Tá ábhair dhéthoiseacha, amhail graifín, tarraingteach d'fheidhmchláir leathsheoltóra traidisiúnta agus d'fheidhmchláir nuabheirthe i leictreonaic sholúbtha araon. Mar sin féin, bíonn scoilteadh mar thoradh ar an neart teanntachta ard atá ag graifín ag brú íseal, rud a fhágann go bhfuil sé dúshlánach leas a bhaint as a airíonna leictreonacha neamhghnácha i leictreonaic shínte. Chun feidhmíocht den scoth atá ag brath ar bhrú a chumasú do sheoltóirí graifíne trédhearcacha, chruthaíomar nanoscrollaí graifíne idir sraitheanna graifíne cruachta, ar a dtugtar scrollaí ilchiseal graifíne/graifíne (MGGanna). Faoi bhrú, rinne roinnt scrollaí droichead idir fearainn scoilte graifíne chun líonra síothlaithe a choinneáil a chuir ar chumas seoltacht den scoth ag brúnna arda. Choinnigh MGGanna tríchiseal a bhí tacaithe ar elastomers 65% dá seoltacht bhunaidh ag brú 100%, atá ingearach le treo an tsreafa reatha, ach níor choinnigh scannáin tríchiseal graifíne gan nanoscrollaí ach 25% dá seoltacht tosaigh. Léirigh trasraitheoir uile-charbóin shínte a monaraíodh ag baint úsáide as MGGanna mar leictreoidí tarchur de >90% agus choinnigh sé 60% dá aschur reatha bunaidh ag brú 120% (comhthreomhar le treo iompair luchta). D’fhéadfadh na trasraitheoirí uile-charbóin an-shínte agus trédhearcacha seo optoelectronics shínte sofaisticiúla a chumasú.
Is réimse atá ag fás é leictreonaic thrédhearcach shínte a bhfuil feidhmeanna tábhachtacha aige i gcórais bhith-chomhtháite chun cinn (1, 2) chomh maith leis an gcumas comhtháthú le hoptoelectronics shínte (3, 4) chun róbataic bhog agus taispeántais sofaisticiúla a tháirgeadh. Taispeánann graifín airíonna an-inmhianaithe maidir le tiús adamhach, trédhearcacht ard, agus seoltacht ard, ach tá a chur i bhfeidhm in iarratais shínte curtha bac ar a chlaonadh scoilteadh ag brúnna beaga. D’fhéadfadh sárú a dhéanamh ar theorainneacha meicniúla graifín feidhmiúlacht nua a chumasú i bhfeistí trédhearcacha shínte.
A bhuíochas dá n-airíonna uathúla, is iarrthóir láidir é don chéad ghlúin eile d'leictreoidí seoltaí trédhearcacha (5, 6). I gcomparáid leis an seoltóir trédhearcach is coitianta a úsáidtear, ocsaíd stáin indiam [ITO; 100 óm/cearnach (cearnach) ag 90% trédhearcachta], tá meascán comhchosúil de fhriotaíocht leatháin (125 óm/cearnach) agus trédhearcachta (97.4%) ag graifín aonchiseal a fhástar trí thaisceadh gaile ceimiceach (CVD) (5). Ina theannta sin, tá solúbthacht urghnách ag scannáin graifíne i gcomparáid le ITO (7). Mar shampla, ar foshraith phlaisteach, is féidir a sheoltacht a choinneáil fiú le haghaidh ga lúbtha cuartha chomh beag le 0.8 mm (8). Chun a fheidhmíocht leictreach mar sheoltóir solúbtha trédhearcach a fheabhsú tuilleadh, d'fhorbair saothair roimhe seo ábhair hibrideacha graifíne le nana-shreanga airgid aon-toiseacha (1D) nó nana-fheadáin charbóin (CNTanna) (9-11). Ina theannta sin, úsáideadh graifín mar leictreoidí le haghaidh leathsheoltóirí heitreastrúchtúracha measctha tríthoiseacha (amhail Si mórchóir 2T, nana-shreanga/nana-fheadáin 1T, agus poncanna candamacha 0T) (12), trasraitheoirí solúbtha, cealla gréine, agus dé-óidí astaithe solais (LEDanna) (13–23).
Cé gur léirigh graifín torthaí geallta i leictreonaic sholúbtha, tá a fheidhmchlár i leictreonaic shínte teoranta ag a airíonna meicniúla (17, 24, 25); tá dolúbthacht in-phlána de 340 N/m agus modúl Young de 0.5 TPa ag graifín (26). Ní sholáthraíonn an líonra láidir carbóin-charbóin aon mheicníochtaí diomailt fuinnimh le haghaidh brú feidhmeach agus dá bhrí sin scoilteann sé go héasca ag níos lú ná 5% brú. Mar shampla, ní féidir le graifín CVD a aistrítear ar foshraith leaisteach polaidéiméitilsilocsáin (PDMS) a sheoltacht a choinneáil ach ag níos lú ná 6% brú (8). Léiríonn ríomhanna teoiriciúla gur cheart go laghdódh crumpláil agus idirghníomhaíocht idir sraitheanna éagsúla an dolúbthacht go mór (26). Trí graifín a chruachadh i sraitheanna iolracha, tuairiscítear go bhfuil an graifín dé- nó tríshraith seo inshínte go 30% brú, ag taispeáint athrú friotaíochta 13 huaire níos lú ná athrú friotaíochta graifín aonshraith (27). Mar sin féin, tá an inshínteacht seo fós i bhfad níos lú ná seoltóirí sínte den scoth (28, 29).
