അൾട്രാട്രാൻസ്പരന്റ്, സ്ട്രെച്ചബിൾ ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ

പരമ്പരാഗത സെമികണ്ടക്ടർ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കും ഫ്ലെക്സിബിൾ ഇലക്ട്രോണിക്സിലെ നവീന ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കും ഗ്രാഫീൻ പോലുള്ള ദ്വിമാന വസ്തുക്കൾ ആകർഷകമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, ഗ്രാഫീനിന്റെ ഉയർന്ന ടെൻസൈൽ ശക്തി കുറഞ്ഞ സ്ട്രെയിനിൽ പൊട്ടലിന് കാരണമാകുന്നു, ഇത് സ്ട്രെച്ചബിൾ ഇലക്ട്രോണിക്സിൽ അതിന്റെ അസാധാരണമായ ഇലക്ട്രോണിക് ഗുണങ്ങൾ പ്രയോജനപ്പെടുത്തുന്നത് വെല്ലുവിളിയാക്കുന്നു. സുതാര്യമായ ഗ്രാഫീൻ കണ്ടക്ടറുകളുടെ മികച്ച സ്ട്രെയിൻ-ആശ്രിത പ്രകടനം പ്രാപ്തമാക്കുന്നതിന്, മൾട്ടിലെയർ ഗ്രാഫീൻ/ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾ (MGGs) എന്നറിയപ്പെടുന്ന സ്റ്റാക്ക് ചെയ്ത ഗ്രാഫീൻ പാളികൾക്കിടയിൽ ഞങ്ങൾ ഗ്രാഫീൻ നാനോസ്ക്രോളുകൾ സൃഷ്ടിച്ചു. സ്ട്രെയിനിൽ, ചില സ്ക്രോളുകൾ ഉയർന്ന സ്ട്രെയിനുകളിൽ മികച്ച ചാലകത പ്രാപ്തമാക്കുന്ന ഒരു പെർകോലേറ്റിംഗ് നെറ്റ്‌വർക്ക് നിലനിർത്തുന്നതിന് ഗ്രാഫീനിന്റെ വിഘടിച്ച ഡൊമെയ്‌നുകളെ പാലം ചെയ്തു. ഇലാസ്റ്റോമറുകളിൽ പിന്തുണയ്ക്കുന്ന ട്രൈലെയർ MGG-കൾ 100% സ്ട്രെയിനിൽ അവയുടെ യഥാർത്ഥ ചാലകതയുടെ 65% നിലനിർത്തി, ഇത് വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശയ്ക്ക് ലംബമാണ്, അതേസമയം നാനോസ്ക്രോളുകളില്ലാത്ത ഗ്രാഫീനിന്റെ ട്രൈലെയർ ഫിലിമുകൾ അവയുടെ ആരംഭ ചാലകതയുടെ 25% മാത്രമേ നിലനിർത്തിയിട്ടുള്ളൂ. MGG-കൾ ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിച്ച ഒരു സ്ട്രെച്ചബിൾ ഓൾ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്റർ, >90% ട്രാൻസ്മിറ്റൻസ് പ്രകടിപ്പിക്കുകയും അതിന്റെ യഥാർത്ഥ കറന്റ് ഔട്ട്പുട്ടിന്റെ 60% 120% സ്ട്രെയിനിൽ (ചാർജ് ട്രാൻസ്പോർട്ടിന്റെ ദിശയ്ക്ക് സമാന്തരമായി) നിലനിർത്തുകയും ചെയ്തു. വളരെ സ്ട്രെച്ചബിൾ, സുതാര്യമായ ഈ ഓൾ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് സങ്കീർണ്ണമായ സ്ട്രെച്ചബിൾ ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക്സ് പ്രാപ്തമാക്കാൻ കഴിയും.
സ്ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസ്പരന്റ് ഇലക്ട്രോണിക്സ് വളർന്നുവരുന്ന ഒരു മേഖലയാണ്, ഇതിന് വിപുലമായ ബയോഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സിസ്റ്റങ്ങളിൽ (1, 2) പ്രധാനപ്പെട്ട പ്രയോഗങ്ങളുണ്ട്, അതുപോലെ തന്നെ സ്ട്രെച്ചബിൾ ഒപ്റ്റോഇലക്ട്രോണിക്സുമായി (3, 4) സംയോജിപ്പിച്ച് സങ്കീർണ്ണമായ സോഫ്റ്റ് റോബോട്ടിക്സും ഡിസ്പ്ലേകളും നിർമ്മിക്കാനുള്ള കഴിവുമുണ്ട്. ആറ്റോമിക് കനം, ഉയർന്ന സുതാര്യത, ഉയർന്ന ചാലകത എന്നിവയുടെ വളരെ അഭികാമ്യമായ ഗുണങ്ങൾ ഗ്രാഫീൻ പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു, എന്നാൽ ചെറിയ സ്ട്രെയിനുകളിൽ വിള്ളൽ വീഴാനുള്ള പ്രവണത കാരണം സ്ട്രെച്ചബിൾ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഇത് നടപ്പിലാക്കുന്നത് തടഞ്ഞിരിക്കുന്നു. ഗ്രാഫീനിന്റെ മെക്കാനിക്കൽ പരിമിതികൾ മറികടക്കുന്നത് സ്ട്രെച്ചബിൾ സുതാര്യ ഉപകരണങ്ങളിൽ പുതിയ പ്രവർത്തനം പ്രാപ്തമാക്കും.
ഗ്രാഫീനിന്റെ അതുല്യമായ ഗുണങ്ങൾ അടുത്ത തലമുറയിലെ സുതാര്യമായ ചാലക ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ ശക്തമായ സ്ഥാനാർത്ഥിയാക്കുന്നു (5, 6). ഏറ്റവും സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സുതാര്യമായ കണ്ടക്ടറായ ഇൻഡിയം ടിൻ ഓക്സൈഡുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ [ITO; 90% സുതാര്യതയിൽ 100 ​​ഓംസ്/ചതുരം (ചതുരം)], കെമിക്കൽ വേപ്പർ ഡിപ്പോസിഷൻ (CVD) വഴി വളർത്തുന്ന മോണോലെയർ ഗ്രാഫീന് ഷീറ്റ് റെസിസ്റ്റൻസ് (125 ഓംസ്/ചതുരം) സുതാര്യത (97.4%) (5) എന്നിവയുടെ സമാനമായ സംയോജനമുണ്ട്. കൂടാതെ, ITO (7) നെ അപേക്ഷിച്ച് ഗ്രാഫീൻ ഫിലിമുകൾക്ക് അസാധാരണമായ വഴക്കമുണ്ട്. ഉദാഹരണത്തിന്, ഒരു പ്ലാസ്റ്റിക് അടിവസ്ത്രത്തിൽ, 0.8 മില്ലീമീറ്റർ (8) പോലുള്ള ചെറിയ വക്രതയുടെ വളയുന്ന ആരത്തിൽ പോലും അതിന്റെ ചാലകത നിലനിർത്താൻ കഴിയും. ഒരു സുതാര്യമായ വഴക്കമുള്ള കണ്ടക്ടർ എന്ന നിലയിൽ അതിന്റെ വൈദ്യുത പ്രകടനം കൂടുതൽ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന്, മുൻ കൃതികൾ ഏകമാന (1D) സിൽവർ നാനോവയറുകൾ അല്ലെങ്കിൽ കാർബൺ നാനോട്യൂബുകൾ (CNT-കൾ) (9–11) ഉള്ള ഗ്രാഫീൻ ഹൈബ്രിഡ് വസ്തുക്കൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്. കൂടാതെ, മിക്സഡ് ഡൈമൻഷണൽ ഹെറ്ററോസ്ട്രക്ചറൽ സെമികണ്ടക്ടറുകൾ (2D ബൾക്ക് Si, 1D നാനോവയറുകൾ/നാനോട്യൂബുകൾ, 0D ക്വാണ്ടം ഡോട്ടുകൾ എന്നിവ പോലുള്ളവ) (12), ഫ്ലെക്സിബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ, സോളാർ സെല്ലുകൾ, ലൈറ്റ്-എമിറ്റിംഗ് ഡയോഡുകൾ (LED-കൾ) (13–23) എന്നിവയ്ക്ക് ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഗ്രാഫീൻ ഉപയോഗിച്ചിട്ടുണ്ട്.
ഗ്രാഫീൻ വഴക്കമുള്ള ഇലക്ട്രോണിക്സിനു വേണ്ടി പ്രതീക്ഷ നൽകുന്ന ഫലങ്ങൾ കാണിച്ചിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, വലിച്ചുനീട്ടാവുന്ന ഇലക്ട്രോണിക്സുകളിൽ അതിന്റെ പ്രയോഗം അതിന്റെ മെക്കാനിക്കൽ ഗുണങ്ങളാൽ പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു (17, 24, 25); ഗ്രാഫീനിന് 340 N/m ന്റെ ഇൻ-പ്ലെയിൻ കാഠിന്യവും 0.5 TPa ന്റെ യങ്ങിന്റെ മോഡുലസും ഉണ്ട് (26). ശക്തമായ കാർബൺ-കാർബൺ ശൃംഖല പ്രയോഗിച്ച സ്ട്രെയിനിന് ഊർജ്ജ വിസർജ്ജന സംവിധാനങ്ങളൊന്നും നൽകുന്നില്ല, അതിനാൽ 5% ൽ താഴെ സ്ട്രെയിനിൽ എളുപ്പത്തിൽ വിള്ളൽ വീഴുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, പോളിഡൈമെഥൈൽസിലോക്സെയ്ൻ (PDMS) ഇലാസ്റ്റിക് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലേക്ക് മാറ്റുന്ന CVD ഗ്രാഫീന് 6% ൽ താഴെ സ്ട്രെയിനിൽ മാത്രമേ അതിന്റെ ചാലകത നിലനിർത്താൻ കഴിയൂ (8). വ്യത്യസ്ത പാളികൾ തമ്മിലുള്ള ക്രംപ്ലിംഗും ഇന്റർപ്ലേയും കാഠിന്യം ശക്തമായി കുറയ്ക്കണമെന്ന് സൈദ്ധാന്തിക കണക്കുകൂട്ടലുകൾ കാണിക്കുന്നു (26). ഗ്രാഫീനെ ഒന്നിലധികം പാളികളായി അടുക്കി വയ്ക്കുന്നതിലൂടെ, ഈ ബൈ- അല്ലെങ്കിൽ ട്രൈലെയർ ഗ്രാഫീൻ 30% സ്ട്രെയിൻ വരെ വലിച്ചുനീട്ടാൻ കഴിയുമെന്ന് റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യപ്പെടുന്നു, ഇത് മോണോലെയർ ഗ്രാഫീനേക്കാൾ 13 മടങ്ങ് ചെറിയ പ്രതിരോധ മാറ്റം കാണിക്കുന്നു (27). എന്നിരുന്നാലും, ഈ സ്ട്രെച്ചബിലിറ്റി ഇപ്പോഴും അത്യാധുനിക സ്ട്രെച്ചബിൾ കണ്ടക്ടറുകളേക്കാൾ വളരെ താഴ്ന്നതാണ് (28, 29).
