Tá ábhair dhéthoiseacha, mar shampla graphene, tarraingteach d'fheidhmchláir leathsheoltóra thraidisiúnta agus d'fheidhmchláir shínte i leictreonaic solúbtha.Mar sin féin, mar thoradh ar ard-neart teanntachta graphene go scoilteann sé ar bhrú íseal, rud a fhágann go bhfuil sé dúshlánach leas a bhaint as a chuid airíonna leictreonacha neamhghnácha i leictreonaic insínte.Chun feidhmíocht shármhaith seoltóirí graphene trédhearcacha a bhraitheann ar bhrú a chumasú, chruthaíomar nanoscrollaí graphene idir sraitheanna graiféine cruachta, dá ngairtear scrollaí ilchiseal graphene/graphene (MGGs).Faoi bhrú, rinne roinnt scrollaí na fearainn ilroinnte de graphene a dhúnadh chun líonra síothlaithe a choinneáil a d'éascaigh seoltacht den scoth ag brúnna arda.Choinnigh MGGanna tríchiseal tacaithe ar leaistiméirí 65% dá seoltacht bhunaidh ag brú 100%, atá ingearach le treo an tsreafa reatha, ach níor choinnigh scannáin thríchiseal de graphene gan nanoscrollaí ach 25% dá seoltacht tosaigh.Thaispeáin trasraitheoir uile-charbóin insínte a rinneadh ag baint úsáide as MGGanna mar leictreoidí tarchuradóra >90% agus choinnigh sé 60% dá bhun-aschur reatha ag brú 120% (comhthreomhar le treo an iompair luchta).D’fhéadfadh na trasraitheoirí uile-charbóin seo atá an-sínte agus trédhearcach seo optaleictreonaic sofaisticiúla insínte a chumasú.
Réimse atá ag dul i méid is ea leictreonaic thrédhearcach insínte a bhfuil feidhmchláir thábhachtacha aici in ardchórais bhith-chomhtháite (1, 2) chomh maith leis an bhféidearthacht comhtháthú le optoelectronics insínte (3, 4) chun róbataic bhog agus taispeántais shofaisticiúla a tháirgeadh.Léiríonn Graphene airíonna an-inmhianaithe de thiús adamhach, trédhearcacht ard, agus seoltacht ard, ach tá bac ar a chur i bhfeidhm in iarratais insínte mar gheall ar an gclaonadh atá ann scoilteanna beaga a dhéanamh.Má sháraítear teorainneacha meicniúla graphene d'fhéadfaí feidhmiúlacht nua a chumasú i bhfeistí trédhearcacha insínte.
Mar gheall ar airíonna uathúla graphene is iarrthóir láidir é don chéad ghlúin eile de leictreoidí seoltacha trédhearcacha (5, 6).I gcomparáid leis an seoltóir trédhearcach is coitianta a úsáidtear, ocsaíd stáin indium [ITO;100 óm/cearnach (cearnach) le trédhearcacht 90% ], tá an teaglaim chéanna d'fhriotaíocht leatháin (125 ohms/sq) agus trédhearcacht (97.4%) ag graphene monaraithe a fhástar trí thaisceadh gaile ceimiceach (CVD).Ina theannta sin, tá solúbthacht neamhghnách ag scannáin graphene i gcomparáid le ITO (7).Mar shampla, ar fhoshraith plaisteach, is féidir a seoltacht a choinneáil fiú ar feadh ga lúbthachta cuaire chomh beag le 0.8 mm (8).Chun a fheidhmíocht leictreach mar sheoltóir trédhearcach solúbtha a fheabhsú tuilleadh, d'fhorbair oibreacha a rinneadh roimhe seo ábhair hibrideacha graphene le nanaifír airgid aontoiseach (1D) nó nanaifeadáin charbóin (CNTanna) (9-11).Ina theannta sin, baineadh úsáid as graphene mar leictreoidí do leathsheoltóirí heitreastruchtúracha tríthoiseacha measctha (cosúil le mórchóir Si 2D, nanaifíreanna / nanafeadáin 1D, agus poncanna chandamach 0D) (12), trasraitheoirí solúbtha, cealla gréine, agus dé-óid astaithe solais (LEDs) (13). –23).
Cé gur léirigh graphene torthaí a bhfuil gealladh fúthu maidir le leictreonaic sholúbtha, tá teorainn lena chur i bhfeidhm i leictreonaic insínte ag a n-airíonna meicniúla (17, 24, 25);Tá stiffness in-eitleán de 340 N/m ag graphene agus modal Young de 0.5 TPa ( 26).Ní sholáthraíonn an gréasán láidir carbóin-charbóin aon mheicníochtaí diúscartha fuinnimh le haghaidh brú feidhmeach agus mar sin scoilteann sé go héasca ag brú níos lú ná 5%.Mar shampla, ní féidir le graphene CVD a aistrítear isteach ar fhoshraith leaisteacha polydimethylsiloxane (PDMS) ach a seoltacht a choinneáil ag brú níos lú ná 6% (8).Léiríonn ríomhaireachtaí teoiriciúla gur cheart go laghdódh mionú agus idirghníomhú idir sraitheanna éagsúla an stiffness go láidir (26).Trí ghraiféin a chruachadh i sraitheanna iolracha, tuairiscítear gur féidir an graphene dé-chiseal nó trilayer seo a shíneadh go brú 30%, rud a léiríonn an t-athrú friotaíochta 13 huaire níos lú ná an t-athrú ar ghraiféin monolayer (27).Mar sin féin, tá an stretchability fós i bhfad níos lú ná stát-de-aimseartha seoltóirí stretchable (28, 29).