Tá trasraitheoirí tábhachtach in iarratais shínte mar go gcuireann siad ar chumas léamh braiteoirí sofaisticiúil agus anailís comharthaí (30, 31). Is féidir le trasraitheoirí ar PDMS le graifín ilchiseal mar leictreoidí foinse/draein agus ábhar cainéil feidhm leictreach a choinneáil suas le 5% brú (32), atá i bhfad faoi bhun an luacha íosta riachtanach (~50%) le haghaidh braiteoirí monatóireachta sláinte inchaite agus craiceann leictreonach (33, 34). Le déanaí, rinneadh iniúchadh ar chur chuige kirigami graifíne, agus is féidir an trasraitheoir atá geataithe ag leictrilít leachtach a shíneadh suas le 240% (35). Mar sin féin, éilíonn an modh seo graifín ar fionraí, rud a chuireann castacht leis an bpróiseas monaraíochta.
Anseo, bainimid amach gléasanna graiféine atá in-shínte go mór trí scrollaí graiféine (~1 go 20 μm ar fhad, ~0.1 go 1 μm ar leithead, agus ~10 go 100 nm ar airde) a idirnascadh idir sraitheanna graiféine. Tá hipitéis againn go bhféadfadh na scrollaí graiféine seo cosáin seoltaí a sholáthar chun scoilteanna sna bileoga graiféine a dhroicheadú, rud a chothaíonn seoltacht ard faoi bhrú. Ní theastaíonn sintéis ná próiseas breise ó na scrollaí graiféine; foirmítear iad go nádúrtha le linn an nós imeachta aistrithe fliuch. Trí úsáid a bhaint as scrollaí ilchiseal G/G (graiféin/graiféin) (MGGanna), leictreoidí in-shínte graiféine (foinse/draein agus geata) agus CNTanna leathsheoltacha, bhíomar in ann trasraitheoirí uile-charbóin atá trédhearcach agus in-shínte go mór a léiriú, ar féidir iad a shíneadh go 120% brú (comhthreomhar le treo iompair an mhuirir) agus 60% dá n-aschur reatha bunaidh a choinneáil. Seo an trasraitheoir trédhearcach is sínte atá bunaithe ar charbón go dtí seo, agus soláthraíonn sé sruth leordhóthanach chun LED neamhorgánach a thiomáint.
Chun leictreoidí graiféine trédhearcacha agus sínte a chumasú, roghnaíomar graiféin a fhásadh i CVD ar scragall Cu. Crochadh an scragall Cu i lár feadán grianchloiche CVD chun ligean do ghraiféin fás ar an dá thaobh, ag cruthú struchtúir G/Cu/G. Chun graiféin a aistriú, chuireamar sciath tanaí de phola(meitile meataicriláit) (PMMA) ar dtús chun taobh amháin den ghraiféin a chosaint, ar thugamar graiféin barr air (a mhalairt don taobh eile den ghraiféin), agus ina dhiaidh sin, sáithíodh an scannán iomlán (PMMA/graiféin barr/Cu/graiféin bun) i dtuaslagán (NH4)2S2O8 chun an scragall Cu a ghreamú. Beidh scoilteanna agus lochtanna sa ghraiféin bun gan an sciath PMMA go dosheachanta a ligeann d’eitseoir dul tríd (36, 37). Mar a léirítear i bhFíor 1A, faoi thionchar teannas dromchla, rolladh na fearainn graiféine scaoilte suas i scrollaí agus ina dhiaidh sin ceanglaíodh iad leis an scannán barr-G/PMMA atá fágtha. D’fhéadfaí na scrollaí barr-G/G a aistriú chuig aon foshraith, amhail SiO2/Si, gloine, nó polaiméir bog. Trí an próiseas aistrithe seo a athdhéanamh arís agus arís eile ar an foshraith chéanna, tugtar struchtúir MGG.
(A) Léaráid sceitseach den nós imeachta monaraíochta do MGGanna mar leictreoid shínte. Le linn an aistrithe graiféine, bristeadh graiféin chúl ar scragall Cu ag teorainneacha agus lochtanna, rolladh suas é i gcruthanna treallacha, agus ceanglaíodh go docht é ar na scannáin uachtaracha, ag foirmiú nanoscrollaí. Léiríonn an ceathrú cartún struchtúr cruachta an MGG. (B agus C) Saintréithe TEM ardtaifigh de MGG aonchiseal, ag díriú ar an graiféin aonchiseal (B) agus an réigiún scrolla (C), faoi seach. Is íomhá íseal-mhéadaithe í ionchur (B) a thaispeánann moirfeolaíocht fhoriomlán MGGanna aonchiseal ar an eangach TEM. Is iad ionchur (C) na próifílí déine a tógadh feadh na mboscaí dronuilleogacha a léirítear san íomhá, áit a bhfuil na faid idir na pláin adamhacha 0.34 agus 0.41 nm. (D) Speictream EEL imeall-K carbóin leis na buaicphointí grafaiteacha tréithiúla π* agus σ* lipéadaithe. (E) Íomhá AFM altánach de scrollaí aonchiseal G/G le próifíl airde feadh na líne poncaí buí. (F go I) Íomhánna micreascópachta optúla agus AFM de thrí shraith G gan (F agus H) agus le scrollaí (G agus I) ar foshraitheanna SiO2/Si 300-nm tiubh, faoi seach. Lipéadaíodh scrollaí agus roic ionadaíocha chun a ndifríochtaí a aibhsiú.