സ്ട്രെച്ചബിൾ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ പ്രധാനമാണ്, കാരണം അവ സങ്കീർണ്ണമായ സെൻസർ റീഡൗട്ടും സിഗ്നൽ വിശകലനവും പ്രാപ്തമാക്കുന്നു (30, 31). മൾട്ടിലെയർ ഗ്രാഫീൻ സോഴ്‌സ്/ഡ്രെയിൻ ഇലക്ട്രോഡുകളും ചാനൽ മെറ്റീരിയലും ആയി ഉപയോഗിക്കുന്ന PDMS-ലെ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് 5% സ്ട്രെയിൻ വരെ വൈദ്യുത പ്രവർത്തനം നിലനിർത്താൻ കഴിയും (32), ഇത് ധരിക്കാവുന്ന ആരോഗ്യ നിരീക്ഷണ സെൻസറുകൾക്കും ഇലക്ട്രോണിക് ചർമ്മത്തിനും ആവശ്യമായ ഏറ്റവും കുറഞ്ഞ മൂല്യത്തേക്കാൾ (~50%) വളരെ കുറവാണ് (33, 34). അടുത്തിടെ, ഒരു ഗ്രാഫീൻ കിരിഗാമി സമീപനം പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യപ്പെട്ടു, കൂടാതെ ഒരു ദ്രാവക ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ഉപയോഗിച്ച് ഗേറ്റ് ചെയ്ത ട്രാൻസിസ്റ്റർ 240% വരെ നീട്ടാൻ കഴിയും (35). എന്നിരുന്നാലും, ഈ രീതിക്ക് സസ്പെൻഡ് ചെയ്ത ഗ്രാഫീൻ ആവശ്യമാണ്, ഇത് നിർമ്മാണ പ്രക്രിയയെ സങ്കീർണ്ണമാക്കുന്നു.
ഇവിടെ, ഗ്രാഫീൻ പാളികൾക്കിടയിൽ ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾ (~1 മുതൽ 20 μm വരെ നീളവും, ~0.1 മുതൽ 1 μm വരെ വീതിയും, ~10 മുതൽ 100 ​​nm വരെ ഉയരവും) പരസ്പരം ബന്ധിപ്പിച്ചുകൊണ്ട് നമുക്ക് ഉയർന്ന സ്ട്രെച്ചബിൾ ഗ്രാഫീൻ ഉപകരണങ്ങൾ നേടാം. ഈ ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾക്ക് ഗ്രാഫീൻ ഷീറ്റുകളിലെ വിള്ളലുകൾ നികത്താൻ ചാലക പാതകൾ നൽകാൻ കഴിയുമെന്ന് ഞങ്ങൾ അനുമാനിക്കുന്നു, അങ്ങനെ സമ്മർദ്ദത്തിൽ ഉയർന്ന ചാലകത നിലനിർത്തുന്നു. ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾക്ക് അധിക സിന്തസിസോ പ്രക്രിയയോ ആവശ്യമില്ല; അവ സ്വാഭാവികമായി വെറ്റ് ട്രാൻസ്ഫർ നടപടിക്രമത്തിലാണ് രൂപപ്പെടുന്നത്. മൾട്ടിലെയർ G/G (ഗ്രാഫീൻ/ഗ്രാഫീൻ) സ്ക്രോളുകൾ (MGGs) ഗ്രാഫീൻ സ്ട്രെച്ചബിൾ ഇലക്ട്രോഡുകൾ (ഉറവിടം/ഡ്രെയിൻ, ഗേറ്റ്), സെമികണ്ടക്റ്റിംഗ് CNT-കൾ എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച്, ഉയർന്ന സുതാര്യവും ഉയർന്ന സ്ട്രെച്ചബിൾ ആയ എല്ലാ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും പ്രദർശിപ്പിക്കാൻ ഞങ്ങൾക്ക് കഴിഞ്ഞു, അവ 120% സ്ട്രെയിനും (ചാർജ് ട്രാൻസ്പോർട്ടിന്റെ ദിശയ്ക്ക് സമാന്തരമായി) നീട്ടാനും അവയുടെ യഥാർത്ഥ കറന്റ് ഔട്ട്പുട്ടിന്റെ 60% നിലനിർത്താനും കഴിയും. ഇതുവരെയുള്ളതിൽ വച്ച് ഏറ്റവും സ്ട്രെച്ചബിൾ സുതാര്യമായ കാർബൺ അധിഷ്ഠിത ട്രാൻസിസ്റ്ററാണിത്, കൂടാതെ ഇത് ഒരു അജൈവ LED ഓടിക്കാൻ ആവശ്യമായ കറന്റ് നൽകുന്നു.
വലിയ പ്രദേശങ്ങളിലെ സുതാര്യമായ വലിച്ചുനീട്ടാവുന്ന ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ പ്രാപ്തമാക്കുന്നതിന്, Cu ഫോയിലിൽ CVD-യിൽ വളർത്തിയ ഗ്രാഫീൻ ഞങ്ങൾ തിരഞ്ഞെടുത്തു. ഇരുവശത്തും ഗ്രാഫീൻ വളരാൻ അനുവദിക്കുന്നതിനായി Cu ഫോയിൽ ഒരു CVD ക്വാർട്സ് ട്യൂബിന്റെ മധ്യഭാഗത്ത് സസ്പെൻഡ് ചെയ്തു, ഇത് G/Cu/G ഘടനകൾ രൂപപ്പെടുത്തി. ഗ്രാഫീൻ കൈമാറാൻ, ഗ്രാഫീനിന്റെ ഒരു വശം സംരക്ഷിക്കുന്നതിനായി ഞങ്ങൾ ആദ്യം പോളി(മീഥൈൽ മെത്തക്രൈലേറ്റ്) (PMMA) യുടെ ഒരു നേർത്ത പാളി സ്പിൻ-കോട്ട് ചെയ്തു, അതിനെ ഞങ്ങൾ ടോപ്‌സൈഡ് ഗ്രാഫീൻ (ഗ്രാഫീനിന്റെ മറുവശത്തിന് വിപരീതമായി) എന്ന് നാമകരണം ചെയ്തു, തുടർന്ന്, മുഴുവൻ ഫിലിമും (PMMA/ടോപ്പ് ഗ്രാഫീൻ/Cu/ബോട്ടം ഗ്രാഫീൻ) (NH4)2S2O8 ലായനിയിൽ മുക്കി Cu ഫോയിൽ നീക്കം ചെയ്തു. PMMA കോട്ടിംഗ് ഇല്ലാത്ത അടിഭാഗത്തെ ഗ്രാഫീനിൽ അനിവാര്യമായും വിള്ളലുകളും വൈകല്യങ്ങളും ഉണ്ടാകും, അത് ഒരു എച്ചന്റിനെ തുളച്ചുകയറാൻ അനുവദിക്കുന്നു (36, 37). ചിത്രം 1A-യിൽ ചിത്രീകരിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ഉപരിതല പിരിമുറുക്കത്തിന്റെ ഫലത്തിൽ, പുറത്തിറങ്ങിയ ഗ്രാഫീൻ ഡൊമെയ്‌നുകൾ സ്ക്രോളുകളായി ചുരുട്ടി, തുടർന്ന് ശേഷിക്കുന്ന ടോപ്പ്-G/PMMA ഫിലിമിൽ ഘടിപ്പിച്ചു. മുകളിലെ G/G സ്ക്രോളുകൾ SiO2/Si, ഗ്ലാസ്, സോഫ്റ്റ് പോളിമർ തുടങ്ങിയ ഏത് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലേക്കും മാറ്റാൻ കഴിയും. ഒരേ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലേക്ക് ഈ ട്രാൻസ്ഫർ പ്രക്രിയ പലതവണ ആവർത്തിക്കുന്നത് MGG ഘടനകൾ നൽകുന്നു.
(എ) വലിച്ചുനീട്ടാവുന്ന ഇലക്ട്രോഡായി എം‌ജി‌ജികൾക്കായുള്ള ഫാബ്രിക്കേഷൻ നടപടിക്രമത്തിന്റെ സ്കീമാറ്റിക് ചിത്രീകരണം. ഗ്രാഫീൻ ട്രാൻസ്ഫർ സമയത്ത്, Cu ഫോയിലിലെ പിൻഭാഗത്തെ ഗ്രാഫീൻ അതിരുകളിലും വൈകല്യങ്ങളിലും തകർക്കുകയും, അനിയന്ത്രിതമായ ആകൃതികളിലേക്ക് ചുരുട്ടുകയും, മുകളിലെ ഫിലിമുകളിൽ ദൃഡമായി ഘടിപ്പിക്കുകയും, നാനോസ്ക്രോളുകൾ രൂപപ്പെടുത്തുകയും ചെയ്തു. നാലാമത്തെ കാർട്ടൂൺ അടുക്കിയിരിക്കുന്ന MGG ഘടനയെ ചിത്രീകരിക്കുന്നു. (ബി, സി) മോണോലെയർ ഗ്രാഫീൻ (ബി), സ്ക്രോൾ (സി) മേഖല എന്നിവയിൽ യഥാക്രമം ശ്രദ്ധ കേന്ദ്രീകരിക്കുന്ന ഒരു മോണോലെയർ MGG യുടെ ഉയർന്ന റെസല്യൂഷൻ TEM സ്വഭാവസവിശേഷതകൾ. TEM ഗ്രിഡിലെ മോണോലെയർ MGG കളുടെ മൊത്തത്തിലുള്ള രൂപഘടന കാണിക്കുന്ന ഒരു താഴ്ന്ന മാഗ്നിഫിക്കേഷൻ ചിത്രമാണ് (ബി) യുടെ ഇൻസെറ്റുകൾ. ചിത്രത്തിൽ സൂചിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന ദീർഘചതുരാകൃതിയിലുള്ള ബോക്സുകളിലൂടെ എടുത്ത തീവ്രത പ്രൊഫൈലുകളാണ് (സി) യുടെ ഇൻസെറ്റുകൾ, ഇവിടെ ആറ്റോമിക് പ്ലെയിനുകൾ തമ്മിലുള്ള ദൂരം 0.34 ഉം 0.41 nm ഉം ആണ്. (ഡി) സ്വഭാവ സവിശേഷതകളുള്ള ഗ്രാഫിറ്റിക് π*, σ* കൊടുമുടികളുള്ള കാർബൺ കെ-എഡ്ജ് EEL സ്പെക്ട്രം. (ഇ) മഞ്ഞ ഡോട്ടഡ് ലൈനിനൊപ്പം ഉയര പ്രൊഫൈലുള്ള മോണോലെയർ G/G സ്ക്രോളുകളുടെ സെക്ഷണൽ AFM ചിത്രം. (F മുതൽ I വരെ) 300-nm കട്ടിയുള്ള SiO2/Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ യഥാക്രമം (F ഉം H ഉം) കൂടാതെ സ്ക്രോളുകൾ (G ഉം I ഉം) ഉള്ള ട്രൈലെയർ G യുടെ ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പിയും AFM ഇമേജുകളും. അവയുടെ വ്യത്യാസങ്ങൾ എടുത്തുകാണിക്കുന്നതിനായി പ്രതിനിധി സ്ക്രോളുകളും ചുളിവുകളും ലേബൽ ചെയ്തു.