Tá trasraitheoirí tábhachtach i bhfeidhmchláir shínte toisc go gcumasaíonn siad léamh amach braiteoirí sofaisticiúla agus anailís ar chomharthaí (30, 31).Is féidir le trasraitheoirí ar PDMS le graphene ilchiseal mar leictreoidí foinse/draein agus ábhar cainéil feidhm leictreach a choinneáil suas le brú 5% (32), atá go suntasach faoi bhun an íosluacha riachtanach (~50%) le haghaidh braiteoirí inchaite monatóireachta sláinte agus craiceann leictreonach ( 33, 34).Le déanaí, rinneadh iniúchadh ar chur chuige graphene kirigami, agus is féidir an trasraitheoir atá á gheata ag leictrilít leachtach a shíneadh go dtí an oiread agus is 240% (35).Mar sin féin, éilíonn an modh seo graphene ar fionraí, rud a chuireann casta ar an bpróiseas monaraithe.
Anseo, bainimid amach gléasanna graphene an-sínte trí scrollaí graphene (~ 1 go 20 μm ar fad, ~ 0.1 go 1 μm ar leithead, agus ~ 10 go 100 nm ar airde) a idirnascadh idir sraitheanna graphene.Tugaimid hipitéis go bhféadfadh na scrollaí graphene seo cosáin seoltaí a sholáthar chun scoilteanna a dhroicheadú sna leatháin graphene, agus mar sin coinnítear seoltacht ard faoi bhrú.Ní éilíonn na scrollaí graphene sintéis nó próiseas breise;déantar iad a fhoirmiú go nádúrtha le linn an nós imeachta aistrithe fliuch.Trí úsáid a bhaint as scrollaí ilchiseal G/G (graphene/graphene) (MGGs) leictreoidí insínte graphene (foinse/draein agus geata) agus CNTanna leathsheoltacha, bhíomar in ann trasraitheoirí uile-charbóin an-trédhearcach agus an-inshínte a léiriú, ar féidir iad a shíneadh go 120 % brú (comhthreomhar le treo an iompair luchta) agus coinnigh 60 % dá mbun-aschur srutha.Is é seo an trasraitheoir trédhearcach carbóin-bhunaithe is insínte go dtí seo, agus soláthraíonn sé sruth leordhóthanach chun LED neamhorgánach a thiomáint.
Chun leictreoidí graphene trédhearcacha insínte mór-limistéar a chumasú, roghnaigh muid graphene fás CVD ar Cu scragall.Cuireadh an scragall Cu ar fionraí i lár feadán Grianchloch CVD chun fás graphene a cheadú ar an dá thaobh, ag cruthú struchtúir G / Cu / G .Chun graphene a aistriú, rinneamar sraith tanaí de phola (meitil methacrylate) (PMMA) a chasadh ar dtús chun taobh amháin den graphene a chosaint, a d'ainmnigh muid graphene topside (vice versa don taobh eile den graphene), agus ina dhiaidh sin, an sáithíodh an scannán iomlán (PMMA/graiféin barr/Cu/bun-graiféin) i dtuaslagán (NH4)2S2O8 chun an scragall Cu a eitseáil.Is féidir go mbeidh scoilteanna agus lochtanna ar an graphene bun-taobh gan an sciath PMMA a ligeann d’eitseán dul tríd (36, 37).Mar a léirítear i bhFíor 1A, faoi éifeacht teannas dromchla, rolladh na fearainn graphene scaoileadh suas i scrollaí agus ina dhiaidh sin ceangailte leis an scannán barr-G/PMMA a bhí fágtha.D'fhéadfaí na scrollaí barr-G/G a aistriú chuig aon fhoshraith, mar SiO2/Si, gloine, nó polaiméir bhog.Má dhéantar an próiseas aistrithe seo arís agus arís eile ar an tsubstráit chéanna tugtar struchtúir MGG.
(A) Léaráid scéimreach den nós imeachta monaraithe do MGGanna mar leictreoid insínte.Le linn an aistrithe graphene, bhí graphene backside ar Cu scragall briste ag teorainneacha agus lochtanna, rolladh suas i cruthanna treallach, agus ceangailte go docht ar na scannáin uachtair, a fhoirmiú nanoscrolls.Léiríonn an ceathrú cartún struchtúr cruachta MGG.(B agus C) Tréithrithe TEM ardtaifigh de MGG monolayer, ag díriú ar an monolayer graphene (B) agus an scrollbharra (C) réigiún, faoi seach.Is íomhá ísealmhéadaithe é inset (B) a thaispeánann moirfeolaíocht iomlán na MGGanna monashraith ar an eangach TEM.Is éard atá in insets de (C) na próifílí déine a thógtar feadh na mboscaí dronuilleogacha a léirítear san íomhá, áit a bhfuil na hachair idir na plánaí adamhach 0.34 agus 0.41 nm.(D ) Speictream eascann K-imeall carbóin agus na beanna graifíteacha sainiúla π* agus σ* lipéadaithe.(E) Íomhá trasghearrthach AFM de scrollaí monashraith G/G le próifíl airde feadh na líne poncaithe buí.(F go I) Micreascóip optúil agus íomhánna AFM s de thríchiseal G gan (F agus H) agus le scrollaí (G agus I) ar fhoshraitheanna SiO2/Si 300-nm-tiubh, faoi seach.Lipéadaíodh scrollaí ionadaíocha agus roic chun aird a tharraingt ar a gcuid difríochtaí.