Chun a fhíorú gur grafín rollta iad na scrollaí, rinneamar staidéir micreascópachta leictreon tarchurtha (TEM) agus speictreascópachta caillteanais fuinnimh leictreon (EEL) ardtaifigh ar struchtúir scrollaí barr-G/G aonchiseal. Taispeánann Fíor 1B struchtúr heicseagánach grafín aonchiseal, agus is moirfeolaíocht fhoriomlán den scannán atá clúdaithe ar pholl carbóin aonair den eangach TEM atá san iontráil. Clúdaíonn an grafín aonchiseal an chuid is mó den eangach, agus feictear roinnt calóga grafíne i láthair ilchairn de fáinní heicseagánacha (Fíor 1B). Trí zúmáil isteach i scrolla aonair (Fíor 1C), thugamar faoi deara méid mór imill laitíse grafíne, agus an spásáil laitíse sa raon 0.34 go 0.41 nm. Tugann na tomhais seo le fios go bhfuil na calóga rollta suas go randamach agus nach graifít foirfe iad, a bhfuil spásáil laitíse de 0.34 nm aige i gcruachadh sraithe “ABAB”. Taispeánann Fíor 1D speictream EEL imeall-K carbóin, áit a dtagann an buaic ag 285 eV ón bhfithiseach π* agus an ceann eile timpeall 290 eV mar gheall ar aistriú na fithise σ*. Is féidir a fheiceáil go bhfuil nascadh sp2 i réim sa struchtúr seo, rud a fhíoraíonn go bhfuil na scrollaí an-ghrafaíteach.
Tugann íomhánna micreascópachta optúla agus micreascópachta fórsa adamhach (AFM) léargas ar dháileadh nana-scrollaí graiféine sna MGGanna (Fíor 1, E go G, agus figiúirí S1 agus S2). Tá na scrollaí dáilte go randamach thar an dromchla, agus méadaíonn a ndlús in-phlána go comhréireach le líon na sraitheanna cruachta. Tá go leor scrollaí fite fuaite i snaidhmeanna agus taispeánann siad airde neamh-aonfhoirmeacha sa raon 10 go 100 nm. Tá siad 1 go 20 μm ar fhad agus 0.1 go 1 μm ar leithead, ag brath ar mhéideanna a gcalóga graiféine tosaigh. Mar a thaispeántar i bhFíor 1 (H agus I), tá méideanna i bhfad níos mó ag na scrollaí ná na roic, rud a fhágann go bhfuil comhéadan i bhfad níos garbh idir sraitheanna graiféine.
Chun na hairíonna leictreacha a thomhas, rinneamar patrúnú ar scannáin ghraiféine le struchtúir scrolla nó gan iad agus cruachadh sraitheanna i stiallacha 300 μm ar leithead agus 2000 μm ar fhad ag baint úsáide as fótailitagrafaíocht. Tomhaiseadh friotaíocht dhá tóireadóir mar fheidhm de bhrú faoi dhálaí comhthimpeallacha. Laghdaigh láithreacht scrollaí an fhriotaíocht do ghraiféin aonchiseal faoi 80% agus níor tháinig ach laghdú 2.2% ar an tarchur (fig. S4). Deimhníonn sé seo go ndéanann nana-scrollaí, a bhfuil dlús reatha ard acu suas le 5 × 107 A/cm2 (38, 39), ranníocaíocht leictreach an-dearfach do na MGGanna. I measc na ngraiféine plain aonchiseal, déchiseal agus tríchiseal agus MGGanna go léir, tá an seoltacht is fearr ag an MGG tríchiseal le trédhearcacht de bheagnach 90%. Chun comparáid a dhéanamh le foinsí eile graiféine a tuairiscíodh sa litríocht, thomhaiseamar friotaíochtaí bileoga ceithre-tóireadóir freisin (fig. S5) agus liostáileamar iad mar fheidhm de tharchur ag 550 nm (fig. S6) i bhFíor 2A. Taispeánann MGG seoltacht agus trédhearcacht inchomparáide nó níos airde ná graiféin ilchiseal simplí atá cruachta go saorga agus ocsaíd graiféine laghdaithe (RGO) (6, 8, 18). Tabhair faoi deara go bhfuil friotaíochtaí bileoga graiféin ilchiseal simplí atá cruachta go saorga ón litríocht beagán níos airde ná friotaíochtaí ár MGG, is dócha mar gheall ar a gcoinníollacha fáis agus a modh aistrithe neamh-optamaithe.
(A) Friotaíochtaí leatháin ceithre-tóireadóir i gcoinne tarchur ag 550 nm do roinnt cineálacha graiféine, áit a léiríonn cearnóga dubha MGGanna aon-, dé- agus tríshraithe; comhfhreagraíonn ciorcail dhearga agus triantáin ghorma le graiféin shimplí ilshraithe a fhástar ar Cu agus Ni ó staidéir Li et al. (6) agus Kim et al. (8), faoi seach, agus a aistrítear ina dhiaidh sin chuig SiO2/Si nó grianchloch; agus is luachanna iad triantáin ghlasa do RGO ag céimeanna laghdaithe éagsúla ó staidéar Bonaccorso et al. (18). (B agus C) Athrú friotaíochta normalaithe MGGanna aon-, dé- agus tríshraithe agus G mar fheidhm de bhrú ingearach (B) agus comhthreomhar (C) le treo an tsreafa reatha. (D) Athrú friotaíochta normalaithe déshraithe G (dearg) agus MGG (dubh) faoi ualach brú timthriallach suas le 50% brú ingearach. (E) Athrú friotaíochta normalaithe tríshraithe G (dearg) agus MGG (dubh) faoi ualach brú timthriallach suas le 90% brú comhthreomhar. (F) Athrú toilleas normalaithe G aon-, dé- agus tríshraith agus MGGanna dé- agus tríshraith mar fheidhm brú. Is é an t-ionchur struchtúr an toilleora, áit a bhfuil an tsubstráit polaiméire SEBS agus an ciseal tréleictreach polaiméire an SEBS 2 μm tiubh.