ചുരുളുകൾ റോൾഡ് ഗ്രാഫീൻ സ്വഭാവത്തിലാണെന്ന് സ്ഥിരീകരിക്കുന്നതിന്, മോണോലെയർ ടോപ്പ്-ജി/ജി സ്ക്രോൾ ഘടനകളെക്കുറിച്ച് ഞങ്ങൾ ഉയർന്ന റെസല്യൂഷൻ ട്രാൻസ്മിഷൻ ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പി (TEM), ഇലക്ട്രോൺ എനർജി ലോസ് (EEL) സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പി പഠനങ്ങൾ നടത്തി. ചിത്രം 1B ഒരു മോണോലെയർ ഗ്രാഫീന്റെ ഷഡ്ഭുജ ഘടന കാണിക്കുന്നു, കൂടാതെ ഇൻസെറ്റ് TEM ഗ്രിഡിന്റെ ഒരൊറ്റ കാർബൺ ദ്വാരത്തിൽ പൊതിഞ്ഞ ഫിലിമിന്റെ മൊത്തത്തിലുള്ള രൂപഘടനയാണ്. മോണോലെയർ ഗ്രാഫീൻ ഗ്രിഡിന്റെ ഭൂരിഭാഗവും വ്യാപിച്ചുകിടക്കുന്നു, കൂടാതെ ഒന്നിലധികം ഷഡ്ഭുജ വളയങ്ങളുടെ സാന്നിധ്യത്തിൽ ചില ഗ്രാഫീൻ അടരുകൾ പ്രത്യക്ഷപ്പെടുന്നു (ചിത്രം 1B). ഒരു വ്യക്തിഗത സ്ക്രോളിലേക്ക് സൂം ചെയ്യുന്നതിലൂടെ (ചിത്രം 1C), 0.34 മുതൽ 0.41 nm വരെയുള്ള ലാറ്റിസ് സ്പേസിംഗ് ഉള്ള വലിയ അളവിലുള്ള ഗ്രാഫൈൻ ലാറ്റിസ് ഫ്രിഞ്ചുകൾ ഞങ്ങൾ നിരീക്ഷിച്ചു. ഈ അളവുകൾ സൂചിപ്പിക്കുന്നത് ഫ്ലേക്കുകൾ ക്രമരഹിതമായി ചുരുട്ടിയതാണെന്നും അവ തികഞ്ഞ ഗ്രാഫൈറ്റ് അല്ലെന്നും ആണ്, ഇതിന് “ABAB” ലെയർ സ്റ്റാക്കിങ്ങിൽ 0.34 nm ലാറ്റിസ് സ്പേസിംഗ് ഉണ്ട്. ചിത്രം 1D കാർബൺ K-എഡ്ജ് EEL സ്പെക്ട്രം കാണിക്കുന്നു, ഇവിടെ 285 eV ലെ പീക്ക് π* ഓർബിറ്റലിൽ നിന്നാണ് ഉത്ഭവിക്കുന്നത്, മറ്റൊന്ന് 290 eV ന് ചുറ്റുമുള്ളത് σ* ഓർബിറ്റലിന്റെ പരിവർത്തനം മൂലമാണ്. ഈ ഘടനയിൽ sp2 ബോണ്ടിംഗ് ആധിപത്യം പുലർത്തുന്നതായി കാണാൻ കഴിയും, ഇത് സ്ക്രോളുകൾ ഉയർന്ന ഗ്രാഫിറ്റിക് ആണെന്ന് സ്ഥിരീകരിക്കുന്നു.
ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പി, ആറ്റോമിക് ഫോഴ്സ് മൈക്രോസ്കോപ്പി (AFM) ചിത്രങ്ങൾ MGG-കളിലെ ഗ്രാഫീൻ നാനോസ്ക്രോളുകളുടെ വിതരണത്തെക്കുറിച്ച് ഉൾക്കാഴ്ച നൽകുന്നു (ചിത്രം 1, E മുതൽ G വരെ, ചിത്രം S1, S2). ചുരുളുകൾ ഉപരിതലത്തിൽ ക്രമരഹിതമായി വിതരണം ചെയ്യപ്പെടുന്നു, അവയുടെ ഇൻ-പ്ലെയിൻ സാന്ദ്രത അടുക്കിയ പാളികളുടെ എണ്ണത്തിന് ആനുപാതികമായി വർദ്ധിക്കുന്നു. പല ചുരുളുകളും കെട്ടുകളായി കുടുങ്ങിക്കിടക്കുകയും 10 മുതൽ 100 ​​nm വരെ ഉയരങ്ങൾ പ്രദർശിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. അവയുടെ പ്രാരംഭ ഗ്രാഫീൻ അടരുകളുടെ വലുപ്പത്തെ ആശ്രയിച്ച് അവയ്ക്ക് 1 മുതൽ 20 μm വരെ നീളവും 0.1 മുതൽ 1 μm വരെ വീതിയുമുണ്ട്. ചിത്രം 1 (H ഉം I ഉം) ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, ചുരുളുകൾക്ക് ചുളിവുകളേക്കാൾ ഗണ്യമായ വലുപ്പമുണ്ട്, ഇത് ഗ്രാഫീൻ പാളികൾക്കിടയിൽ വളരെ പരുക്കൻ ഇന്റർഫേസിലേക്ക് നയിക്കുന്നു.
വൈദ്യുത ഗുണങ്ങൾ അളക്കുന്നതിനായി, ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫി ഉപയോഗിച്ച് 300-μm വീതിയും 2000-μm നീളവുമുള്ള സ്ട്രിപ്പുകളിലേക്ക് സ്ക്രോൾ ഘടനകളും പാളി സ്റ്റാക്കിങ്ങും ഉള്ളതോ അല്ലാതെയോ ഞങ്ങൾ ഗ്രാഫീൻ ഫിലിമുകൾ പാറ്റേൺ ചെയ്തു. ആംബിയന്റ് സാഹചര്യങ്ങളിൽ സ്ട്രെയിനിന്റെ ഒരു ഫംഗ്ഷനായി ടു-പ്രോബ് റെസിസ്റ്റൻസുകൾ അളന്നു. സ്ക്രോളുകളുടെ സാന്നിധ്യം മോണോലെയർ ഗ്രാഫീനിന്റെ പ്രതിരോധശേഷി 80% കുറച്ചു, ട്രാൻസ്മിറ്റൻസിൽ 2.2% കുറവ് മാത്രം (ചിത്രം S4). 5 × 107 A/cm2 (38, 39) വരെ ഉയർന്ന വൈദ്യുത സാന്ദ്രതയുള്ള നാനോസ്ക്രോളുകൾ MGG-കൾക്ക് വളരെ പോസിറ്റീവ് വൈദ്യുത സംഭാവന നൽകുന്നുവെന്ന് ഇത് സ്ഥിരീകരിക്കുന്നു. എല്ലാ മോണോ-, ബൈ-, ട്രൈലെയർ പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീനുകളിലും MGG-കളിലും, ട്രൈലെയർ MGG-ക്ക് ഏകദേശം 90% സുതാര്യതയോടെ മികച്ച ചാലകതയുണ്ട്. സാഹിത്യത്തിൽ റിപ്പോർട്ട് ചെയ്തിട്ടുള്ള മറ്റ് ഗ്രാഫീൻ സ്രോതസ്സുകളുമായി താരതമ്യം ചെയ്യാൻ, ഞങ്ങൾ നാല്-പ്രോബ് ഷീറ്റ് റെസിസ്റ്റൻസുകളും (ചിത്രം S5) അളന്നു, ചിത്രം 2A-യിൽ 550 nm (ചിത്രം S6)-ൽ ട്രാൻസ്മിറ്റൻസിന്റെ ഒരു ഫംഗ്ഷനായി അവയെ പട്ടികപ്പെടുത്തി. കൃത്രിമമായി അടുക്കിയ മൾട്ടിലെയർ പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീനിനെയും റിഡ്യൂസ്ഡ് ഗ്രാഫീൻ ഓക്സൈഡിനെയും (RGO) അപേക്ഷിച്ച് MGG താരതമ്യപ്പെടുത്താവുന്നതോ ഉയർന്നതോ ആയ ചാലകതയും സുതാര്യതയും കാണിക്കുന്നു (6, 8, 18). സാഹിത്യത്തിൽ നിന്നുള്ള കൃത്രിമമായി അടുക്കിയിരിക്കുന്ന മൾട്ടിലെയർ പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീനിന്റെ ഷീറ്റ് റെസിസ്റ്റൻസുകൾ നമ്മുടെ MGG യേക്കാൾ അല്പം കൂടുതലാണെന്ന് ശ്രദ്ധിക്കുക, ഒരുപക്ഷേ അവയുടെ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യാത്ത വളർച്ചാ സാഹചര്യങ്ങളും കൈമാറ്റ രീതിയും കാരണം.
(എ) പലതരം ഗ്രാഫീനുകൾക്ക് 550 nm-ൽ ഫോർ-പ്രോബ് ഷീറ്റ് റെസിസ്റ്റൻസുകളും ട്രാൻസ്മിറ്റൻസും തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസം, ഇവിടെ കറുത്ത ചതുരങ്ങൾ മോണോ-, ബൈ-, ട്രൈലെയർ MGG-കളെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു; ചുവന്ന വൃത്തങ്ങളും നീല ത്രികോണങ്ങളും യഥാക്രമം ലി തുടങ്ങിയവരുടെ (6) പഠനങ്ങളിൽ നിന്നും കിം തുടങ്ങിയവരുടെ (8) പഠനങ്ങളിൽ നിന്നും Cu, Ni എന്നിവയിൽ വളർത്തിയ മൾട്ടിലെയർ പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീനുമായി യോജിക്കുന്നു, തുടർന്ന് SiO2/Si അല്ലെങ്കിൽ ക്വാർട്സിലേക്ക് മാറ്റി; ബോണക്കോർസോ തുടങ്ങിയവരുടെ പഠനത്തിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്ത റിഡ്യൂസിംഗ് ഡിഗ്രികളിൽ RGO-യുടെ മൂല്യങ്ങളാണ് പച്ച ത്രികോണങ്ങൾ. (ബി, സി) വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശയിലേക്കുള്ള ലംബ (ബി) യുടെയും സമാന്തര (സി) സ്ട്രെയിനിന്റെയും ഫംഗ്ഷനായി മോണോ-, ബൈ-, ട്രൈലെയർ MGG-കളുടെയും G-യുടെയും സാധാരണവൽക്കരിച്ച പ്രതിരോധ മാറ്റം. (ഡി) 50% ലംബ സ്ട്രെയിൻ വരെ സൈക്ലിക് സ്ട്രെയിൻ ലോഡിംഗിന് കീഴിൽ ബൈലെയർ G (ചുവപ്പ്) ഉം MGG (കറുപ്പ്) ഉം സാധാരണവൽക്കരിച്ച പ്രതിരോധ മാറ്റം. (ഇ) 90% വരെ സമാന്തര സ്ട്രെയിൻ ലോഡിംഗിന് കീഴിൽ ട്രൈലെയർ G (ചുവപ്പ്) ഉം MGG (കറുപ്പ്) ഉം സാധാരണവൽക്കരിച്ച പ്രതിരോധ മാറ്റം. (F) സ്ട്രെയിനിന്റെ ഒരു ഫംഗ്ഷൻ എന്ന നിലയിൽ മോണോ-, ബൈ-, ട്രൈലെയർ G, ബൈ-, ട്രൈലെയർ MGG-കളുടെ സാധാരണ കപ്പാസിറ്റൻസ് മാറ്റം. ഇൻസെറ്റ് കപ്പാസിറ്റർ ഘടനയാണ്, ഇവിടെ പോളിമർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് SEBS ഉം പോളിമർ ഡൈഇലക്‌ട്രിക് പാളി 2-μm-കട്ടിയുള്ള SEBS ഉം ആണ്.