Chun a fhíorú go bhfuil na scrollaí rollta graphene i nádúr, rinneamar staidéir ardtaifigh leictreon-mhicreascópacht tarchurtha (TEM) agus caillteanas fuinnimh leictreon (EEL) ar na struchtúir monolayer scrollbharra barr-G/G.Taispeánann Figiúr 1B struchtúr heicseagánach graphene monolayer, agus is é an inset moirfeolaíocht iomlán an scannáin atá clúdaithe ar pholl carbóin amháin den ghreille TEM.Cuimsíonn an graphene monolayer an chuid is mó den ghreille, agus tá roinnt calóga graphene i láthair stoic iolracha de fáinní heicseagánach le feiceáil (Fig. 1 B).Trí zúmáil isteach i scrolla aonair (Fíor 1C), thugamar faoi deara cuid mhór imeall laitíse graphene, agus an spásáil laitíse sa raon 0.34 go 0.41 nm.Tugann na tomhais seo le tuiscint go ndéantar na calóga a rolladh suas go randamach agus nach graifít foirfe iad, a bhfuil spásáil laitíse de 0.34 nm aige i gcruacháil ciseal “ABAB”.I bhFíor 1D taispeántar an speictream carbóin K-imeall EEL, áit a dtagann an bhuaic ag 285 eV ón bhfithis π* agus an ceann eile timpeall 290 eV mar gheall ar thrasdul na bhfithiseán σ*.Is féidir a fheiceáil go bhfuil nascáil sp2 chun tosaigh sa struchtúr seo, rud a fhíoraíonn go bhfuil na scrollaí an-ghrafach.
Soláthraíonn íomhánna micreascópachta optúla agus micreascópachta fórsa adamhach (AFM) léargas ar dháileadh nanoscrollaí graphene sna MGGanna (Fíor 1, E go G, agus figs. S1 agus S2).Déantar na scrollaí a dháileadh go randamach ar an dromchla, agus méadaíonn a ndlús in-eitleáin go comhréireach le líon na sraitheanna cruachta.Tá go leor scrollaí fite fuaite le snaidhmeanna agus taispeánann siad airde neamhionanna sa raon 10 go 100 nm.Tá siad 1 go 20 μm ar fad agus 0.1 go 1 μm ar leithead, ag brath ar mhéideanna a gcuid calóga graphene tosaigh.Mar a léirítear 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 gairbhe idir na sraitheanna graphene.
Chun na hairíonna leictreacha a thomhas, rinneamar scannáin graphene a phatrúnáil le struchtúir scrollaithe nó gan iad agus cruachadh ciseal isteach i stiallacha 300-μm ar leithead agus 2000-μm ar fhad ag baint úsáide as fótailiteagrafaíocht.Tomhaiseadh friotaíocht dhá-iniúchadh mar fheidhm brú faoi choinníollacha comhthimpeallacha.Laghdaigh láithreacht scrollaí an fhriotaíocht do monolayer graphene faoi 80% agus ní raibh ach laghdú 2.2% ar an tarchur (fig. S4).Deimhníonn sé seo go gcuireann na naoscrollaí, a bhfuil dlús ard srutha suas le 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ) acu, go mór leis na MGGanna leictrigh.I measc na mono-, dé-, agus trilayer plain graphene agus MGGs, tá an seoltacht is fearr ag an MGG trilayer le trédhearcacht beagnach 90%.Chun comparáid a dhéanamh le foinsí eile graphene a thuairiscítear sa litríocht, thomhaiseamar freisin friotaíocht bileog ceithre-probe (fig. S5) agus liostaítear iad mar fheidhm de tharchur ag 550 nm (fig. S6) i bhFíor. 2 A.Léiríonn MGG seoltacht agus trédhearcacht atá inchomparáide nó níos airde ná mar atá il-ghraifíne simplí atá Cruachta go saorga agus ocsaíd graphene laghdaithe (RGO) (6, 8, 18).Tabhair faoi deara go bhfuil na friotaíocht bileoga de graphene plain ilchiseal atá Cruachta go saorga ón litríocht beagán níos airde ná sin ar ár MGG, is dócha mar gheall ar a gcoinníollacha fáis unoptimized agus modh aistrithe .
(A) Friotaíocht leatháin ceithre thaiscéalaí in aghaidh tarchurtha ag 550 nm do roinnt cineálacha graiféine, áit a léiríonn cearnóga dubha MGG monai, dé-, agus tríchiseal;comhfhreagraíonn ciorcail dearga agus triantáin ghorma le gnáth-graiféin ilchiseal a fhástar ar Cu agus Ni ó staidéir Li et al.(6) agus Kim et al.(8), faoi seach, agus ina dhiaidh sin aistrithe go SiO2/Si nó Grianchloch;agus is luachanna iad triantáin ghlasa do RGO ag céimeanna laghdaithe éagsúla ón staidéar ar Bonaccorso et al.( 18).(B agus C) Athrú friotaíochta normalaithe MGG mona-, dé- agus trilayer agus G mar fheidhm ingearach (B) agus comhthreomhar (C) brú go dtí an treo an tsreafa.(D) Athrú friotaíochta normalaithe déchiseal G (dearg) agus MGG (dubh) faoi bhrú timthriallach ag luchtú suas le brú ingearach 50%.(E) Athrú friotaíochta normalaithe de thríchiseal G (dearg) agus MGG (dubh) faoi bhrú timthriallach ag luchtú suas le 90% brú comhthreomhar.(F) Athrú toilleas normalaithe ar MGG mona-, déshraithe agus trí-chiseal G agus dé-chiseal agus tríchiseal mar fheidhm brú.Is é an inset an struchtúr toilleora, áit a bhfuil an tsubstráit polaiméire SEBS agus is é an ciseal tréleictreach polaiméire an SEBS 2-μm-tiubh.