Chun feidhmíocht an MGG atá ag brath ar strus a mheas, aistrigh muid graifín ar foshraitheanna teirmeaplaisteach elastomer stiréine-eitiléine-bútaidéin-stéiréin (SEBS) (~2 cm ar leithead agus ~5 cm ar fhad), agus tomhaiseadh an seoltacht agus an tsubstráit á síneadh (féach Ábhair agus Modhanna) ingearach agus comhthreomhar le treo an tsreafa reatha (Fíor 2, B agus C). Feabhsaíodh an t-iompar leictreach atá ag brath ar strus le hionchorprú nanoscrollaí agus líon méadaitheach na sraitheanna graifíne. Mar shampla, nuair a bhíonn an strus ingearach leis an sreabhadh reatha, i gcás graifín aonchiseal, mhéadaigh cur leis na scrollaí an strus ag briseadh leictreach ó 5 go 70%. Feabhsaítear go suntasach freisin lamháltas struis an ghraifín tríchiseal i gcomparáid leis an graifín aonchiseal. Le nanoscrollaí, ag strus ingearach 100%, níor mhéadaigh friotaíocht struchtúr an MGG tríchiseal ach 50%, i gcomparáid le 300% le haghaidh graifín tríchiseal gan scrollaí. Rinneadh imscrúdú ar athrú friotaíochta faoi ualach struis timthriallach. Chun comparáide (Fíor 2D), mhéadaigh friotaíocht scannáin ghraféine déchiseal shimplí thart ar 7.5 uair tar éis ~700 timthriall ag brú ingearach 50% agus choinnigh siad ag méadú le brú i ngach timthriall. Ar an láimh eile, níor mhéadaigh friotaíocht MGG déchiseal ach thart ar 2.5 uair tar éis ~700 timthriall. Agus brú suas le 90% á chur i bhfeidhm feadh an treo comhthreomhar, mhéadaigh friotaíocht ghraféine tríchiseal ~100 uair tar éis 1000 timthriall, ach níl sé ach ~8 n-uaire i MGG tríchiseal (Fíor 2E). Taispeántar torthaí timthriallta i bhfíor S7. Tá an méadú réasúnta níos tapúla ar fhriotaíocht feadh an treo brú comhthreomhar ann toisc go bhfuil treoshuíomh na scoilteanna ingearach le treo an tsreafa reatha. Tá an diall friotaíochta le linn luchtú agus díluchtú brú mar gheall ar aisghabháil slaodachleaisteach foshraith elastomer SEBS. Tá friotaíocht níos cobhsaí stiallacha MGG le linn timthriallta mar gheall ar láithreacht scrollaí móra ar féidir leo droichead a dhéanamh thar na codanna scoilte den ghraféin (mar a breathnaíodh ag AFM), rud a chabhraíonn le cosán síothlaithe a choinneáil. Tuairiscíodh an feiniméan seo maidir le seoltacht a choinneáil trí chonair shreabhadh cheana i gcás scannáin miotail scoilte nó leathsheoltóra ar foshraitheanna elastomer (40, 41).
Chun na scannáin seo atá bunaithe ar ghraifín a mheas mar leictreoidí geata i bhfeistí insínte, chlúdaíomar an ciseal graifíne le ciseal tréleictreach SEBS (2 μm ar tiús) agus rinneamar monatóireacht ar an athrú toilleas tréleictreach mar fheidhm de bhrú (féach Fíor 2F agus na hÁbhair Fhorlíontacha le haghaidh sonraí). Thugamar faoi deara gur laghdaigh toilleasanna le leictreoidí graifíne aonchiseal agus déchiseal simplí go tapa mar gheall ar chailliúint seoltachta in-phlána graifíne. I gcodarsnacht leis sin, léirigh toilleasanna arna ngeatú ag MGGanna chomh maith le graifín tríchiseal simplí méadú ar thoilleas le brú, rud a bhfuiltear ag súil leis mar gheall ar laghdú ar thiús tréleictreach le brú. D'oir an méadú ionchais ar thoilleas go han-mhaith le struchtúr MGG (fíor S8). Léiríonn sé seo go bhfuil MGG oiriúnach mar leictreoid geata do thrasraitheoirí insínte.
Chun imscrúdú breise a dhéanamh ar ról an scrolla graiféine 1D ar fhulangacht brú na seoltachta leictrí agus chun an scaradh idir sraitheanna graiféine a rialú níos fearr, d'úsáideamar CNTanna spraeáilte in ionad na scrollaí graiféine (féach Ábhair Fhorlíontacha). Chun struchtúir MGG a aithris, thaisc muid trí dhlús de CNTanna (is é sin, CNT1
(A go C) Íomhánna AFM de thrí dhlús éagsúla CNTanna (CNT1
Chun tuiscint níos fearr a fháil ar a gcumas mar leictreoidí le haghaidh leictreonaic shínte, rinneamar imscrúdú córasach ar mhórfhoirmíochtaí MGG agus G-CNT-G faoi bhrú. Ní modhanna tréithrithe éifeachtacha iad micreascópacht optúil agus micreascópacht leictreon scanála (SEM) toisc nach bhfuil codarsnacht datha ag an dá cheann agus go mbíonn SEM faoi réir artifachtaí íomhá le linn scanadh leictreon nuair a bhíonn graifín ar foshraitheanna polaiméire (fig. S9 agus S10). Chun dromchla an ghraifín faoi bhrú a bhreathnú in situ, bhailíomar tomhais AFM ar MGGanna tríchiseal agus graifín plain tar éis aistriú chuig foshraitheanna SEBS an-tanaí (~0.1 mm tiubh) agus leaisteacha. Mar gheall ar na lochtanna intreach i ngraifín CVD agus damáiste seachtrach le linn an phróisis aistrithe, gintear scoilteanna go dosheachanta ar an ngraifín brúite, agus le méadú ar bhrú, d'éirigh na scoilteanna níos dlúithe (Fíor 4, A go D). Ag brath ar struchtúr cruachta na leictreoidí bunaithe ar charbón, taispeánann na scoilteanna mórfhoirmíochtaí éagsúla (fig. S11) (27). Tá dlús achar na scoilte (sainmhínithe mar achar scoilte/achar anailísithe) ilchiseal graiféine níos lú ná dlús achar na scoilte graiféine aonchiseal tar éis brú, rud atá comhsheasmhach leis an méadú ar sheoltacht leictreach do MGGanna. Ar an láimh eile, is minic a fheictear scrollaí ag droicheadú na scoilteanna, ag soláthar conairí seoltaí breise sa scannán brúite. Mar shampla, mar atá lipéadaithe in íomhá Fíor 4B, thrasnaigh scrolla leathan thar scoilt sa MGG tríchiseal, ach níor breathnaíodh aon scrolla sa ghraiféin shimplí (Fíor 4, E go H). Ar an gcaoi chéanna, dhroich CNTanna na scoilteanna i ngraiféin freisin (fíor S11). Tá achoimre ar dhlús achar na scoilte, dlús achar an scrolla, agus garbhacht na scannán i bhFíor 4K.
