ્રક્ચરને સ્ટ્રીપ્સમાં (~300 μm પહોળો અને ~2000 μm લાંબા) બનાવવા માટે કરવામાં આવતો હતો, અને Au (50 nm) ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરીને થર્મલી રીતે જમા કરવામાં આવતો હતો. લાંબી બાજુના બંને છેડે શેડો માસ્ક. ત્યારબાદ ગ્રાફીન સ્ટ્રીપ્સને SEBS ઇલાસ્ટોમર (~2 સે.મી. પહોળી અને ~5 સે.મી. લાંબી) સાથે સંપર્કમાં મૂકવામાં આવી હતી, જેમાં SEBSની ટૂંકી બાજુની સમાંતર સ્ટ્રીપ્સની લાંબી અક્ષ BOE (બફર્ડ ઓક્સાઇડ ઇચ) (HF:H2O) દ્વારા અનુસરવામાં આવી હતી. 1:6) વિદ્યુત સંપર્કો તરીકે એચીંગ અને યુટેક્ટીક ગેલિયમ ઇન્ડિયમ (EGaIn). સમાંતર તાણ પરીક્ષણો માટે, પેટર્ન વિનાના ગ્રાફીન સ્ટ્રક્ચર es (~5 × 10 mm) SEBS સબસ્ટ્રેટ પર સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા, જેમાં SEBS સબસ્ટ્રેટની લાંબી બાજુની સમાંતર લાંબી અક્ષો હતી. બંને કિસ્સાઓમાં, સમગ્ર G (G સ્ક્રોલ વિના)/SEBS ને મેન્યુઅલ ઉપકરણમાં ઇલાસ્ટોમરની લાંબી બાજુએ ખેંચવામાં આવ્યું હતું, અને પરિસ્થિતિમાં, અમે સેમિકન્ડક્ટર વિશ્લેષક (કીથલી 4200) વડે પ્રોબ સ્ટેશન પર તાણ હેઠળ તેમના પ્રતિકાર ફેરફારોને માપ્યા હતા. -એસસીએસ).
પોલિમર ડાઇલેક્ટ્રિક અને સબસ્ટ્રેટના કાર્બનિક દ્રાવક નુકસાનને ટાળવા માટે સ્થિતિસ્થાપક સબસ્ટ્રેટ પર અત્યંત સ્ટ્રેચેબલ અને પારદર્શક ઓલ-કાર્બન ટ્રાન્ઝિસ્ટર નીચેની પ્રક્રિયાઓ દ્વારા બનાવવામાં આવ્યા હતા. MGG સ્ટ્રક્ચર્સને SEBS પર ગેટ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવ્યા હતા. એક સમાન પાતળા-ફિલ્મ પોલિમર ડાઇલેક્ટ્રિક સ્તર (2 μm જાડા) મેળવવા માટે, SEBS ટોલ્યુએન (80 mg/ml) સોલ્યુશનને 1 મિનિટ માટે 1000 rpm પર ઓક્ટાડેસિલ્ટ્રિક્લોરોસિલેન (OTS) - સંશોધિત SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ પર સ્પિન-કોટેડ કરવામાં આવ્યું હતું. પાતળી ડાઇલેક્ટ્રિક ફિલ્મને હાઇડ્રોફોબિક OTS સપાટી પરથી તૈયાર કરેલ ગ્રાફીન સાથે આવરી લેવામાં આવેલા SEBS સબસ્ટ્રેટ પર સરળતાથી ટ્રાન્સફર કરી શકાય છે. LCR (ઇન્ડક્ટન્સ, કેપેસીટન્સ, રેઝિસ્ટન્સ) મીટર (એજિલેન્ટ) નો ઉપયોગ કરીને તાણના કાર્ય તરીકે કેપેસિટેન્સ નક્કી કરવા માટે લિક્વિડ-મેટલ (EGaIn; સિગ્મા-એલ્ડ્રીચ) ટોચના ઇલેક્ટ્રોડને જમા કરીને કેપેસિટર બનાવી શકાય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટરના બીજા ભાગમાં પોલિમર-સૉર્ટેડ સેમિકન્ડક્ટિંગ સીએનટીનો સમાવેશ થાય છે, જે અગાઉ નોંધાયેલી પ્રક્રિયાઓને અનુસરે છે (53). પેટર્નવાળા સ્ત્રોત/ડ્રેન ઇલેક્ટ્રોડ સખત SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ્સ પર બનાવવામાં આવ્યા હતા. ત્યારબાદ, બે ભાગો, ડાઇલેક્ટ્રિક/G/SEBS અને CNTs/પેટર્નવાળી G/SiO2/Si, એકબીજા સાથે લેમિનેટ કરવામાં આવ્યા હતા, અને સખત SiO2/Si સબસ્ટ્રેટને દૂર કરવા માટે BOE માં પલાળવામાં આવ્યા હતા. આમ, સંપૂર્ણ પારદર્શક અને સ્ટ્રેચેબલ ટ્રાન્ઝિસ્ટર બનાવવામાં આવ્યા હતા. તાણ હેઠળ વિદ્યુત પરીક્ષણ ઉપરોક્ત પદ્ધતિ તરીકે મેન્યુઅલ સ્ટ્રેચિંગ સેટઅપ પર કરવામાં આવ્યું હતું.