Chun feidhmíocht brú-spleách an MGG a mheas, d'aistrigh muid graphene go dtí foshraitheanna teirmeaplaisteacha styrene-eitiléine-bútaidhé-éin-styrene (SEBS) (~ 2 cm ar leithead agus ~ 5 cm ar fad), agus rinneadh an seoltacht a thomhas de réir mar a shíneadh an tsubstráit. (féach Ábhair agus Modhanna) ingearach agus comhthreomhar le treo an tsreafa reatha (Fíor 2, B agus C).Tháinig feabhas ar an iompar leictreach atá ag brath ar bhrú nuair a ionchorpraíodh nanoscrollaí agus líon na sraitheanna graphene méadaithe.Mar shampla, nuair a bhíonn brú ingearach le sruth an tsrutha, le haghaidh graphene monolayer, mhéadaigh scrollaí breise an brú ar bhriseadh leictreach ó 5 go 70%.Tá feabhas suntasach freisin ar lamháltas brú an ghraiféin trí-chiseal i gcomparáid leis an monolayer graphene.Le nanoscrolls, ag brú ingearach 100%, níor mhéadaigh friotaíocht struchtúr trilayer MGG ach 50%, i gcomparáid le 300% le haghaidh trilayer graphene gan scrollaí.Rinneadh imscrúdú ar athrú friotaíochta faoi ualach brú timthriallach.Chun comparáid a dhéanamh (Fíor 2D), tháinig méadú thart ar 7.5 uair tar éis ~ 700 timthriall ar fhriotaíocht scannáin ghraifíne déshraith shimplí tar éis ~ 700 timthriall ag brú ingearach 50% agus lean sé 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 gcur i bhfeidhm feadh na treo comhthreomhar, mhéadaigh friotaíocht graphene trilayer ~ 100 uair tar éis 1000 timthriall, ach níl sé ach ~8 huaire i MGG trilayer (Fíor 2E).Taispeántar torthaí rothaíochta i bhfíor.S7.Is é an méadú réasúnta níos tapúla ar fhriotaíocht feadh an treo brú comhthreomhar toisc go bhfuil treoshuíomh scoilteanna ingearach le treo an tsreafa reatha.Tá an diall ar fhriotaíocht le linn brú luchtaithe agus díluchtaithe mar gheall ar aisghabháil viscoelastic de shubstráit elastomer SEBS.Tá friotaíocht níos cobhsaí na stiallacha MGG le linn rothaíochta mar gheall ar láithreacht scrollaí móra atá in ann na codanna scáinte den graphene a dhroicheadú (mar atá faoi obsessed ag AFM), ag cuidiú le cosán síothlaithe a choinneáil.Tuairiscíodh roimhe seo an feiniméan seo maidir le seoltacht a chothabháil trí chosán síothlaithe i gcás scannáin scoilte miotail nó leathsheoltóra ar fhoshraitheanna leaistiméire (40, 41).
Chun na scannáin seo atá bunaithe ar graphene a mheas mar leictreoidí geata i bhfeistí insínte, chlúdaíomar an ciseal graphene le ciseal tréleictreach SEBS (2 μm tiubh) agus rinneamar monatóireacht ar an athrú toilleas tréleictreach mar fheidhm brú (féach Fíor 2F agus na hÁbhair Fhorlíontacha do sonraí).Thugamar faoi deara gur laghdaigh toilleas le leictreoidí graiféine simplí mona-chiseal agus déchiseal go tapa mar gheall ar chaillteanais seoltacht in-eitleán graphene.I gcodarsnacht leis sin, léirigh toilleas a raibh MGGanna ag gabháil leo chomh maith le gnáth-ghraifíne trí-shraith méadú ar an toilleas le brú, a bhfuiltear ag súil leis mar gheall ar laghdú ar thiús tréleictreach le brú.Bhí an méadú ionchais ar an toilleas ag teacht go han-mhaith leis an struchtúr MGG (fig. S8).Léiríonn sé seo go bhfuil MGG oiriúnach mar leictreoid geata le haghaidh trasraitheoirí insínte.