(A go H) Íomhánna AFM in situ de scrollaí tríchiseal G/G (A go D) agus struchtúir tríchiseal G (E go H) ar elastomer SEBS an-tanaí (~0.1 mm ar tiús) ag 0, 20, 60, agus 100% brú. Tá scoilteanna agus scrollaí ionadaíocha léirithe le saigheada. Tá na híomhánna AFM go léir i limistéar 15 μm × 15 μm, ag baint úsáide as an mbarra scála datha céanna atá lipéadaithe. (I) Geoiméadracht insamhalta leictreoidí graiféine aonchiseal patrúnaithe ar an tsubstráit SEBS. (J) Léarscáil imlíne insamhalta den phríomhbhrú logartamach uasta sa ghraiféin aonchiseal agus sa tsubstráit SEBS ag 20% brú seachtrach. (K) Comparáid idir dlús achar scoilte (colún dearg), dlús achar scrolla (colún buí), agus garbhúlacht dromchla (colún gorm) do struchtúir ghraiféine éagsúla.
Nuair a shíntear na scannáin MGG, tá meicníocht bhreise thábhachtach ann trína bhféadann na scrollaí droichead a thógáil thar réigiúin scoilte graiféine, ag cothabháil líonra síothlaithe. Tá gealladh fúthu sna scrollaí graiféine mar is féidir leo a bheith deicheanna micrimhéadar ar fhad agus dá bhrí sin in ann scoilteanna a dhroicheadú a bhíonn suas le scála micrimhéadair de ghnáth. Ina theannta sin, toisc go bhfuil na scrollaí comhdhéanta d'ilchiseal graiféine, meastar go mbeidh friotaíocht íseal acu. I gcomparáid leis sin, tá gá le líonraí CNT atá sách dlúth (tarchur níos ísle) chun cumas droichid seoltaí inchomparáide a sholáthar, toisc go bhfuil CNTanna níos lú (cúpla micrimhéadar ar fhad de ghnáth) agus níos lú seoltaí ná scrollaí. Ar an láimh eile, mar a thaispeántar i bhfig. S12, cé go scoilteann an graiféin le linn síneadh chun freastal ar strus, ní scoilteann na scrollaí, rud a léiríonn go bhféadfadh an dara ceann a bheith ag sleamhnú ar an ngraiféin atá faoi. Is dócha gurb é an chúis nach scoilteann siad ná an struchtúr rollta, atá comhdhéanta de go leor sraitheanna graiféine (~1 go 20 μm ar fhad, ~0.1 go 1 μm ar leithead, agus ~10 go 100 nm ar airde), a bhfuil modúl éifeachtach níos airde aige ná an graiféin aonchiseal. Mar a thuairiscigh Green agus Hersam (42), is féidir le líonraí CNT miotalacha (trastomhas feadáin de 1.0 nm) friotaíocht íseal bileoga <100 óm/cearnach a bhaint amach in ainneoin an fhriotaíocht acomhal mhóir idir CNTanna. Ós rud é go bhfuil leithead 0.1 go 1 μm ag ár scrollaí graiféine agus go bhfuil limistéir teagmhála i bhfad níos mó ag na scrollaí G/G ná CNTanna, níor cheart go mbeadh an fhriotaíocht teagmhála agus an limistéar teagmhála idir graiféin agus scrollaí graiféine ina bhfachtóirí teorannaithe chun seoltacht ard a choinneáil.
Tá modúl i bhfad níos airde ag an ngraifín ná mar atá ag an tsubstráit SEBS. Cé go bhfuil tiús éifeachtach leictreoid an ghraifín i bhfad níos ísle ná tiús an tsubstráit, tá dolúbthacht an ghraifíne faoi thiús an tsubstráite inchomparáide le dolúbthacht an tsubstráite (43, 44), rud a fhágann éifeacht mheasartha oileáin righin. Rinneamar insamhalta ar dhífhoirmiú graifíne 1-nm tiubh ar shubstráit SEBS (féach Ábhair Fhorlíontacha le haghaidh sonraí). De réir thorthaí an insamhalta, nuair a chuirtear 20% brú i bhfeidhm ar an tsubstráit SEBS go seachtrach, is é ~6.6% an meánbhrú sa ghraifín (Fíor 4J agus Fíor S13D), rud atá comhsheasmhach le breathnuithe turgnamhacha (féach Fíor S13). Rinneamar comparáid idir an brú sna réigiúin ghraifíne agus tsubstráite patrúnaithe ag baint úsáide as micreascópacht optúil agus fuarthas amach go raibh an brú sa réigiún tsubstráite dhá oiread ar a laghad an brú sa réigiún ghraifíne. Léiríonn sé seo gur féidir an brú a chuirtear i bhfeidhm ar phatrúin leictreoid ghraifíne a theorannú go suntasach, ag foirmiú oileáin righne ghraifíne ar bharr SEBS (26, 43, 44).