MGG യുടെ സ്ട്രെയിൻ-ആശ്രിത പ്രകടനം വിലയിരുത്തുന്നതിന്, ഞങ്ങൾ ഗ്രാഫീനെ തെർമോപ്ലാസ്റ്റിക് എലാസ്റ്റോമർ സ്റ്റൈറീൻ-എഥിലീൻ-ബ്യൂട്ടാഡീൻ-സ്റ്റൈറീൻ (SEBS) സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലേക്ക് (~2 സെ.മീ വീതിയും ~5 സെ.മീ നീളവും) മാറ്റി, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് വലിച്ചുനീട്ടുന്നതിനനുസരിച്ച് (മെറ്റീരിയലുകളും രീതികളും കാണുക) വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശയ്ക്ക് ലംബമായും സമാന്തരമായും (ചിത്രം 2, B, C) ചാലകത അളന്നു. നാനോസ്‌ക്രോളുകൾ സംയോജിപ്പിച്ച് ഗ്രാഫീൻ പാളികളുടെ എണ്ണം വർദ്ധിപ്പിച്ചതോടെ സ്‌ട്രെയിൻ-ആശ്രിത വൈദ്യുത സ്വഭാവം മെച്ചപ്പെട്ടു. ഉദാഹരണത്തിന്, സ്ട്രെയിൻ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന് ലംബമായിരിക്കുമ്പോൾ, മോണോലെയർ ഗ്രാഫീനിന്, സ്ക്രോളുകൾ ചേർക്കുന്നത് വൈദ്യുത ബ്രേക്കേജിൽ സ്ട്രെയിൻ 5 മുതൽ 70% വരെ വർദ്ധിപ്പിച്ചു. മോണോലെയർ ഗ്രാഫീനുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ട്രൈലെയർ ഗ്രാഫീനിന്റെ സ്ട്രെയിൻ ടോളറൻസും ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെട്ടു. നാനോസ്‌ക്രോളുകളിൽ, 100% ലംബമായ സ്‌ട്രെയിനിൽ, സ്ക്രോളുകളില്ലാത്ത ട്രൈലെയർ ഗ്രാഫീനിന് 300% താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, സൈക്ലിക് സ്‌ട്രെയിൻ ലോഡിന് കീഴിലുള്ള റെസിസ്റ്റൻസ് മാറ്റം അന്വേഷിച്ചു. താരതമ്യത്തിന് (ചിത്രം 2D), ഒരു പ്ലെയിൻ ബൈലെയർ ഗ്രാഫീൻ ഫിലിമിന്റെ പ്രതിരോധങ്ങൾ 50% ലംബ സ്ട്രെയിനിൽ ~700 സൈക്കിളുകൾക്ക് ശേഷം ഏകദേശം 7.5 മടങ്ങ് വർദ്ധിച്ചു, ഓരോ സൈക്കിളിലും സ്ട്രെയിനിനൊപ്പം വർദ്ധിച്ചുകൊണ്ടിരുന്നു. മറുവശത്ത്, ഒരു ബൈലെയർ MGG യുടെ പ്രതിരോധം ~700 സൈക്കിളുകൾക്ക് ശേഷം ഏകദേശം 2.5 മടങ്ങ് മാത്രമേ വർദ്ധിച്ചുള്ളൂ. സമാന്തര ദിശയിൽ 90% വരെ സ്ട്രെയിൻ പ്രയോഗിക്കുമ്പോൾ, ട്രൈലെയർ ഗ്രാഫീനിന്റെ പ്രതിരോധം 1000 സൈക്കിളുകൾക്ക് ശേഷം ~100 മടങ്ങ് വർദ്ധിച്ചു, അതേസമയം ഒരു ട്രൈലെയർ MGG യിൽ ഇത് ~8 മടങ്ങ് മാത്രമാണ് (ചിത്രം 2E). സൈക്ലിംഗ് ഫലങ്ങൾ ചിത്രം S7 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. സമാന്തര സ്ട്രെയിൻ ദിശയിൽ പ്രതിരോധത്തിൽ താരതമ്യേന വേഗത്തിലുള്ള വർദ്ധനവ് സംഭവിക്കുന്നത് വിള്ളലുകളുടെ ഓറിയന്റേഷൻ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശയ്ക്ക് ലംബമായതിനാലാണ്. ലോഡിംഗ്, അൺലോഡിംഗ് സ്ട്രെയിൻ സമയത്ത് പ്രതിരോധത്തിന്റെ വ്യതിയാനം SEBS ഇലാസ്റ്റോമർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ വിസ്കോഇലാസ്റ്റിക് വീണ്ടെടുക്കൽ മൂലമാണ്. സൈക്ലിങ്ങിനിടെ MGG സ്ട്രിപ്പുകളുടെ കൂടുതൽ സ്ഥിരതയുള്ള പ്രതിരോധം ഗ്രാഫീനിന്റെ വിള്ളൽ വീണ ഭാഗങ്ങളെ പാലം പോലെ ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയുന്ന വലിയ ചുരുളുകളുടെ സാന്നിധ്യം മൂലമാണ് (AFM നിരീക്ഷിച്ചതുപോലെ), ഇത് ഒരു പെർകോലേറ്റിംഗ് പാത നിലനിർത്താൻ സഹായിക്കുന്നു. ഇലാസ്റ്റോമർ അടിവസ്ത്രങ്ങളിലെ വിള്ളൽ വീണ ലോഹത്തിനോ അർദ്ധചാലക ഫിലിമുകൾക്കോ ​​മുമ്പ് പെർകോലേറ്റിംഗ് പാതയിലൂടെ ചാലകത നിലനിർത്തുന്ന ഈ പ്രതിഭാസം റിപ്പോർട്ട് ചെയ്യപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട് (40, 41).
സ്ട്രെച്ചബിൾ ഉപകരണങ്ങളിൽ ഗേറ്റ് ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഈ ഗ്രാഫീൻ അധിഷ്ഠിത ഫിലിമുകൾ വിലയിരുത്തുന്നതിന്, ഞങ്ങൾ ഗ്രാഫീൻ പാളിയെ ഒരു SEBS ഡൈഇലക്ട്രിക് പാളി (2 μm കനം) കൊണ്ട് മൂടുകയും സ്ട്രെയിനിന്റെ ഒരു ഫംഗ്ഷനായി ഡൈഇലക്ട്രിക് കപ്പാസിറ്റൻസ് മാറ്റം നിരീക്ഷിക്കുകയും ചെയ്തു (വിശദാംശങ്ങൾക്ക് ചിത്രം 2F ഉം സപ്ലിമെന്ററി മെറ്റീരിയലുകളും കാണുക). ഗ്രാഫീനിന്റെ ഇൻ-പ്ലെയിൻ കണ്ടക്ടിവിറ്റി നഷ്ടപ്പെടുന്നതിനാൽ പ്ലെയിൻ മോണോലെയർ, ബൈലെയർ ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ ഉള്ള കപ്പാസിറ്റൻസുകൾ വേഗത്തിൽ കുറയുന്നതായി ഞങ്ങൾ നിരീക്ഷിച്ചു. ഇതിനു വിപരീതമായി, MGG-കൾ ഗേറ്റ് ചെയ്ത കപ്പാസിറ്റൻസുകളും പ്ലെയിൻ ട്രൈലെയർ ഗ്രാഫീനും സ്ട്രെയിനിനൊപ്പം കപ്പാസിറ്റൻസിന്റെ വർദ്ധനവ് കാണിച്ചു, ഇത് സ്ട്രെയിനിനൊപ്പം ഡൈഇലക്ട്രിക് കനം കുറയുന്നതിനാൽ പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. കപ്പാസിറ്റൻസിൽ പ്രതീക്ഷിക്കുന്ന വർദ്ധനവ് MGG ഘടനയുമായി വളരെ നന്നായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു (ചിത്രം S8). സ്ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്ക് ഒരു ഗേറ്റ് ഇലക്ട്രോഡായി MGG അനുയോജ്യമാണെന്ന് ഇത് സൂചിപ്പിക്കുന്നു.
വൈദ്യുതചാലകതയുടെ സ്ട്രെയിൻ ടോളറൻസിൽ 1D ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളിന്റെ പങ്ക് കൂടുതൽ അന്വേഷിക്കുന്നതിനും ഗ്രാഫീൻ പാളികൾക്കിടയിലുള്ള വേർതിരിവ് മികച്ച രീതിയിൽ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിനും, ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾക്ക് പകരം സ്പ്രേ-കോട്ടഡ് സിഎൻടികൾ ഞങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചു (സപ്ലിമെന്ററി മെറ്റീരിയലുകൾ കാണുക). എംജിജി ഘടനകളെ അനുകരിക്കാൻ, ഞങ്ങൾ മൂന്ന് സാന്ദ്രത സിഎൻടികൾ (അതായത്, സിഎൻടി1) നിക്ഷേപിച്ചു.