Chun imscrúdú breise a dhéanamh ar ról an scrolla graphene 1D ar lamháltas brú seoltachta leictrigh agus chun an deighilt idir sraitheanna graphene a rialú níos fearr, d'úsáideamar CNTs brataithe le sprae chun na scrollaí graphene a athsholáthar (féach Ábhair Fhorlíontacha).Chun aithris a dhéanamh ar struchtúir MGG, chuireamar trí dhlús CNT i dtaisce (is é sin, CNT1
(A go C) Íomhánna AFM de thrí dhlús éagsúla CNTanna (CNT1
Chun a gcumas mar leictreoidí do leictreonaic insínte a thuiscint tuilleadh, rinneamar imscrúdú córasach ar mhoirfeolaíochtaí MGG agus G-CNT-G faoi bhrú.Ní modhanna éifeachtacha tréithrithe iad micreascópacht optúil agus scanadh leictreon (SEM) toisc go bhfuil easpa codarsnachta datha agus SEM faoi réir déantáin íomhá le linn scanadh leictreon nuair a bhíonn graphene ar fhoshraitheanna polaiméire (figs. S9 agus S10).Chun an dromchla graphene faoi bhrú in situ a bhreathnú, bhailigh muid tomhais AFM ar MGGanna trilayer agus graphene plain tar éis aistriú go foshraitheanna SEBS an-tanaí (~ 0.1 mm tiubh) agus leaisteacha.Mar gheall ar na lochtanna intreacha i graphene CVD agus damáiste eistreach le linn an phróisis aistrithe, gintear scoilteanna dosheachanta ar an graphene strained, agus le brú méadaitheach, d'éirigh na scoilteanna níos dlúithe (Fíor 4, A go D).Ag brath ar struchtúr cruachta na leictreoidí carbóin-bhunaithe, léiríonn na scoilteanna moirfeolaíochtaí éagsúla (fig. S11) (27).Tá dlús achar crack (arna shainiú mar limistéar scoilte/limistéar anailíse) de graiféin ilchisealach níos lú ná an dlús a bhaineann le monolayer graphene tar éis brú, atá ag teacht leis an méadú ar seoltacht leictreach do MGGanna.Ar an láimh eile, is minic a breathnaítear scrollaí chun na scoilteanna a dhroicheadú, ag soláthar cosáin seoltacha breise sa scannán faoi bhrú.Mar shampla, mar atá lipéadaithe san íomhá i bhFíor 4B, thrasnaigh scrolla leathan thar scoilt sa trilayer MGG, ach níor breathnaíodh aon scrollbharra sa ghnáth-ghraifíne (Fíor 4, E go H).Mar an gcéanna , dhroichid CNTanna na scoilteanna i graphene (fig. S11).Déantar achoimre i bhFíor 4K ar dhlús an limistéir crack, ar dhlús an limistéir scrollaithe, agus ar gharbh an scannáin.
(A go H) Íomhánna AFM in situ de scrollaí G/G trilayer (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.Cuirtear scoilteanna ionadaíocha agus scrollaí in iúl le saigheada.Tá na híomhánna AFM go léir i limistéar 15 μm × 15 μm, ag baint úsáide as an mbarra scála dath céanna mar atá lipéadaithe.(I) Céimseata ionsamhlúcháin na n-leictreoidí graiféine mona-chiseal patrúnaithe ar an tsubstráit SEBS .(J) Léarscáil comhrianta insamhalta den phríomhbhrú logartamach uasta sa ghraiféin monolayer agus an tsubstráit SEBS ag brú seachtrach 20%.(K) Comparáid idir dlús limistéar crack (colún dearg), dlús limistéar scrollaigh (colún buí), agus roughness dromchla (colún gorm) le haghaidh struchtúir éagsúla graphene.
Nuair a dhéantar na scannáin MGG a shíneadh, tá meicníocht bhreise thábhachtach ann gur féidir leis na scrollaí réigiúin scoilte de graphene a dhroicheadú, ag cothabháil líonra síothlaithe.Tá na scrollaí graphene geallta mar is féidir leo a bheith sna deich micriméadair ar fad agus dá bhrí sin in ann scoilteanna a dhúnadh a bhíonn suas go scála micriméadar de ghnáth.Ina theannta sin, toisc go bhfuil ilchisealacha graphene sna scrollaí, meastar go mbeidh friotaíocht íseal acu.I gcomparáid leis sin, tá líonraí CNT sách dlúth (tarchur níos ísle) ag teastáil chun cumas idirlinne seoltaí inchomparáide a sholáthar, toisc go mbíonn CNTanna níos lú (cúpla micriméadar ar fad de ghnáth) agus níos lú seoltaí ná na scrollaí.Ar an láimh eile, mar a thaispeántar i bhfíor.S12, cé go scoilteann an graphene le linn síneadh chun freastal ar bhrú, ní scoilteann na scrollaí, rud a thugann le fios go bhféadfadh an dara ceann a bheith ag sleamhnú ar an graiféin bhunúsach.Is dócha gurb é an fáth nach scoilteann siad mar gheall ar an struchtúr rollta suas, comhdhéanta de go leor sraitheanna de graphene (~ 1 go 2 0 μm ar fad, ~ 0.1 go 1 μm ar leithead, agus ~ 10 go 100 nm ar airde), a bhfuil modulus níos éifeachtaí ná an graphene aon-chiseal.Mar a thuairiscigh Green agus Hersam (42), is féidir le líonraí CNT mhiotalacha (trastomhas feadáin 1.0 nm) friotaíocht íseal leatháin a bhaint amach <100 ohms/sq in ainneoin an fhriotaíocht mhór acomhail idir CNTanna.Ós rud é go bhfuil leithead 0.1 go 1 μm ag ár scrollaí graphene agus go bhfuil limistéir teagmhála i bhfad níos mó ag na scrollaí G / G ná CNTs, níor cheart go mbeadh an fhriotaíocht teagmhála agus an limistéar teagmhála idir scrollaí graphene agus graphene mar fhachtóirí teorannacha chun seoltacht ard a choinneáil.