આ લેખ માટેની પૂરક સામગ્રી http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 પર ઉપલબ્ધ છે
અંજીર S1. વિવિધ વિસ્તરણ પર SiO2/Si સબસ્ટ્રેટ પર મોનોલેયર MGG ની ઓપ્ટિકલ માઇક્રોસ્કોપી છબીઓ.
અંજીર S4. મોનો-, બાય- અને ટ્રાયલેયર પ્લેન ગ્રાફીન (કાળા ચોરસ), MGG (લાલ વર્તુળો), અને CNTs (વાદળી ત્રિકોણ) ના 550 nm @ બે-પ્રોબ શીટ રેઝિસ્ટન્સ અને ટ્રાન્સમિટન્સની સરખામણી.
અંજીર S7. અનુક્રમે 40 અને 90% સમાંતર તાણ સુધી ~1000 ચક્રીય તાણ લોડિંગ હેઠળ મોનો- અને બાયલેયર MGGs (કાળો) અને G (લાલ) નો સામાન્યકૃત પ્રતિકાર ફેરફાર.
અંજીર S10. તાણ પછી SEBS ઇલાસ્ટોમર પર ટ્રાઇલેયર MGG ની SEM ઇમેજ, ઘણી તિરાડો પર લાંબી સ્ક્રોલ ક્રોસ દર્શાવે છે.
અંજીર S12. 20% તાણ પર ખૂબ જ પાતળા SEBS ઇલાસ્ટોમર પર ટ્રાયલેયર MGG ની AFM ઇમેજ, જે દર્શાવે છે કે સ્ક્રોલ ક્રેક ઉપરથી ઓળંગી ગયું છે.
કોષ્ટક S1. બાયલેયર એમજીજી-સિંગલ-દિવાલવાળા કાર્બન નેનોટ્યુબ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની ગતિશીલતા તાણ પહેલા અને પછી વિવિધ ચેનલ લંબાઈ પર.
આ ક્રિએટિવ કૉમન્સ એટ્રિબ્યુશન-નોન-કમર્શિયલ લાઇસન્સની શરતો હેઠળ વિતરિત કરાયેલ એક ઓપન-ઍક્સેસ લેખ છે, જે કોઈપણ માધ્યમમાં ઉપયોગ, વિતરણ અને પુનઃઉત્પાદનની પરવાનગી આપે છે, જ્યાં સુધી પરિણામી ઉપયોગ વ્યવસાયિક લાભ માટે ન હોય અને જો મૂળ કાર્ય યોગ્ય રીતે હોય. ટાંકેલ
નોંધ: અમે ફક્ત તમારા ઇમેઇલ સરનામાંની વિનંતી કરીએ છીએ જેથી કરીને તમે જે વ્યક્તિને પૃષ્ઠની ભલામણ કરી રહ્યાં છો તે જાણી શકે કે તમે તેમને તે જોવા માગો છો અને તે જંક મેઇલ નથી. અમે કોઈપણ ઈમેલ એડ્રેસ કેપ્ચર કરતા નથી.
આ પ્રશ્ન તમે માનવ મુલાકાતી છો કે નહીં તે ચકાસવા અને સ્વયંચાલિત સ્પામ સબમિશનને રોકવા માટે છે.
નાન લિયુ, એલેક્સ ચોર્ટોસ, ટિંગ લેઈ, લિહુઆ જિન, તાએહો રોય કિમ, વોન-ગ્યુ બે, ચેનક્સિન ઝુ, સિહોંગ વાંગ, રાફેલ ફેટનર, ઝિયુઆન ચેન, રોબર્ટ સિંકલેર, ઝેનાન બાઓ દ્વારા
નાન લિયુ, એલેક્સ ચોર્ટોસ, ટિંગ લેઈ, લિહુઆ જિન, તાએહો રોય કિમ, વોન-ગ્યુ બે, ચેનક્સિન ઝુ, સિહોંગ વાંગ, રાફેલ ફેટનર, ઝિયુઆન ચેન, રોબર્ટ સિંકલેર, ઝેનાન બાઓ દ્વારા
© 2021 અમેરિકન એસોસિએશન ફોર ધ એડવાન્સમેન્ટ ઓફ સાયન્સ. સર્વાધિકાર આરક્ષિત. AAAS એ HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef અને COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 ના ભાગીદાર છે.