(A മുതൽ C വരെ) മൂന്ന് വ്യത്യസ്ത സാന്ദ്രതകളുള്ള CNT-കളുടെ AFM ചിത്രങ്ങൾ (CNT1)
സ്ട്രെച്ചബിൾ ഇലക്ട്രോണിക്സിനുള്ള ഇലക്ട്രോഡുകൾ എന്ന നിലയിൽ അവയുടെ കഴിവ് കൂടുതൽ മനസ്സിലാക്കാൻ, MGG, G-CNT-G എന്നിവയുടെ അണ്ടർ സ്ട്രെയിൻ രൂപാന്തരങ്ങൾ ഞങ്ങൾ വ്യവസ്ഥാപിതമായി അന്വേഷിച്ചു. ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പിയും സ്കാനിംഗ് ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പിയും (SEM) ഫലപ്രദമായ സ്വഭാവരൂപീകരണ രീതികളല്ല, കാരണം രണ്ടിനും വർണ്ണ കോൺട്രാസ്റ്റ് ഇല്ല, കൂടാതെ ഗ്രാഫീൻ പോളിമർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ ആയിരിക്കുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോൺ സ്കാനിംഗ് സമയത്ത് SEM ഇമേജ് ആർട്ടിഫാക്‌റ്റുകൾക്ക് വിധേയമാണ് (ചിത്രങ്ങൾ. S9, S10). സ്ട്രെയിനിന് കീഴിലുള്ള ഗ്രാഫീൻ ഉപരിതലം സ്ഥലത്തുതന്നെ നിരീക്ഷിക്കാൻ, വളരെ നേർത്ത (~0.1 മില്ലീമീറ്റർ കട്ടിയുള്ള) ഇലാസ്റ്റിക് SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലേക്ക് ട്രാൻസ്ഫർ ചെയ്ത ശേഷം ട്രൈലെയർ MGG-കളിലും പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീനിലും AFM അളവുകൾ ഞങ്ങൾ ശേഖരിച്ചു. CVD ഗ്രാഫീനിലെ ആന്തരിക വൈകല്യങ്ങളും ട്രാൻസ്ഫർ പ്രക്രിയയിൽ ബാഹ്യ നാശനഷ്ടങ്ങളും കാരണം, സ്ട്രെയിൻ ചെയ്ത ഗ്രാഫീനിൽ വിള്ളലുകൾ അനിവാര്യമായും സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നു, വർദ്ധിച്ചുവരുന്ന സ്ട്രെയിൻ അനുസരിച്ച്, വിള്ളലുകൾ കൂടുതൽ സാന്ദ്രമായി മാറുന്നു (ചിത്രം. 4, A മുതൽ D വരെ). കാർബൺ അധിഷ്ഠിത ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ സ്റ്റാക്കിംഗ് ഘടനയെ ആശ്രയിച്ച്, വിള്ളലുകൾ വ്യത്യസ്ത രൂപാന്തരങ്ങൾ പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു (ചിത്രം. S11) (27). മൾട്ടിലെയർ ഗ്രാഫീനിന്റെ വിള്ളൽ ഏരിയ സാന്ദ്രത (വിള്ളൽ ഏരിയ/വിശകലനം ചെയ്ത ഏരിയ എന്ന് നിർവചിച്ചിരിക്കുന്നത്) മോണോലെയർ ഗ്രാഫീനിന്റെ ആഫ്റ്റർ സ്ട്രെയിനിനേക്കാൾ കുറവാണ്, ഇത് MGG-കൾക്ക് വൈദ്യുതചാലകതയിലെ വർദ്ധനവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു. മറുവശത്ത്, വിള്ളലുകൾ നികത്താൻ സ്ക്രോളുകൾ പലപ്പോഴും നിരീക്ഷിക്കപ്പെടുന്നു, ഇത് സ്ട്രെയിൻഡ് ഫിലിമിൽ അധിക ചാലക പാതകൾ നൽകുന്നു. ഉദാഹരണത്തിന്, ചിത്രം 4B-യിലെ ചിത്രത്തിൽ ലേബൽ ചെയ്തിരിക്കുന്നതുപോലെ, ട്രൈലെയർ MGG-യിലെ ഒരു വിള്ളലിന് മുകളിലൂടെ ഒരു വിശാലമായ സ്ക്രോൾ മുറിച്ചുകടന്നു, പക്ഷേ പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീനിൽ ഒരു സ്ക്രോളും നിരീക്ഷിക്കപ്പെട്ടില്ല (ചിത്രം 4, E മുതൽ H വരെ). അതുപോലെ, CNT-കളും ഗ്രാഫീനിലെ വിള്ളലുകൾ പാലിച്ചു (ചിത്രം S11). വിള്ളൽ ഏരിയ സാന്ദ്രത, സ്ക്രോൾ ഏരിയ സാന്ദ്രത, ഫിലിമുകളുടെ പരുക്കൻത എന്നിവ ചിത്രം 4K-യിൽ സംഗ്രഹിച്ചിരിക്കുന്നു.
(A മുതൽ H വരെ) 0, 20, 60, 100% സ്‌ട്രെയിനിൽ വളരെ നേർത്ത SEBS (~0.1 mm കട്ടിയുള്ള) ഇലാസ്റ്റോമറിൽ ട്രൈലെയർ G/G സ്ക്രോളുകളുടെയും (A മുതൽ D വരെ) ട്രൈലെയർ G ഘടനകളുടെയും (E മുതൽ H വരെ) ഇൻ സിറ്റു AFM ചിത്രങ്ങൾ. പ്രതിനിധി വിള്ളലുകളും സ്ക്രോളുകളും അമ്പടയാളങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ച് ചൂണ്ടിക്കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. എല്ലാ AFM ചിത്രങ്ങളും 15 μm × 15 μm വിസ്തീർണ്ണത്തിലാണ്, ലേബൽ ചെയ്‌തിരിക്കുന്ന അതേ കളർ സ്കെയിൽ ബാർ ഉപയോഗിക്കുന്നു. (I) SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലെ പാറ്റേൺ ചെയ്‌ത മോണോലെയർ ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ സിമുലേഷൻ ജ്യാമിതി. (J) മോണോലെയർ ഗ്രാഫീനിലെയും SEBS സബ്‌സ്‌ട്രെറ്റിലെയും പരമാവധി പ്രിൻസിപ്പൽ ലോഗരിഥമിക് സ്‌ട്രെയിനിന്റെ സിമുലേഷൻ കോണ്ടൂർ മാപ്പ് 20% ബാഹ്യ സ്‌ട്രെയിനിൽ. (K) വ്യത്യസ്ത ഗ്രാഫീൻ ഘടനകൾക്കായുള്ള വിള്ളൽ ഏരിയ സാന്ദ്രത (ചുവപ്പ് കോളം), സ്ക്രോൾ ഏരിയ സാന്ദ്രത (മഞ്ഞ കോളം), ഉപരിതല പരുക്കൻത (നീല കോളം) എന്നിവയുടെ താരതമ്യം.
എം‌ജി‌ജി ഫിലിമുകൾ വലിച്ചുനീട്ടുമ്പോൾ, സ്ക്രോളുകൾക്ക് ഗ്രാഫീനിന്റെ വിള്ളൽ വീണ പ്രദേശങ്ങളെ പാലമായി നിലനിർത്താൻ കഴിയുമെന്ന് ഒരു പ്രധാന അധിക സംവിധാനമുണ്ട്, അതുവഴി ഒരു പെർക്കോലേറ്റിംഗ് നെറ്റ്‌വർക്ക് നിലനിർത്താൻ കഴിയും. ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾക്ക് പതിനായിരക്കണക്കിന് മൈക്രോമീറ്റർ നീളമുണ്ടാകാമെന്നും അതിനാൽ സാധാരണയായി മൈക്രോമീറ്റർ സ്കെയിൽ വരെയുള്ള വിള്ളലുകൾ പാലമായി നിലനിർത്താൻ കഴിയുമെന്നും ഉള്ളതിനാൽ ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾ വാഗ്ദാനമാണ്. കൂടാതെ, സ്ക്രോളുകളിൽ ഗ്രാഫീനിന്റെ മൾട്ടിലെയറുകൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നതിനാൽ, അവയ്ക്ക് കുറഞ്ഞ പ്രതിരോധം ഉണ്ടാകുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, താരതമ്യേന സാന്ദ്രമായ (കുറഞ്ഞ ട്രാൻസ്മിറ്റൻസ്) സി‌എൻ‌ടി നെറ്റ്‌വർക്കുകൾ താരതമ്യപ്പെടുത്താവുന്ന ചാലക ബ്രിഡ്ജിംഗ് ശേഷി നൽകേണ്ടതുണ്ട്, കാരണം സി‌എൻ‌ടികൾ ചെറുതാണ് (സാധാരണയായി കുറച്ച് മൈക്രോമീറ്റർ നീളം) സ്ക്രോളുകളേക്കാൾ ചാലകത കുറവാണ്. മറുവശത്ത്, ചിത്രം S12 ൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, സ്ട്രെച്ച് ഉൾക്കൊള്ളാൻ സ്ട്രെച്ചിംഗ് സമയത്ത് ഗ്രാഫീൻ പൊട്ടുന്നുണ്ടെങ്കിലും, സ്ക്രോളുകൾ പൊട്ടുന്നില്ല, ഇത് സൂചിപ്പിക്കുന്നത് രണ്ടാമത്തേത് അടിസ്ഥാന ഗ്രാഫീനിൽ വഴുതിവീഴുകയാണെന്നാണ്. അവ പൊട്ടാത്തതിന്റെ കാരണം, ഗ്രാഫീനിന്റെ നിരവധി പാളികൾ (~1 മുതൽ 20 μm വരെ നീളം, ~0.1 മുതൽ 1 μm വരെ വീതി, ~10 മുതൽ 100 ​​nm വരെ ഉയരം) ചേർന്ന ചുരുട്ടിയ ഘടന മൂലമാകാം, ഇതിന് സിംഗിൾ-ലെയർ ഗ്രാഫീനിനെക്കാൾ ഉയർന്ന ഫലപ്രദമായ മോഡുലസ് ഉണ്ട്. ഗ്രീൻ ആൻഡ് ഹെർസം (42) റിപ്പോർട്ട് ചെയ്തതുപോലെ, മെറ്റാലിക് സിഎൻടി നെറ്റ്‌വർക്കുകൾക്ക് (1.0 nm ട്യൂബ് വ്യാസം) സിഎൻടികൾക്കിടയിലുള്ള വലിയ ജംഗ്ഷൻ പ്രതിരോധം ഉണ്ടായിരുന്നിട്ടും, കുറഞ്ഞ ഷീറ്റ് പ്രതിരോധം <100 ohms/sq കൈവരിക്കാൻ കഴിയും. ഞങ്ങളുടെ ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകൾക്ക് 0.1 മുതൽ 1 μm വരെ വീതിയുണ്ടെന്നും G/G സ്ക്രോളുകൾക്ക് CNTകളേക്കാൾ വളരെ വലിയ കോൺടാക്റ്റ് ഏരിയകളുണ്ടെന്നും കണക്കിലെടുക്കുമ്പോൾ, ഗ്രാഫീനും ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകളും തമ്മിലുള്ള കോൺടാക്റ്റ് പ്രതിരോധവും കോൺടാക്റ്റ് ഏരിയയും ഉയർന്ന ചാലകത നിലനിർത്തുന്നതിനുള്ള ഘടകങ്ങളെ പരിമിതപ്പെടുത്തരുത്.
ഗ്രാഫീനിന് SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിനേക്കാൾ വളരെ ഉയർന്ന മോഡുലസ് ഉണ്ട്. ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡിന്റെ ഫലപ്രദമായ കനം സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിനേക്കാൾ വളരെ കുറവാണെങ്കിലും, ഗ്രാഫീനിന്റെ കാഠിന്യം അതിന്റെ കട്ടിയുള്ളതിനേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ് (43, 44), ഇത് ഒരു മിതമായ കർക്കശ-ദ്വീപ് പ്രഭാവത്തിന് കാരണമാകുന്നു. ഒരു SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ 1-nm-കട്ടിയുള്ള ഗ്രാഫീനിന്റെ രൂപഭേദം ഞങ്ങൾ അനുകരിച്ചു (വിശദാംശങ്ങൾക്ക് സപ്ലിമെന്ററി മെറ്റീരിയലുകൾ കാണുക). സിമുലേഷൻ ഫലങ്ങൾ അനുസരിച്ച്, SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ 20% സ്‌ട്രെയിൻ ബാഹ്യമായി പ്രയോഗിക്കുമ്പോൾ, ഗ്രാഫീനിലെ ശരാശരി സ്‌ട്രെയിൻ ~6.6% ആണ് (ചിത്രം 4J, ചിത്രം S13D), ഇത് പരീക്ഷണ നിരീക്ഷണങ്ങളുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു (ചിത്രം S13 കാണുക). ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്‌കോപ്പി ഉപയോഗിച്ച് പാറ്റേൺ ചെയ്‌ത ഗ്രാഫീനിലെയും സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മേഖലകളിലെയും സ്‌ട്രെയിൻ ഞങ്ങൾ താരതമ്യം ചെയ്തു, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മേഖലയിലെ സ്‌ട്രെയിൻ ഗ്രാഫീൻ മേഖലയിലെ സ്‌ട്രെയിനിന്റെ ഇരട്ടിയെങ്കിലും ആണെന്ന് ഞങ്ങൾ കണ്ടെത്തി. ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡ് പാറ്റേണുകളിൽ പ്രയോഗിക്കുന്ന സ്‌ട്രെയിൻ ഗണ്യമായി പരിമിതപ്പെടുത്താൻ കഴിയുമെന്ന് ഇത് സൂചിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് SEBS ന് മുകളിൽ ഗ്രാഫീൻ സ്റ്റിഫ് ദ്വീപുകൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നു (26, 43, 44).