Tá modulus i bhfad níos airde ag an graphene ná an tsubstráit SEBS.Cé go bhfuil tiús éifeachtach an leictreoid graphene i bhfad níos ísle ná an tsubstráit, tá stiffness na n-amanna graphene a thiús inchomparáide le tiús an tsubstráit (43, 44), agus mar thoradh air sin tá éifeacht measartha docht-oileán.Insamhladh muid dífhoirmiúchán graphene 1-nm-tiubh ar fhoshraith SEBS (féach Ábhair Forlíontacha le haghaidh sonraí).De réir thorthaí an insamhladh, nuair a chuirtear brú 20% ar an tsubstráit SEBS go seachtrach , is é an brú meánach sa graphene ná ~6.6% (Fíor 4J agus fig. S13D), atá ag teacht le tuairimí turgnamhacha (féach fig. S13). .Rinneamar comparáid idir an brú sna réigiúin phatrúin graphene agus foshraitheanna ag baint úsáide as micreascópacht optúil agus fuarthas amach go raibh an brú i réigiún an tsubstráit ar a laghad dhá uair an brú sa réigiún graphene.Léiríonn sé seo go bhféadfaí an brú a chuirtear ar phatrúin leictreoidí graphene a theorannú go suntasach, ag cruthú oileáin righin graphene ar bharr SEBS (26, 43, 44).
Dá bhrí sin, is dócha go mbeidh cumas leictreoidí MGG chun seoltacht ard a choinneáil faoi bhrú ard cumasaithe ag dhá mhórmheicníocht: (i) Is féidir leis na scrollaí réigiúin dhínasctha a dhroicheadú chun conair shíothlaithe seoltaí a choinneáil, agus (ii) féadfaidh na leatháin graiféine/leaistiméire ilchiseal sleamhnú. thar a chéile, rud a fhágann brú laghdaithe ar leictreoidí graphene.I gcás sraitheanna iomadúla de graphene aistrithe ar elastomer, níl na sraitheanna ceangailte go láidir lena chéile, rud a d'fhéadfadh sleamhnú mar fhreagra ar bhrú (27).Mhéadaigh na scrollaí freisin garbh na sraitheanna graphene, rud a d'fhéadfadh cabhrú leis an scaradh idir sraitheanna graphene a mhéadú agus dá bhrí sin a chumasú sleamhnáin na sraitheanna graphene.
Saothraítear feistí uile-charbóin go díograiseach mar gheall ar chostas íseal agus tréchur ard.Inár gcás, rinneadh trasraitheoirí uile-charbóin ag baint úsáide as geata bunghraifíne, barr-theagmhálaí foinse/draein graphene, leathsheoltóir CNT sórtáilte, agus SEBS mar thréleictreach ( Fíor. 5 A).Mar a léirítear i bhFíor 5B, tá feiste uile-charbóin a bhfuil CNTanna mar fhoinse/draein agus geata (bunfheiste) níos teimhneach ná an fheiste a bhfuil leictreoidí graphene (gléas barr).Tá sé seo mar gheall ar a cheangal ar líonraí CNT thiúis níos mó agus, dá bhrí sin, tarchurtha optúla níos ísle chun friotaíocht bileog a bhaint amach cosúil le friotaíocht graphene (fig. S4).Taispeánann Fíor 5 (C agus D) cuair aistrithe ionadaíocha agus aschuir roimh bhrú do thrasraitheoir atá déanta le leictreoidí déchiseal MGG.Ba é 800 agus 100 μm leithead an chainéil agus fad an trasraitheora gan srian, faoi seach.Tá an cóimheas tomhaiste air/as níos mó ná 103 le sruthanna ann agus as ag leibhéil 10−5 agus 10−8 A, faoi seach.Léiríonn an cuar aschuir réimis líneacha agus sáithiúcháin idéalacha le spleáchas soiléir ar voltas geata, rud a léiríonn an teagmháil idéalach idir CNTanna agus leictreoidí graphene (45).Breathnaíodh ar an bhfriotaíocht teagmhála le leictreoidí graphene a bheith níos ísle ná sin le scannán galaithe Au (féach fig. S14).Tá soghluaisteacht sáithiúcháin an trasraitheora insínte thart ar 5.6 cm2/Vs, cosúil leis an gceann atá ag na trasraitheoirí CNT céanna polaiméire-sórtáilte ar fhoshraitheanna Si dochta le 300-nm SiO2 mar chiseal tréleictreach.Is féidir feabhas breise a chur ar shoghluaisteacht le dlús feadáin optamaithe agus cineálacha eile feadáin ( 46 ).
(A) Scéim trasraitheora insínte bunaithe ar graphene.SWNTanna, nanaifeadáin charbóin aon bhallaí.(B) Grianghraf de na trasraitheoirí insínte déanta as leictreoidí graphene (barr) agus leictreoidí CNT (bun).Tá an difríocht sa trédhearcacht faoi deara go soiléir.(C agus D) Aistrigh agus cuair aschuir an trasraitheora graphene-bhunaithe ar SEBS roimh brú.(E agus F) Aistrigh cuair, sruth ann agus as, cóimheas air/as, agus soghluaisteacht an trasraitheora bunaithe ar ghraiféin ag tréithchineálacha éagsúla.
Nuair a bhí an gléas trédhearcach, uile-charbóin sínte sa treo comhthreomhar leis an treo iompair muirear, breathnaíodh díghrádú íosta suas le brú 120%.Le linn síneadh, tháinig laghdú leanúnach ar shoghluaisteacht 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 maidir le faid chainéil éagsúla (féach tábla S1).Go háirithe, ag brú chomh mór le 105%, léirigh na trasraitheoirí seo go léir fós cóimheas ard ar / as ( >103) agus soghluaisteacht (>3 cm2/Vs).Ina theannta sin, rinneamar achoimre ar an obair ar fad a rinneadh le déanaí ar trasraitheoirí uile-charbóin (féach tábla S2) (47-52).Trí mhonarú gléas a bharrfheabhsú ar leaistiméirí agus úsáid a bhaint as MGGanna mar theagmhálacha, léiríonn ár trasraitheoirí uile-charbóin dea-fheidhmíocht i dtéarmaí soghluaisteachta agus hysteresis chomh maith le bheith an-sínte.
