אולטרא-טראַנספּאַרענט און אויסשטרעקבאַרע גראַפֿין עלעקטראָדן

צוויי-דימענסיאָנאַלע מאַטעריאַלן, ווי גראַפֿען, זענען אַטראַקטיוו פֿאַר ביידע קאַנווענשאַנעל האַלב-קאָנדוקטאָר אַפּליקאַציעס און נאַנסענט אַפּליקאַציעס אין פלעקסאַבאַל עלעקטראָניק. אָבער, די הויך טענסיל שטאַרקייט פון גראַפֿען רעזולטירט אין פראַקטורינג ביי נידעריק שפּאַנונג, מאכן עס שווער צו נוצן זייַן אויסערגעוויינלעך עלעקטראָניש פּראָפּערטיעס אין סטרעטשאַבאַל עלעקטראָניק. צו געבן ויסגעצייכנט שפּאַנונג-אָפּהענגיק פאָרשטעלונג פון טראַנספּאַרענט גראַפֿען קאַנדאַקטערז, מיר באשאפן גראַפֿען נאַנאָסקראָלס צווישן סטאַקט גראַפֿען לייַערס, ריפערד צו ווי מולטישייער גראַפֿען/גראַפֿען סקראָלס (MGGs). אונטער שפּאַנונג, עטלעכע סקראָלס ברידזשד די פראַגמענטעד דאָומיינז פון גראַפֿען צו טייַנען אַ פּערקאָלייטינג נעץ וואָס געגעבן ויסגעצייכנט קאַנדאַקטיוויטי ביי הויך שפּאַנונגען. דריישייער MGGs געשטיצט אויף עלאַסטאָמערס ריטענדיד 65% פון זייער אָריגינעל קאַנדאַקטאַנס ביי 100% שפּאַנונג, וואָס איז פּערפּענדיקולאַר צו דער ריכטונג פון קראַנט לויפן, כוועראַז דריישייער פילמס פון גראַפֿען אָן נאַנאָסקראָלס ריטענדיד בלויז 25% פון זייער סטאַרטינג קאַנדאַקטאַנס. אן אויסציעבארער אל-קוילנשטאָף טראַנזיסטאָר פאַבריצירט מיט MGGs ווי עלעקטראָדן האָט אויסגעוויזן אַ טראַנסמיטאַנס פון >90% און האָט באַהאַלטן 60% פון זיין אָריגינעלן קראַנט אַרויסגאַנג ביי 120% שפּאַנונג (פּאַראַלעל צו דער ריכטונג פון אָפּצאָל טראַנספּאָרט). די העכסט אויסציעבאר און טראַנספּאַרענט אל-קוילנשטאָף טראַנזיסטאָרן קענען ערמעגלעכן סאָפיסטיקירטע אויסציעבאר אָפּטאָעלעקטראָניק.
אויסשטרעקבאַרע טראַנספּאַרענט עלעקטראָניק איז אַ וואַקסנדיק פעלד וואָס האט וויכטיקע אַפּליקאַציעס אין אַוואַנסירטע ביאָינטעגרירטע סיסטעמען (1, 2) ווי אויך די פּאָטענציעל צו אינטעגרירן מיט אויסשטרעקבאַרע אָפּטאָעלעקטראָניק (3, 4) צו פּראָדוצירן סאָפיסטיקירטע ווייכע ראָבאָטיק און דיספּלייז. גראַפֿין ווייזט העכסט געוואונטשענע אייגנשאַפֿטן פון אַטאָמישער גרעב, הויך טראַנספּאַרענץ און הויך קאַנדאַקטיוויטי, אָבער זיין ימפּלאַמענטיישאַן אין אויסשטרעקבאַרע אַפּליקאַציעס איז געווען ינכיבאַטיד דורך זיין טענדענץ צו קראַקס ביי קליינע שפּאַנונגען. איבערקומען די מעכאַנישע לימיטיישאַנז פון גראַפֿין קען געבן נייַע פאַנגקשאַנאַליטי אין אויסשטרעקבאַרע טראַנספּאַרענט דעוויסעס.