അതിനാൽ, ഉയർന്ന ആയാസത്തിൽ ഉയർന്ന ചാലകത നിലനിർത്താനുള്ള MGG ഇലക്ട്രോഡുകളുടെ കഴിവ് രണ്ട് പ്രധാന സംവിധാനങ്ങളാൽ സാധ്യമാക്കപ്പെടുന്നു: (i) ചാലക പെർകോലേഷൻ പാത നിലനിർത്തുന്നതിന് സ്ക്രോളുകൾക്ക് വിച്ഛേദിക്കപ്പെട്ട പ്രദേശങ്ങളെ പാലമായി ബന്ധിപ്പിക്കാൻ കഴിയും, (ii) മൾട്ടിലെയർ ഗ്രാഫീൻ ഷീറ്റുകൾ/ഇലാസ്റ്റോമർ പരസ്പരം സ്ലൈഡ് ചെയ്തേക്കാം, ഇത് ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകളിൽ സ്ട്രെയിൻ കുറയ്ക്കുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു. ഇലാസ്റ്റോമറിൽ ട്രാൻസ്ഫർ ചെയ്ത ഒന്നിലധികം പാളി ഗ്രാഫീനുകൾക്ക്, പാളികൾ പരസ്പരം ശക്തമായി ഘടിപ്പിച്ചിട്ടില്ല, ഇത് സ്ട്രെയിനിന് പ്രതികരണമായി സ്ലൈഡ് ചെയ്തേക്കാം (27). സ്ക്രോളുകൾ ഗ്രാഫീൻ പാളികളുടെ പരുക്കൻത വർദ്ധിപ്പിച്ചു, ഇത് ഗ്രാഫീൻ പാളികൾക്കിടയിലുള്ള വേർതിരിവ് വർദ്ധിപ്പിക്കാൻ സഹായിച്ചേക്കാം, അതിനാൽ ഗ്രാഫീൻ പാളികളുടെ സ്ലൈഡിംഗ് പ്രാപ്തമാക്കിയേക്കാം.
കുറഞ്ഞ ചെലവും ഉയർന്ന ത്രൂപുട്ടും കാരണം ഓൾ-കാർബൺ ഉപകരണങ്ങൾ ആവേശത്തോടെ പിന്തുടരുന്നു. ഞങ്ങളുടെ കാര്യത്തിൽ, ഓൾ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഒരു താഴെയുള്ള ഗ്രാഫീൻ ഗേറ്റ്, ഒരു മുകളിലെ ഗ്രാഫീൻ സോഴ്‌സ്/ഡ്രെയിൻ കോൺടാക്റ്റ്, ഒരു തരം സിഎൻടി സെമികണ്ടക്ടർ, ഒരു ഡൈഇലക്‌ട്രിക് ആയി SEBS എന്നിവ ഉപയോഗിച്ചാണ് നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത് (ചിത്രം 5A). ചിത്രം 5B-യിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, സിഎൻടികൾ ഉറവിടം/ഡ്രെയിൻ, ഗേറ്റ് (താഴെയുള്ള ഉപകരണം) എന്നിവയുള്ള ഓൾ-കാർബൺ ഉപകരണം ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ (മുകളിലെ ഉപകരണം) ഉള്ള ഉപകരണത്തേക്കാൾ അതാര്യമാണ്. കാരണം, ഗ്രാഫീനിന് സമാനമായ ഷീറ്റ് പ്രതിരോധങ്ങൾ കൈവരിക്കുന്നതിന് സിഎൻടി നെറ്റ്‌വർക്കുകൾക്ക് വലിയ കനവും തൽഫലമായി, കുറഞ്ഞ ഒപ്റ്റിക്കൽ ട്രാൻസ്മിറ്റൻസും ആവശ്യമാണ് (ചിത്രം S4). ബൈലെയർ എംജിജി ഇലക്ട്രോഡുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിച്ച ഒരു ട്രാൻസിസ്റ്ററിന് സ്ട്രെയിനിന് മുമ്പുള്ള പ്രതിനിധി ട്രാൻസ്ഫർ, ഔട്ട്‌പുട്ട് കർവുകൾ ചിത്രം 5 (സി, ഡി) കാണിക്കുന്നു. അൺസ്ട്രെയിൻഡ് ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ ചാനൽ വീതിയും നീളവും യഥാക്രമം 800 ഉം 100 ഉം μm ഉം ആയിരുന്നു. യഥാക്രമം 10−5, 10−8 എ എന്നീ തലങ്ങളിൽ ഓൺ, ഓഫ് കറന്റുകളുള്ള ഓൺ/ഓഫ് അനുപാതം 103 ൽ കൂടുതലാണ്. ഔട്ട്‌പുട്ട് വക്രം വ്യക്തമായ ഗേറ്റ്-വോൾട്ടേജ് ആശ്രിതത്വത്തോടെയുള്ള ആദർശ രേഖീയ, സാച്ചുറേഷൻ വ്യവസ്ഥകൾ പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് CNT-കളും ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകളും തമ്മിലുള്ള ആദർശ സമ്പർക്കത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു (45). ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകളുമായുള്ള സമ്പർക്ക പ്രതിരോധം ബാഷ്പീകരിക്കപ്പെട്ട Au ഫിലിമിനേക്കാൾ കുറവാണെന്ന് നിരീക്ഷിക്കപ്പെട്ടു (ചിത്രം S14 കാണുക). സ്ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ സാച്ചുറേഷൻ മൊബിലിറ്റി ഏകദേശം 5.6 cm2/Vs ആണ്, 300-nm SiO2 ഒരു ഡൈഇലക്ട്രിക് ലെയറായി ഉള്ള കർക്കശമായ Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ അതേ പോളിമർ-സോർട്ടഡ് CNT ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടേതിന് സമാനമാണ്. ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത ട്യൂബ് സാന്ദ്രതയും മറ്റ് തരത്തിലുള്ള ട്യൂബുകളും ഉപയോഗിച്ച് മൊബിലിറ്റിയിൽ കൂടുതൽ പുരോഗതി സാധ്യമാണ് (46).
(എ) ഗ്രാഫീൻ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള സ്ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ സ്കീം. SWNT-കൾ, ഒറ്റ-ഭിത്തിയുള്ള കാർബൺ നാനോട്യൂബുകൾ. (ബി) ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ (മുകളിൽ) സിഎൻടി ഇലക്ട്രോഡുകൾ (താഴെ) എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിച്ച സ്ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ ഫോട്ടോ. സുതാര്യതയിലെ വ്യത്യാസം വ്യക്തമായി കാണാം. (സി, ഡി) സ്ട്രെയിനിന് മുമ്പ് എസ്ഇബിഎസിലെ ഗ്രാഫീൻ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ ട്രാൻസ്ഫർ, ഔട്ട്പുട്ട് കർവുകൾ. (ഇ, എഫ്) വ്യത്യസ്ത സ്ട്രെയിനുകളിൽ ഗ്രാഫീൻ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ ട്രാൻസ്ഫർ കർവുകൾ, ഓൺ, ഓഫ് കറന്റ്, ഓൺ/ഓഫ് അനുപാതം, മൊബിലിറ്റി.
ചാർജ് ട്രാൻസ്പോർട്ട് ദിശയ്ക്ക് സമാന്തരമായി സുതാര്യവും പൂർണ്ണമായും കാർബൺ ഉപയോഗിച്ചുള്ളതുമായ ഉപകരണം വലിച്ചുനീട്ടിയപ്പോൾ, 120% വരെ കുറഞ്ഞ ഡീഗ്രഡേഷൻ നിരീക്ഷിക്കപ്പെട്ടു. വലിച്ചുനീട്ടുന്ന സമയത്ത്, ചലനശേഷി 0% സ്ട്രെയിനിൽ 5.6 cm2/Vs ൽ നിന്ന് 120% സ്ട്രെയിനിൽ 2.5 cm2/Vs ആയി തുടർച്ചയായി കുറഞ്ഞു (ചിത്രം 5F). വ്യത്യസ്ത ചാനൽ നീളങ്ങൾക്കായുള്ള ട്രാൻസിസ്റ്റർ പ്രകടനവും ഞങ്ങൾ താരതമ്യം ചെയ്തു (പട്ടിക S1 കാണുക). ശ്രദ്ധേയമായി, 105% വരെ വലിയ സ്ട്രെയിനിൽ, ഈ എല്ലാ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും ഇപ്പോഴും ഉയർന്ന ഓൺ/ഓഫ് അനുപാതവും (>103) മൊബിലിറ്റിയും (>3 cm2/Vs) പ്രദർശിപ്പിച്ചു. കൂടാതെ, പൂർണ്ണ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളിലെ സമീപകാല പ്രവർത്തനങ്ങളെല്ലാം ഞങ്ങൾ സംഗ്രഹിച്ചു (പട്ടിക S2 കാണുക) (47–52). ഇലാസ്റ്റോമറുകളിൽ ഉപകരണ നിർമ്മാണം ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യുന്നതിലൂടെയും MGG-കൾ കോൺടാക്റ്റുകളായി ഉപയോഗിക്കുന്നതിലൂടെയും, ഞങ്ങളുടെ പൂർണ്ണ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ചലനശേഷിയുടെയും ഹിസ്റ്റെറിസിസിന്റെയും കാര്യത്തിൽ മികച്ച പ്രകടനം കാണിക്കുന്നു, അതുപോലെ തന്നെ വളരെ വലിച്ചുനീട്ടാവുന്നതുമാണ്.
പൂർണ്ണമായും സുതാര്യവും വലിച്ചുനീട്ടാവുന്നതുമായ ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ ഒരു പ്രയോഗമെന്ന നിലയിൽ, ഒരു LED-യുടെ സ്വിച്ചിംഗ് നിയന്ത്രിക്കാൻ ഞങ്ങൾ ഇത് ഉപയോഗിച്ചു (ചിത്രം 6A). ചിത്രം 6B-യിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നതുപോലെ, മുകളിൽ നേരിട്ട് സ്ഥാപിച്ചിരിക്കുന്ന വലിച്ചുനീട്ടാവുന്ന പൂർണ്ണ-കാർബൺ ഉപകരണത്തിലൂടെ പച്ച LED വ്യക്തമായി കാണാൻ കഴിയും. ~100% വരെ വലിച്ചുനീട്ടുമ്പോൾ (ചിത്രം 6, C, D), LED പ്രകാശ തീവ്രത മാറുന്നില്ല, ഇത് മുകളിൽ വിവരിച്ച ട്രാൻസിസ്റ്റർ പ്രകടനവുമായി പൊരുത്തപ്പെടുന്നു (സിനിമ S1 കാണുക). ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നിർമ്മിച്ച വലിച്ചുനീട്ടാവുന്ന നിയന്ത്രണ യൂണിറ്റുകളുടെ ആദ്യ റിപ്പോർട്ടാണിത്, ഗ്രാഫീൻ വലിച്ചുനീട്ടാവുന്ന ഇലക്ട്രോണിക്സിനുള്ള ഒരു പുതിയ സാധ്യത ഇത് പ്രകടമാക്കുന്നു.