Dá bhrí sin, is dócha go gcuireann dhá phríomh-mheicníocht ar chumas leictreoidí MGG seoltacht ard a choinneáil faoi bhrú ard: (i) Is féidir leis na scrollaí droichead a thógáil idir réigiúin scoite chun cosán síothlaithe seoltaí a choinneáil, agus (ii) féadfaidh na bileoga/elastomer ilchisealacha graiféine sleamhnú thar a chéile, rud a laghdaíonn brú ar leictreoidí graiféine. I gcás ilchisealacha de ghraiféin aistrithe ar elastomer, níl na sraitheanna ceangailte go láidir lena chéile, rud a d'fhéadfadh sleamhnú mar fhreagairt ar bhrú (27). Mhéadaigh na scrollaí garbhúlacht na sraitheanna graiféine freisin, rud a d'fhéadfadh cabhrú leis an scaradh idir sraitheanna graiféine a mhéadú agus dá bhrí sin sleamhnú na sraitheanna graiféine a chumasú.
Tá díograis á baint as feistí uile-charbóin mar gheall ar a gcostas íseal agus a dtáirgeacht ard. Inár gcás féin, rinneadh trasraitheoirí uile-charbóin a mhonarú ag baint úsáide as geata graiféine bun, teagmháil foinse/draein graiféine barr, leathsheoltóir CNT sórtáilte, agus SEBS mar thréleictreach (Fíor 5A). Mar a thaispeántar i bhFíor 5B, tá feiste uile-charbóin le CNTanna mar an bhfoinse/draein agus an geata (feiste bun) níos teimhní ná an fheiste le leictreoidí graiféine (feiste barr). Tá sé seo amhlaidh toisc go n-éilíonn líonraí CNT tiús níos mó agus, dá bharr sin, tarchuradóireacht optúil níos ísle chun friotaíocht bhileoige cosúil le friotaíocht graiféine a bhaint amach (Fíor S4). Taispeánann Fíor 5 (C agus D) cuar ionadaíocha aistrithe agus aschuir roimh strus do thrasraitheoir déanta le leictreoidí déchiseal MGG. Ba é 800 agus 100 μm leithead agus fad an chainéil den trasraitheoir neamh-strusáilte, faoi seach. Tá an cóimheas ar siúl/as tomhaiste níos mó ná 103 le sruthanna ar siúl agus as ag leibhéil 10−5 agus 10−8 A, faoi seach. Taispeánann an cuar aschuir córais líneacha agus sáithithe idéalacha le spleáchas soiléir geata-voltais, rud a léiríonn teagmháil idéalach idir CNTanna agus leictreoidí graiféine (45). Breathnaíodh go raibh an fhriotaíocht teagmhála le leictreoidí graiféine níos ísle ná an fhriotaíocht teagmhála le scannán Au galaithe (féach fig. S14). Tá soghluaisteacht sáithithe an trasraitheora shínte thart ar 5.6 cm2/Vs, cosúil le soghluaisteacht sáithithe na dtrasraitheoirí CNT sórtáilte polaiméire céanna ar foshraitheanna Si righne le SiO2 300-nm mar shraith tréleictreach. Is féidir feabhas breise a chur ar shoghluaisteacht le dlús feadán optamaithe agus cineálacha eile feadán (46).
(A) Scéim trasraitheora insínte bunaithe ar ghraiféin. SWNTanna, feadáin nanaití carbóin aonbhalla. (B) Grianghraf de na trasraitheoirí insínte déanta as leictreoidí graféine (barr) agus leictreoidí CNT (bun). Tá an difríocht sa trédhearcacht soiléir le feiceáil. (C agus D) Cuar aistrithe agus aschuir an trasraitheora bunaithe ar ghraiféin ar SEBS roimh bhrú. (E agus F) Cuar aistrithe, sruth ar siúl agus as, cóimheas ar siúl/as, agus soghluaisteacht an trasraitheora bunaithe ar ghraiféin ag brúnna éagsúla.
Nuair a síneadh an fheiste thrédhearcach, uile-charbóin i dtreo comhthreomhar le treo iompair an mhuirir, breathnaíodh íosmhéid díghrádaithe suas le brú 120%. Le linn an tsínte, laghdaigh an soghluaisteacht go leanúnach ó 5.6 cm2/Vs ag brú 0% go 2.5 cm2/Vs ag brú 120% (Fíor 5F). Rinneamar comparáid freisin idir feidhmíocht an trasraitheora le haghaidh faid chainéil éagsúla (féach tábla S1). Is suntasach, ag brú chomh mór le 105%, go raibh cóimheas ard ar siúl/as (>103) agus soghluaisteacht (>3 cm2/Vs) ag na trasraitheoirí seo go léir. Ina theannta sin, rinneamar achoimre ar an obair le déanaí ar fad ar thrasraitheoirí uile-charbóin (féach tábla S2) (47–52). Trí mhonarú feistí ar elastomers a bharrfheabhsú agus MGGanna a úsáid mar theagmhálacha, taispeánann ár dtrasraitheoirí uile-charbóin feidhmíocht mhaith i dtéarmaí soghluaisteachta agus hysteresis chomh maith le bheith an-shínte.