Mar fheidhmchlár den trasraitheoir atá lán-trédhearcach agus insínte, d’úsáideamar é chun lascadh an LED a rialú (Fíor 6A).Mar a léirítear i bhFíor 6B, is féidir an LED glas a fheiceáil go soiléir tríd an bhfeiste uile-charbóin insínte atá suite díreach os a chionn.Agus é ag síneadh go ~100% (Fíor 6, C agus D), ní athraíonn an déine solais LED, atá ag teacht le feidhmíocht an trasraitheora a thuairiscítear thuas (féach scannán S1).Is é seo an chéad tuarascáil ar aonaid rialaithe insínte a rinneadh ag baint úsáide as leictreoidí graphene, rud a léiríonn féidearthacht nua do leictreonaic insínte graphene.
(A) Ciorcad trasraitheora chun LED a thiomáint.GND, talamh.(B) Grianghraf den trasraitheoir uile-charbóin insínte trédhearcach ag brú 0% suite os cionn LED glas.(C) Tá an trasraitheoir uile-charbóin trédhearcach agus insínte a úsáidtear chun an stiúir a athrú á chur suas os cionn an LED ag brú 0% (ar chlé) agus ~ 100% (ar dheis).Díríonn saigheada bána mar na marcóirí buí ar an ngléas chun an t-athrú fad atá á shíneadh a thaispeáint.(D) Taobh-amharc ar an trasraitheoir sínte, agus an stiúir á bhrú isteach san leaistiméire.
Mar fhocal scoir, tá struchtúr seoltaí trédhearcach graphene forbartha againn a choinníonn seoltacht ard faoi ghnéithe móra mar leictreoidí insínte, arna chumasú ag nanoscrollaí graphene idir sraitheanna cruachta graphene.Is féidir leis na struchtúir leictreoid MGG dé- agus trilayer seo ar elastomer 21 agus 65%, faoi seach, dá seoltaí brú 0% a choinneáil ag brú chomh hard le 100%, i gcomparáid le caillteanas iomlán seoltachta ag brú 5% le haghaidh leictreoidí tipiciúil monolayer graphene. .Cuireann na cosáin seoltaí breise de scrollaí graphene chomh maith leis an idirghníomhú lag idir na sraitheanna aistrithe le cobhsaíocht seoltachta níos fearr faoi bhrú.Chuireamar an struchtúr graphene seo i bhfeidhm tuilleadh chun trasraitheoirí insínte uile-charbóin a dhéanamh.Go dtí seo, is é seo an trasraitheoir graphene-bhunaithe is insínte leis an trédhearcacht is fearr gan úsáid a bhaint as buckling.Cé go ndearnadh an staidéar reatha chun graphene a chumasú le haghaidh leictreonaic insínte, creidimid gur féidir an cur chuige seo a leathnú chuig ábhair 2T eile chun leictreonaic 2T insínte a chumasú.
Fásadh graphene CVD achar mór ar scragaill Cu crochta (99.999%; Alfa Aesar) faoi bhrú leanúnach 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 monolayer graphene.Bhí sraith tanaí PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) brataithe le casadh ar thaobh amháin den scragall Cu, ag cruthú struchtúr PMMA/G/Cu scragall/G.ina dhiaidh sin, bhí an scannán iomlán sáithithe i dtuaslagán 0.1 M persulfáit amóiniam [(NH4)2S2O8] ar feadh thart ar 2 uair an chloig chun an scragall Cu a eitseáil.Le linn an phróisis seo, stróic an graphene backside gan chosaint feadh na dteorainneacha gráin ar dtús agus ansin rolladh suas i scrollaí mar gheall ar theannas dromchla.Ceanglaíodh na scrollaí leis an scannán uachtair graphene le tacaíocht ó PMMA, ag foirmiú scrollaí PMMA/G/G.Ina dhiaidh sin nite na scannáin in uisce dí-ianaithe arís agus arís eile agus leagadh ar sprioc-substráit iad, mar shampla SiO2/Si docht nó substráit phlaisteacha.Chomh luath agus a thriomaigh an scannán ceangailte ar an tsubstráit, bhí an sampla sáithithe go seicheamhach in aicéatón, aicéatón 1:1/IPA (alcól isopropil), agus IPA ar feadh 30 s an ceann chun PMMA a bhaint.Téadh 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 scrollbharra G/G air.Ba é an chéim seo ná scaradh scannán graphene ón tsubstráit a sheachaint agus clúdach iomlán MGGanna a chinntiú le linn ciseal iompróra PMMA a scaoileadh.