(എ) എൽഇഡി പ്രവർത്തിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള ഒരു ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ സർക്യൂട്ട്. ജിഎൻഡി, ഗ്രൗണ്ട്. (ബി) ഒരു പച്ച എൽഇഡിക്ക് മുകളിൽ 0% സ്‌ട്രെയിനിൽ ഘടിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന സ്‌ട്രെച്ചബിൾ, സുതാര്യമായ ഓൾ-കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ ഫോട്ടോ. (സി) എൽഇഡി മാറ്റാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന ഓൾ-കാർബൺ സുതാര്യവും സ്‌ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്റർ എൽഇഡിക്ക് മുകളിൽ 0% (ഇടത്) ഉം ~100% സ്‌ട്രെയിനിലും (വലത്) മൌണ്ട് ചെയ്തിരിക്കുന്നു. ദൂര മാറ്റം വലിച്ചുനീട്ടുന്നത് കാണിക്കുന്നതിന് ഉപകരണത്തിലെ മഞ്ഞ മാർക്കറുകളായി വെളുത്ത അമ്പടയാളങ്ങൾ ചൂണ്ടിക്കാണിക്കുന്നു. (ഡി) എൽഇഡി ഇലാസ്റ്റോമറിലേക്ക് തള്ളിയിടുന്ന സ്‌ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ വശ കാഴ്ച.
ഉപസംഹാരമായി, വലിയ സ്ട്രെയിനുകളിൽ സ്ട്രെച്ചബിൾ ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഉയർന്ന ചാലകത നിലനിർത്തുന്ന ഒരു സുതാര്യമായ ചാലക ഗ്രാഫീൻ ഘടന ഞങ്ങൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്, ഇത് അടുക്കിയിരിക്കുന്ന ഗ്രാഫീൻ പാളികൾക്കിടയിലുള്ള ഗ്രാഫീൻ നാനോസ്ക്രോളുകൾ വഴി പ്രാപ്തമാക്കുന്നു. ഒരു ഇലാസ്റ്റോമറിലെ ഈ ബൈ-, ട്രൈലെയർ എംജിജി ഇലക്ട്രോഡ് ഘടനകൾക്ക് 100% വരെ ഉയർന്ന സ്ട്രെയിനിൽ അവയുടെ 0% സ്ട്രെയിൻ കണ്ടക്ടിവിറ്റികളിൽ യഥാക്രമം 21 ഉം 65 ഉം നിലനിർത്താൻ കഴിയും, സാധാരണ മോണോലെയർ ഗ്രാഫീൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾക്ക് 5% സ്ട്രെയിനിൽ ചാലകതയുടെ പൂർണ്ണ നഷ്ടവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ. ഗ്രാഫീൻ സ്ക്രോളുകളുടെ അധിക ചാലക പാതകളും കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെട്ട പാളികൾ തമ്മിലുള്ള ദുർബലമായ ഇടപെടലും സ്ട്രെയിനിന് കീഴിലുള്ള മികച്ച ചാലകത സ്ഥിരതയ്ക്ക് കാരണമാകുന്നു. ഓൾ-കാർബൺ സ്ട്രെച്ചബിൾ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ നിർമ്മിക്കുന്നതിന് ഞങ്ങൾ ഈ ഗ്രാഫീൻ ഘടന കൂടുതൽ പ്രയോഗിച്ചു. ഇതുവരെ, ബക്ക്ലിംഗ് ഉപയോഗിക്കാതെ മികച്ച സുതാര്യതയോടെ ഏറ്റവും സ്ട്രെച്ചബിൾ ഗ്രാഫീൻ അധിഷ്ഠിത ട്രാൻസിസ്റ്ററാണിത്. സ്ട്രെച്ചബിൾ ഇലക്ട്രോണിക്സിനായി ഗ്രാഫീൻ പ്രാപ്തമാക്കുന്നതിനാണ് ഇപ്പോഴത്തെ പഠനം നടത്തിയതെങ്കിലും, സ്ട്രെച്ചബിൾ 2D ഇലക്ട്രോണിക്സ് പ്രാപ്തമാക്കുന്നതിന് ഈ സമീപനം മറ്റ് 2D മെറ്റീരിയലുകളിലേക്ക് വ്യാപിപ്പിക്കാൻ കഴിയുമെന്ന് ഞങ്ങൾ വിശ്വസിക്കുന്നു.
1000°C-ൽ 50–SCCM (സ്റ്റാൻഡേർഡ് ക്യുബിക് സെന്റീമീറ്റർ പെർ മിനിറ്റിൽ) CH4, 20–SCCM H2 എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് 0.5 mtorr സ്ഥിരമായ മർദ്ദത്തിൽ സസ്പെൻഡ് ചെയ്ത Cu ഫോയിലുകളിൽ (99.999%; ആൽഫ ഈസർ) വലിയ വിസ്തീർണ്ണമുള്ള CVD ഗ്രാഫീൻ വളർത്തി. Cu ഫോയിലിന്റെ ഇരുവശങ്ങളും മോണോലെയർ ഗ്രാഫീൻ കൊണ്ട് മൂടിയിരുന്നു. Cu ഫോയിലിന്റെ ഒരു വശത്ത് PMMA യുടെ ഒരു നേർത്ത പാളി (2000 rpm; A4, മൈക്രോകെം) സ്പിൻ-കോട്ടിംഗ് നടത്തി, ഒരു PMMA/G/Cu ഫോയിൽ/G ഘടന രൂപപ്പെടുത്തി. തുടർന്ന്, Cu ഫോയിൽ കൊത്തിവയ്ക്കാൻ മുഴുവൻ ഫിലിമും ഏകദേശം 2 മണിക്കൂർ 0.1 M അമോണിയം പെർസൾഫേറ്റ് [(NH4)2S2O8] ലായനിയിൽ മുക്കിവച്ചു. ഈ പ്രക്രിയയിൽ, സംരക്ഷിക്കപ്പെടാത്ത പിൻഭാഗത്തെ ഗ്രാഫീൻ ആദ്യം ധാന്യ അതിരുകളിലൂടെ കീറിമുറിക്കുകയും പിന്നീട് ഉപരിതല പിരിമുറുക്കം കാരണം ചുരുളുകളായി ചുരുട്ടുകയും ചെയ്തു. PMMA- പിന്തുണയുള്ള മുകളിലെ ഗ്രാഫീൻ ഫിലിമിൽ ചുരുളുകൾ ഘടിപ്പിച്ച് PMMA/G/G സ്ക്രോളുകൾ രൂപപ്പെടുത്തി. ഫിലിമുകൾ പിന്നീട് പലതവണ ഡീയോണൈസ് ചെയ്ത വെള്ളത്തിൽ കഴുകി, ഒരു കർക്കശമായ SiO2/Si അല്ലെങ്കിൽ പ്ലാസ്റ്റിക് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് പോലുള്ള ഒരു ടാർഗെറ്റ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ വച്ചു. അറ്റാച്ചുചെയ്‌ത ഫിലിം അടിവസ്ത്രത്തിൽ ഉണങ്ങിയ ഉടൻ, സാമ്പിൾ തുടർച്ചയായി അസെറ്റോൺ, 1:1 അസെറ്റോൺ/IPA (ഐസോപ്രോപൈൽ ആൽക്കഹോൾ), IPA എന്നിവയിൽ 30 സെക്കൻഡ് വീതം മുക്കി PMMA നീക്കം ചെയ്തു. ഫിലിമുകൾ 100°C-ൽ 15 മിനിറ്റ് ചൂടാക്കി അല്ലെങ്കിൽ ഒരു രാത്രി മുഴുവൻ ഒരു ശൂന്യതയിൽ സൂക്ഷിച്ച്, G/G സ്ക്രോളിന്റെ മറ്റൊരു പാളി അതിലേക്ക് മാറ്റുന്നതിനുമുമ്പ് കുടുങ്ങിയ വെള്ളം പൂർണ്ണമായും നീക്കം ചെയ്തു. അടിവസ്ത്രത്തിൽ നിന്ന് ഗ്രാഫീൻ ഫിലിം വേർപെടുത്തുന്നത് ഒഴിവാക്കുന്നതിനും PMMA കാരിയർ പാളി പുറത്തുവിടുന്ന സമയത്ത് MGG-കളുടെ പൂർണ്ണ കവറേജ് ഉറപ്പാക്കുന്നതിനുമായിരുന്നു ഈ നടപടി.
ഒരു ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്കോപ്പും (ലൈക്ക) ഒരു സ്കാനിംഗ് ഇലക്ട്രോൺ മൈക്രോസ്കോപ്പും (1 kV; FEI) ഉപയോഗിച്ച് MGG ഘടനയുടെ രൂപഘടന നിരീക്ഷിച്ചു. G സ്ക്രോളുകളുടെ വിശദാംശങ്ങൾ നിരീക്ഷിക്കുന്നതിനായി ഒരു ആറ്റോമിക് ഫോഴ്‌സ് മൈക്രോസ്കോപ്പ് (നാനോസ്കോപ്പ് III, ഡിജിറ്റൽ ഇൻസ്ട്രുമെന്റ്) ടാപ്പിംഗ് മോഡിൽ പ്രവർത്തിപ്പിച്ചു. ഒരു അൾട്രാവയലറ്റ്-ദൃശ്യ സ്പെക്ട്രോമീറ്റർ (എജിലന്റ് കാരി 6000i) ഉപയോഗിച്ച് ഫിലിം സുതാര്യത പരീക്ഷിച്ചു. വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ലംബ ദിശയിലായിരിക്കുമ്പോൾ, സ്ട്രെയിൻ സ്ട്രിപ്പുകളായി (~300 μm വീതിയും ~2000 μm നീളവും) ഗ്രാഫീൻ ഘടനകളെ പാറ്റേൺ ചെയ്യാൻ ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫിയും O2 പ്ലാസ്മയും ഉപയോഗിച്ചു, കൂടാതെ നീളമുള്ള വശത്തിന്റെ രണ്ടറ്റത്തും ഷാഡോ മാസ്കുകൾ ഉപയോഗിച്ച് Au (50 nm) ഇലക്ട്രോഡുകൾ താപമായി നിക്ഷേപിച്ചു. ഗ്രാഫീൻ സ്ട്രിപ്പുകൾ പിന്നീട് ഒരു SEBS ഇലാസ്റ്റോമറുമായി (~2 സെ.മീ വീതിയും ~5 സെ.മീ നീളവും) സമ്പർക്കം പുലർത്തി, സ്ട്രിപ്പുകളുടെ നീളമുള്ള അച്ചുതണ്ട് SEBS ന്റെ ചെറിയ വശത്തിന് സമാന്തരമായി BOE (ബഫേർഡ് ഓക്സൈഡ് എച്ച്) (HF:H2O 1:6) എച്ചിംഗ്, യൂടെക്റ്റിക് ഗാലിയം ഇൻഡിയം (EGaIn) എന്നിവ വൈദ്യുത കോൺടാക്റ്റുകളായി നൽകി. സമാന്തര സ്ട്രെയിൻ പരിശോധനകൾക്കായി, പാറ്റേൺ ചെയ്യാത്ത ഗ്രാഫീൻ ഘടനകൾ (~5 × 10 mm) SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലേക്ക് മാറ്റി, SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ നീളമുള്ള വശത്തിന് സമാന്തരമായി നീളമുള്ള അച്ചുതണ്ടുകൾ നൽകി. രണ്ട് സാഹചര്യങ്ങളിലും, മുഴുവൻ G (G സ്ക്രോളുകൾ ഇല്ലാതെ)/SEBS ഉം ഒരു മാനുവൽ ഉപകരണത്തിൽ എലാസ്റ്റോമറിന്റെ നീളമുള്ള വശത്ത് നീട്ടി, കൂടാതെ സ്ഥലത്തുതന്നെ, ഒരു സെമികണ്ടക്ടർ അനലൈസർ (കീത്ത്‌ലി 4200-SCS) ഉപയോഗിച്ച് ഒരു പ്രോബ് സ്റ്റേഷനിൽ സ്ട്രെയിനിന് കീഴിലുള്ള അവയുടെ പ്രതിരോധ മാറ്റങ്ങൾ ഞങ്ങൾ അളന്നു.