Mar fheidhmchlár den trasraitheoir atá lán-thrédhearcach agus inshínte, d'úsáideamar é chun lascadh LED a rialú (Fíor 6A). Mar a thaispeántar i bhFíor 6B, is féidir an LED glas a fheiceáil go soiléir tríd an bhfeiste shínte uile-charbóin atá suite díreach os a chionn. Cé go bhfuil sé sínte go ~100% (Fíor 6, C agus D), ní athraíonn déine solais an LED, rud atá comhsheasmhach le feidhmíocht an trasraitheora a thuairiscítear thuas (féach scannán S1). Seo an chéad tuarascáil ar aonaid rialaithe shínte a rinneadh ag baint úsáide as leictreoidí graiféine, rud a léiríonn féidearthacht nua do leictreonaic shínte graiféine.
(A) Ciorcad trasraitheora chun LED a thiomáint. GND, talamh. (B) Grianghraf den trasraitheoir uile-charbóin inshínte agus trédhearcach ag 0% brú suite os cionn LED glas. (C) Tá an trasraitheoir uile-charbóin trédhearcach agus inshínte a úsáidtear chun an LED a lascadh á shuiteáil os cionn an LED ag 0% (ar chlé) agus ~100% brú (ar dheis). Pointíonn saigheada bána mar na marcóirí buí ar an bhfeiste chun an t-athrú achair atá á shíneadh a thaispeáint. (D) Radharc taobh den trasraitheoir sínte, agus an LED brúite isteach san elastomer.
Mar fhocal scoir, tá struchtúr graiféine seoltaí trédhearcach forbartha againn a choinníonn seoltacht ard faoi bhrúnna móra mar leictreoidí inshínte, arna gcumasú ag nanoscrollaí graiféine idir sraitheanna graiféine cruachta. Is féidir leis na struchtúir leictreoid MGG dé- agus tríshraith seo ar elastomer 21 agus 65%, faoi seach, dá seoltacht brú 0% a choinneáil ag brú chomh hard le 100%, i gcomparáid le cailliúint iomlán seoltachta ag brú 5% le haghaidh leictreoidí graiféine aonshraith tipiciúla. Cuireann na cosáin sheoltaí breise de scrollaí graiféine chomh maith leis an idirghníomhaíocht lag idir na sraitheanna aistrithe leis an gcobhsaíocht seoltachta níos fearr faoi bhrú. Chuireamar an struchtúr graiféine seo i bhfeidhm freisin chun trasraitheoirí inshínte uile-charbóin a mhonarú. Go dtí seo, is é seo an trasraitheoir bunaithe ar ghraiféin is inshínte leis an trédhearcacht is fearr gan lúbadh a úsáid. Cé gur rinneadh an staidéar seo chun graiféin a chumasú le haghaidh leictreonaic inshínte, creidimid gur féidir an cur chuige seo a leathnú chuig ábhair 2T eile chun leictreonaic 2T inshínte a chumasú.
Fásadh graiféin CVD fairsing ar scragall Cu ar fionraí (99.999%; Alfa Aesar) faoi bhrú tairiseach de 0.5 mtorr le 50–SCCM (ceintiméadar ciúbach caighdeánach in aghaidh an nóiméid) CH4 agus 20–SCCM H2 mar réamhtheachtaithe ag 1000°C. Clúdaíodh an dá thaobh den scragall Cu le graiféin aonchiseal. Rinneadh sciath sníomha ar shraith tanaí de PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) ar thaobh amháin den scragall Cu, ag cruthú struchtúr PMMA/G/scragall Cu/G. Ina dhiaidh sin, sáithíodh an scannán iomlán i dtuaslagán 0.1 M peirsulfáit amóiniam [(NH4)2S2O8] ar feadh thart ar 2 uair an chloig chun an scragall Cu a ghreanadh. Le linn an phróisis seo, stróic an graiféin chúl neamhchosanta ar dtús feadh theorainneacha an ghráin agus ansin rolladh suas é i scrollaí mar gheall ar theannas dromchla. Ceanglaíodh na scrollaí ar an scannán graiféin uachtarach a raibh tacaíocht PMMA aige, ag cruthú scrollaí PMMA/G/G. Ina dhiaidh sin, niteadh na scannáin in uisce dí-ianaithe arís agus arís eile agus leagadh iad ar shubstráit sprice, amhail SiO2/Si righin nó substráit phlaisteach. A luaithe a thriomaigh an scannán ceangailte ar an tsubstráit, sáithíodh an sampla ina dhiaidh sin in aicéatón, 1:1 aicéatón/IPA (alcól isopropil), agus IPA ar feadh 30 soicind an ceann chun PMMA a bhaint. Téite na scannáin ag 100°C ar feadh 15 nóiméad nó coinníodh iad i bhfolús thar oíche chun an t-uisce gafa a bhaint go hiomlán sular aistríodh sraith eile de scrolla G/G air. Bhí an chéim seo ann chun scaradh an scannáin graiféine ón tsubstráit a sheachaint agus clúdach iomlán MGGanna a chinntiú le linn scaoileadh sraith iompróra PMMA.