Breathnaíodh ar mhoirfeolaíocht an struchtúir MGG ag baint úsáide as micreascóp optúil (Leica) agus micreascóp leictreon scanadh (1 kV; FEI).Oibríodh micreascóp fórsa adamhach (Nanascóp III, Ionstraim Dhigiteach) i mód tapála chun sonraí na scrollaí G a bhreathnú.Thástáil speictriméadar ultraivialait-infheicthe (Agilent Cary 6000i) trédhearcacht scannáin.Le haghaidh na dtástálacha nuair a bhí an brú feadh treo ingearach an tsreafa reatha, baineadh úsáid as fótailiteagrafaíocht agus plasma O2 chun struchtúir graphene a phatrú i stiallacha (~300 μm ar leithead agus ~ 2000 μm ar fad), agus taisceadh leictreoidí Au (50 nm) go teirmeach ag baint úsáide as. maisc scáth ag an dá cheann den taobh fada.Ansin cuireadh na stiallacha graphene i dteagmháil le leaistiméire SEBS (~2 cm ar leithead agus ~5 cm ar fad), agus ais fhada na stiallacha comhthreomhar le taobh gearr SEBS agus BOE (eitse ocsaíd mhaolánach) (HF:H2O ina dhiaidh sin). 1:6) eitseáil agus galium indium eutectic (EGaIn) mar theagmhálacha leictreacha.Le haghaidh tástálacha brú comhthreomhara, aistríodh struchtúir graphene neamhpatterned (~5 × 10 mm) go foshraitheanna SEBS, le haiseanna fada comhthreomhar le taobh fada an tsubstráit SEBS.Don dá chás, síneadh an G iomlán (gan scrollaí G)/SEBS feadh thaobh fada an leaistiméire i bhfearas láimhe, agus in situ, thomhaiseamar a n-athruithe friotaíochta faoi bhrú ar stáisiún taiscéalaithe le hanailíseoir leathsheoltóra (Keithley 4200). -SCS).
Rinneadh na trasraitheoirí uile-charbóin atá an-sínte agus trédhearcach ar fhoshraith leaisteacha de réir na nósanna imeachta seo a leanas chun damáiste tuaslagóirí orgánacha a sheachaint don tréleictreach agus don tsubstráit polaiméire.Aistríodh struchtúir MGG go SEBS mar leictreoidí geata.Chun ciseal tréleictreach polaiméire tanaí-scannán aonfhoirmeach a fháil (2 μm tiubh), rinneadh tuaslagán SEBS tolúéin (80 mg/ml) casadh-brataithe ar fhoshraith octadecyltrichlorosilane (OTS)-modhnaithe SiO2/Si ag 1000 rpm ar feadh 1 nóiméad.Is féidir an scannán tanaí tréleictreach a aistriú go héasca ón dromchla OTS hidreafóbach go dtí an tsubstráit SEBS atá clúdaithe leis an graphene mar-ullmhaithe.D’fhéadfaí toilleoir a dhéanamh trí leictreoid barr-mhiotail leacht (EGaIn; Sigma-Aldrich) a thaisceadh chun an toilleas a chinneadh mar fheidhm brú ag baint úsáide as méadar LCR (ionduchtúchán, toilleas, friotaíocht) (Agilent).Is éard a bhí sa chuid eile den trasraitheoir CNTanna leathsheoltacha polaiméire, tar éis na nósanna imeachta a tuairiscíodh roimhe seo (53).Rinneadh na leictreoidí foinse/draein patrúnaithe a dhéanamh ar fhoshraitheanna dochta SiO2/Si.Ina dhiaidh sin, lannaíodh an dá chuid, tréleictreach/G/SEBS agus CNT/patrún G/SiO2/Si, dá chéile, agus sáithithe i BOE chun an tsubstráit SiO2/Si docht a bhaint.Mar sin, rinneadh na trasraitheoirí iomlán trédhearcach agus insínte.Rinneadh an tástáil leictreach faoi bhrú ar shocrú síneadh 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 mhonashraith MGG ar fhoshraitheanna SiO2/Si ar mhéaduithe éagsúla.
fig.S4.Comparáid idir fhriotaíocht leatháin dhá thaiscéalaí agus traschuir @ 550 nm de ghraiféin shimplí monai, dhé- agus trí-shraith (cearnóga dubha), MGG (ciorcail dearga), agus CNTanna (triantán gorm).
fig.S7.Athrú friotaíochta normalaithe MGG mona- agus déchiseal (dubh) agus G (dearg) faoi ~ 1000 brú timthriallach ag luchtú suas le 40 agus 90% brú comhthreomhar, faoi seach.
fig.S10.Íomhá SEM de thríchiseal MGG ar leaistiméire SEBS tar éis brú, ag taispeáint cros scrolla fada thar roinnt scoilteanna.
fig.S12.Íomhá AFM de MGG trilayer ar leaistiméire SEBS an-tanaí ag brú 20%, ag taispeáint gur thrasnaigh scrolla thar crack.
tábla S1.Soghluaisteachtaí trasraitheoirí nanafeadáin charbóin déchiseal MGG-ballaí singil ag faid chainéil éagsúla roimh bhrú agus ina dhiaidh.
Is airteagal rochtana oscailte é seo a dháiltear faoi théarmaí an cheadúnais Creative Commons Attribution-NonCommercial, a cheadaíonn úsáid, dáileadh, agus atáirgeadh in aon mheán, chomh fada agus nach bhfuil an úsáid iarmhartach chun leasa tráchtála agus ar choinníoll go bhfuil an bhunobair i gceart. luadh.
TABHAIR FAOI DEARA: Ní iarraimid ach do sheoladh ríomhphoist ionas go mbeidh a fhios ag an duine a bhfuil tú ag moladh an leathanach go raibh tú ag iarraidh orthu é a fheiceáil, agus nach dramhphost é.Ní ghlacaimid aon seoladh ríomhphoist.
Tá an cheist seo le tástáil cibé an bhfuil tú i do chuairteoir daonna nó nach ea agus chun aighneachtaí turscair uathoibrithe a chosc.
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 postála: Jan-28-2021