പോളിമർ ഡൈഇലക്‌ട്രിക്, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് എന്നിവയുടെ ജൈവ ലായക കേടുപാടുകൾ ഒഴിവാക്കാൻ ഇനിപ്പറയുന്ന നടപടിക്രമങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇലാസ്റ്റിക് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലെ വളരെ വലിച്ചുനീട്ടാവുന്നതും സുതാര്യവുമായ മുഴുവൻ കാർബൺ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ നിർമ്മിച്ചത്. ഗേറ്റ് ഇലക്ട്രോഡുകളായി എംജിജി ഘടനകളെ SEBS-ലേക്ക് മാറ്റി. ഒരു ഏകീകൃത നേർത്ത-ഫിലിം പോളിമർ ഡൈഇലക്‌ട്രിക് പാളി (2 μm കനം) ലഭിക്കുന്നതിന്, ഒരു SEBS ടോലുയിൻ (80 mg/ml) ലായനി ഒക്ടാഡെസിൽട്രൈക്ലോറോസിലാൻ (OTS)–പരിഷ്കരിച്ച SiO2/Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ 1 മിനിറ്റ് നേരത്തേക്ക് 1000 rpm-ൽ സ്പിൻ-കോട്ടിംഗ് നടത്തി. നേർത്ത ഡൈഇലക്‌ട്രിക് ഫിലിം ഹൈഡ്രോഫോബിക് OTS ഉപരിതലത്തിൽ നിന്ന് തയ്യാറാക്കിയ ഗ്രാഫീൻ കൊണ്ട് പൊതിഞ്ഞ SEBS സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലേക്ക് എളുപ്പത്തിൽ മാറ്റാൻ കഴിയും. ഒരു LCR (ഇൻഡക്‌ടൻസ്, കപ്പാസിറ്റൻസ്, റെസിസ്റ്റൻസ്) മീറ്റർ (അജിലന്റ്) ഉപയോഗിച്ച് സ്ട്രെയിനിന്റെ ഒരു ഫംഗ്‌ഷനായി കപ്പാസിറ്റൻസ് നിർണ്ണയിക്കാൻ ഒരു ലിക്വിഡ്-മെറ്റൽ (EGaIn; സിഗ്മ-ആൽഡ്രിച്ച്) ടോപ്പ് ഇലക്ട്രോഡ് നിക്ഷേപിച്ചുകൊണ്ട് ഒരു കപ്പാസിറ്റർ നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും. മുമ്പ് റിപ്പോർട്ട് ചെയ്ത നടപടിക്രമങ്ങൾ പിന്തുടർന്ന് (53) ട്രാൻസിസ്റ്ററിന്റെ മറ്റൊരു ഭാഗത്ത് പോളിമർ-സോർട്ടഡ് സെമികണ്ടക്റ്റിംഗ് സിഎൻടികൾ ഉണ്ടായിരുന്നു. പാറ്റേൺ ചെയ്ത ഉറവിട/ഡ്രെയിൻ ഇലക്ട്രോഡുകൾ കർക്കശമായ SiO2/Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലാണ് നിർമ്മിച്ചത്. തുടർന്ന്, ഡൈഇലക്ട്രിക്/G/SEBS, CNT-കൾ/പാറ്റേൺ ചെയ്ത G/SiO2/Si എന്നീ രണ്ട് ഭാഗങ്ങൾ പരസ്പരം ലാമിനേറ്റ് ചെയ്ത്, കർക്കശമായ SiO2/Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനായി BOE-യിൽ മുക്കിവച്ചു. അങ്ങനെ, പൂർണ്ണമായും സുതാര്യവും വലിച്ചുനീട്ടാവുന്നതുമായ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ നിർമ്മിച്ചു. മുകളിൽ പറഞ്ഞ രീതി പോലെ ഒരു മാനുവൽ സ്ട്രെച്ചിംഗ് സജ്ജീകരണത്തിലാണ് സമ്മർദ്ദത്തിൻ കീഴിലുള്ള വൈദ്യുത പരിശോധന നടത്തിയത്.
ഈ ലേഖനത്തിനായുള്ള അനുബന്ധ വസ്തുക്കൾ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 ൽ ലഭ്യമാണ്.
ചിത്രം. S1. വ്യത്യസ്ത മാഗ്നിഫിക്കേഷനുകളിൽ SiO2/Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ മോണോലെയർ MGG യുടെ ഒപ്റ്റിക്കൽ മൈക്രോസ്‌കോപ്പി ചിത്രങ്ങൾ.
ചിത്രം. S4. മോണോ-, ബൈ-, ട്രൈലെയർ പ്ലെയിൻ ഗ്രാഫീൻ (കറുത്ത ചതുരങ്ങൾ), MGG (ചുവന്ന വൃത്തങ്ങൾ), CNTകൾ (നീല ത്രികോണം) എന്നിവയുടെ 550 nm-ൽ രണ്ട്-പ്രോബ് ഷീറ്റ് പ്രതിരോധങ്ങളുടെയും പ്രക്ഷേപണങ്ങളുടെയും താരതമ്യം.
ചിത്രം. S7. ~1000 സൈക്ലിക് സ്ട്രെയിനിന് കീഴിലുള്ള മോണോ-, ബൈലെയർ MGG-കളുടെയും (കറുപ്പ്) G (ചുവപ്പ്)-ന്റെയും സാധാരണ പ്രതിരോധ മാറ്റം യഥാക്രമം 40%, 90% പാരലൽ സ്ട്രെയിൻ വരെ ലോഡുചെയ്യുന്നു.
ചിത്രം. S10. സ്ട്രെയിനിനു ശേഷമുള്ള SEBS ഇലാസ്റ്റോമറിൽ ട്രൈലെയർ MGG യുടെ SEM ചിത്രം, നിരവധി വിള്ളലുകൾക്ക് മുകളിലൂടെ ഒരു നീണ്ട സ്ക്രോൾ ക്രോസ് കാണിക്കുന്നു.
ചിത്രം. S12. 20% സ്ട്രെയിനിൽ വളരെ നേർത്ത SEBS ഇലാസ്റ്റോമറിൽ MGG യുടെ ട്രൈലെയറിന്റെ AFM ചിത്രം, ഒരു സ്ക്രോൾ ഒരു വിള്ളലിന് മുകളിലൂടെ കടന്നുപോയതായി കാണിക്കുന്നു.
പട്ടിക S1. സ്ട്രെയിനിന് മുമ്പും ശേഷവുമുള്ള വ്യത്യസ്ത ചാനൽ നീളങ്ങളിലുള്ള ബൈലെയർ MGG–സിംഗിൾ-വാൾഡ് കാർബൺ നാനോട്യൂബ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെ ചലനശേഷി.
ക്രിയേറ്റീവ് കോമൺസ് ആട്രിബ്യൂഷൻ-നോൺകൊമേഴ്‌സ്യൽ ലൈസൻസിന്റെ നിബന്ധനകൾക്ക് കീഴിൽ വിതരണം ചെയ്യുന്ന ഒരു ഓപ്പൺ-ആക്‌സസ് ലേഖനമാണിത്, തത്ഫലമായുണ്ടാകുന്ന ഉപയോഗം വാണിജ്യ നേട്ടത്തിനായിട്ടല്ലാത്തതും യഥാർത്ഥ കൃതി ശരിയായി പരാമർശിച്ചിട്ടുണ്ടെങ്കിൽ, ഏത് മാധ്യമത്തിലും ഉപയോഗിക്കാനും വിതരണം ചെയ്യാനും പുനർനിർമ്മിക്കാനും ഇത് അനുവദിക്കുന്നു.
ശ്രദ്ധിക്കുക: നിങ്ങൾ പേജ് ശുപാർശ ചെയ്യുന്ന വ്യക്തിക്ക് അത് കാണണമെന്ന് നിങ്ങൾ ആഗ്രഹിച്ചിരുന്നുവെന്നും അത് ജങ്ക് മെയിൽ അല്ലെന്നും അറിയിക്കാൻ വേണ്ടി മാത്രമാണ് ഞങ്ങൾ നിങ്ങളുടെ ഇമെയിൽ വിലാസം ആവശ്യപ്പെടുന്നത്. ഞങ്ങൾ ഒരു ഇമെയിൽ വിലാസവും പിടിച്ചെടുക്കുന്നില്ല.
നിങ്ങൾ ഒരു മനുഷ്യ സന്ദർശകനാണോ അല്ലയോ എന്ന് പരിശോധിക്കുന്നതിനും ഓട്ടോമേറ്റഡ് സ്പാം സമർപ്പിക്കലുകൾ തടയുന്നതിനുമാണ് ഈ ചോദ്യം.
നാൻ ലിയു, അലക്സ് ചോർട്ടോസ്, ടിംഗ് ലീ, ലിഹുവ ജിൻ, താഹോ റോയ് കിം, വോൻ-ഗ്യു ബേ, ചെൻക്സിൻ ഷു, സിഹോങ് വാങ്, റാഫേൽ ഫാറ്റ്നർ, സിയുവാൻ ചെൻ, റോബർട്ട് സിൻക്ലെയർ, ഷെനാൻ ബാവോ
നാൻ ലിയു, അലക്സ് ചോർട്ടോസ്, ടിംഗ് ലീ, ലിഹുവ ജിൻ, താഹോ റോയ് കിം, വോൻ-ഗ്യു ബേ, ചെൻക്സിൻ ഷു, സിഹോങ് വാങ്, റാഫേൽ ഫാറ്റ്നർ, സിയുവാൻ ചെൻ, റോബർട്ട് സിൻക്ലെയർ, ഷെനാൻ ബാവോ
© 2021 അമേരിക്കൻ അസോസിയേഷൻ ഫോർ ദി അഡ്വാൻസ്‌മെൻ്റ് ഓഫ് സയൻസ്. എല്ലാ അവകാശങ്ങളും നിക്ഷിപ്തം. HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef, COUNTER എന്നിവയുടെ പങ്കാളിയാണ് AAAS. സയൻസ് അഡ്വാൻസസ് ISSN 2375-2548.


പോസ്റ്റ് സമയം: ജനുവരി-28-2021