Breathnaíodh moirfeolaíocht struchtúr MGG ag baint úsáide as micreascóp optúil (Leica) agus micreascóp leictreon scanála (1 kV; FEI). Oibríodh micreascóp fórsa adamhach (Nanoscope III, Digital Instrument) i mód tapála chun sonraí na scrollaí G a bhreathnú. Rinneadh tástáil ar thrédhearcacht an scannáin le speictriméadar ultraivialait-infheicthe (Agilent Cary 6000i). I gcás na dtástálacha nuair a bhí an brú feadh treo ingearach an tsreafa reatha, úsáideadh fótailigrafaíocht agus plasma O2 chun struchtúir graiféine a phatrúnú i stiallacha (~300 μm ar leithead agus ~2000 μm ar fhad), agus taiscíodh leictreoidí Au (50 nm) go teirmeach ag baint úsáide as maisc scátha ag an dá cheann den taobh fada. Cuireadh na stiallacha graiféine i dteagmháil ansin le helastomer SEBS (~2 cm ar leithead agus ~5 cm ar fhad), agus ais fhada na stiallacha comhthreomhar le taobh gearr SEBS agus ina dhiaidh sin eitseáil BOE (eitseáil ocsaíde maolánaithe) (HF:H2O 1:6) agus indiam galliam eiteicteach (EGaIn) mar theagmhálacha leictreacha. I gcás tástálacha brú comhthreomhara, aistríodh struchtúir ghraiféine neamhphatrúnacha (~5 × 10 mm) ar foshraitheanna SEBS, agus aiseanna fada comhthreomhar le taobh fada an tsubstráit SEBS. I gcás an dá chás, síneadh an G (gan scrollaí G)/SEBS iomlán feadh thaobh fada an elastomer i ngléas láimhe, agus in situ, thomhaiseamar a n-athruithe friotaíochta faoi bhrú ar stáisiún tóireadóireachta le hanailíseoir leathsheoltóra (Keithley 4200-SCS).
Rinneadh na trasraitheoirí uile-charbóin atá an-shínte agus trédhearcach ar foshraith leaisteach a mhonarú leis na nósanna imeachta seo a leanas chun damáiste tuaslagóra orgánaigh don tréleictreach polaiméire agus don foshraith a sheachaint. Aistríodh struchtúir MGG chuig SEBS mar leictreoidí geata. Chun ciseal tréleictreach polaiméire scannáin tanaí aonfhoirmeach (2 μm tiubh) a fháil, rinneadh tuaslagán tolúéine SEBS (80 mg/ml) a sciath sníomh ar foshraith SiO2/Si modhnaithe le hochtadeiciltreachlóraisilán (OTS) ag 1000 rpm ar feadh 1 nóiméad. Is féidir an scannán tréleictreach tanaí a aistriú go héasca ón dromchla OTS hidreafóbach ar an foshraith SEBS atá clúdaithe leis an ngraifín ullmhaithe. D'fhéadfaí toilleoir a dhéanamh trí leictreoid barr miotail leachtaigh (EGaIn; Sigma-Aldrich) a thaisceadh chun an toilleas a chinneadh mar fheidhm de bhrú ag baint úsáide as méadar LCR (ionduchtas, toilleas, friotaíocht) (Agilent). Bhí an chuid eile den trasraitheoir comhdhéanta de CNTanna leathsheoltacha sórtáilte polaiméire, ag leanúint na nósanna imeachta a tuairiscíodh roimhe seo (53). Rinneadh na leictreoidí foinse/draein patrúnacha a mhonarú ar foshraitheanna SiO2/Si righne. Ina dhiaidh sin, rinneadh an dá chuid, tréleictreach/G/SEBS agus CNTanna/G/Si patrúnacha G/SiO2/Si, a lannú dá chéile, agus sáithíodh iad i BOE chun an tsubstráit righin SiO2/Si a bhaint. Dá bhrí sin, rinneadh na trasraitheoirí lán-trédhearcacha agus sínte a mhonarú. Rinneadh an tástáil leictreach faoi bhrú ar shocrú sínte láimhe mar an modh thuasluaite.
Tá ábhar breise don alt seo ar fáil ag http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
fig. S1. Íomhánna micreascópachta optúla de MGG aonchiseal ar foshraitheanna SiO2/Si ag formhéaduithe éagsúla.
fig. S4. Comparáid idir friotaíochtaí agus tarchurtha bileoga dhá tóireadóir @550 nm de ghraiféin shimplí aon-, dé- agus tríchiseal (cearnóga dubha), MGG (ciorcail dhearg), agus CNTanna (triantán gorm).
fig. S7. Athrú friotaíochta normalaithe MGGanna aonchiseal agus déchiseal (dubh) agus G (dearg) faoi ualach brú timthriallach ~1000 suas le brú comhthreomhar 40 agus 90%, faoi seach.
fig. S10. Íomhá SEM de MGG tríchiseal ar elastomer SEBS tar éis brú, ag taispeáint trasnú scrolla fada thar roinnt scoilteanna.
fig. S12. Íomhá AFM de MGG tríchiseal ar elastomer SEBS an-tanaí ag brú 20%, ag taispeáint gur thrasnaigh scrolla thar scoilt.
Tábla S1. Soghluaisteacht trasraitheoirí nanafheadáin charbóin aonbhalla déchiseal MGG ag faid chainéil éagsúla roimh agus tar éis brú.
Is alt rochtana oscailte é seo atá dáilte faoi théarmaí an cheadúnais Creative Commons Attribution-NonCommercial, a cheadaíonn úsáid, dáileadh agus atáirgeadh in aon mheán, fad is nach chun leasa tráchtála a dhéantar an úsáid a eascraíonn as sin agus ar choinníoll go luaitear an saothar bunaidh i gceart.
NÓTA: Ní iarrann muid do sheoladh ríomhphoist ach amháin ionas go mbeidh a fhios ag an duine a bhfuil tú ag moladh an leathanaigh dó gur mhaith leat go bhfeicfidís é, agus nach ríomhphost dramhphoist atá ann. Ní ghabhaimid aon seoladh ríomhphoist.
Is chun tástáil a dhéanamh ar cibé an cuairteoir daonna thú nó nach ea atá an cheist seo agus chun cosc a chur ar aighneachtaí turscair uathoibrithe.
Le 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
Le Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao
© 2021 Cumann Meiriceánach um Chur Chun Cinn na hEolaíochta. Gach ceart ar cosaint. Tá AAAS ina chomhpháirtí de HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef agus COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.
Am an phoist: 28 Eanáir 2021