די אייגנארטיגע אייגנשאפטן פון גראַפֿען מאַכן עס אַ שטאַרקן קאַנדידאַט פֿאַר דער קומענדיקער דור פון טראַנספּאַרענט קאַנדאַקטיוו עלעקטראָדן (5, 6). קאַמפּערד מיט די מערסט אָפט געניצט טראַנספּאַרענט קאַנדאַקטאָר, ינדיום צין אָקסייד [ITO; 100 אָהמס/קוואַדראַט (קוואדראט) ביי 90% טראַנספּאַרענץ], מאָנאָלייער גראַפֿען געוואקסן דורך כעמישער דאַמף דעפּאַזישאַן (CVD) האט אַ ענלעכע קאָמבינאַציע פון ​​בויגן קעגנשטעל (125 אָהמס/קוואדראט) און טראַנספּאַרענץ (97.4%) (5). אין דערצו, גראַפֿען פילמען האָבן אויסערגעוויינלעכע בייגיקייט קאַמפּערד צו ITO (7). למשל, אויף אַ פּלאַסטיק סאַבסטראַט, זיין קאַנדאַקטאַנס קענען זיין ריטיינד אפילו פֿאַר אַ בייגן ראַדיוס פון קרומונג ווי קליין ווי 0.8 מם (8). צו ווייַטער פֿאַרבעסערן זיין עלעקטרישע פאָרשטעלונג ווי אַ טראַנספּאַרענט פלעקסאַבאַל קאַנדאַקטאָר, פריערדיקע אַרבעטן האָבן דעוועלאָפּעד גראַפֿען כייבריד מאַטעריאַלס מיט איין-דימענשאַנאַל (1D) זילבער נאַנאָוויירז אָדער טשאַד נאַנאָטובעס (CNTs) (9-11). דערצו, גראַפֿען איז געניצט געוואָרן ווי עלעקטראָדן פֿאַר געמישטע דימענסיאָנעלע העטעראָסטרוקטוראַלע האַלב-קאָנדוקטאָרן (אַזאַ ווי 2D בולק סיליציום, 1D נאַנאָדראָטן/נאַנאָטובעס, און 0D קוואַנטום פּונקטן) (12), פלעקסיבלע טראַנזיסטאָרן, זונ - צעלן, און ליכט-עמיטירנדיקע דיאָדן (LEDs) (13-23).
כאָטש גראַפֿען האָט געוויזן פּראָמיסינג רעזולטאַטן פֿאַר פֿלעקסיבלע עלעקטראָניק, איז זײַן אַפּליקאַציע אין אויסשטרעקבאַרע עלעקטראָניק באַגרענעצט געוואָרן דורך זײַנע מעכאַנישע אייגנשאַפֿטן (17, 24, 25); גראַפֿען האָט אַן אין-פּלאַן שטייפֿקייט פֿון 340 N/m און אַ יאָנגס מאָדולוס פֿון 0.5 TPa (26). די שטאַרקע קאַרבאָן-קאַרבאָן נעץ גיט נישט קיין ענערגיע דיסיפּאַציע מעקאַניזמען פֿאַר אַפּליקירטע שפּאַנונג און דעריבער רייסט זיך גרינג בײַ ווייניקער ווי 5% שפּאַנונג. למשל, CVD גראַפֿען טראַנספֿערירט אויף אַ פּאָלידימעטהילסילאָקסאַן (PDMS) עלאַסטישן סאַבסטראַט קען נאָר האַלטן זײַן קאַנדאַקטיוויטי בײַ ווייניקער ווי 6% שפּאַנונג (8). טעאָרעטישע חשבונות ווײַזן אַז קראַמפלינג און ינטערפּליי צווישן פֿאַרשידענע שיכטן זאָל שטאַרק פֿאַרקלענערן די שטייפֿקייט (26). דורך סטאַקינג גראַפֿען אין קייפל שיכטן, ווערט געמאָלדן אַז דאָס צוויי- אָדער דריי-שיכטיקע גראַפֿען איז אויסשטרעקבאַר צו 30% שפּאַנונג, ווײַזנדיק קעגנשטעל ענדערונג 13 מאָל קלענער ווי די פֿון מאָנאָשיכטיקע גראַפֿען (27). אָבער, די אויסשטרעקבאַרקייט איז נאָך באַדײַטנד ערגער צו שטאַט-פון-די-קונסט אויסשטרעקבאַרע קאַנדאַקטאָרן (28, 29).
טראַנזיסטאָרס זענען וויכטיק אין אויסציעבארע אַפּליקאַציעס ווייל זיי ערמעגלעכן סאָפיסטיקירטע סענסאָר אויסלייענונג און סיגנאַל אַנאַליז (30, 31). טראַנזיסטאָרס אויף PDMS מיט מולטילייער גראַפֿען ווי קוואל/דרעין עלעקטראָדעס און קאַנאַל מאַטעריאַל קענען האַלטן עלעקטרישע פֿונקציע ביז 5% שפּאַנונג (32), וואָס איז באַדייטנד אונטער דעם מינימום פארלאנגט ווערט (~50%) פֿאַר טראָגבארע געזונט-מאָניטאָרינג סענסאָרס און עלעקטראָנישע הויט (33, 34). לעצטנס, איז אַ גראַפֿען קיריגאַמי צוגאַנג געוואָרן אויסגעפֿאָרשט, און דער טראַנזיסטאָר וואָס ווערט געצויגן דורך אַ פליסיק עלעקטראָליט קען ווערן אויסגעצויגן ביז 240% (35). אָבער, דעם אופֿן דאַרף סוספּענדירט גראַפֿען, וואָס קאָמפּליצירט דעם פאַבריקאַציע פּראָצעס.
דאָ דערגרייכן מיר העכסט אויסשטרעקבאַרע גראַפֿען דעוויסעס דורך אינטערקאַלירן גראַפֿען סקראָלן (~1 ביז 20 מיקראָמעטער לאַנג, ~0.1 ביז 1 מיקראָמעטער ברייט, און ~10 ביז 100 נאַנאָמעטער הויך) צווישן גראַפֿען שיכטן. מיר פֿאָרשטעלן די היפּאָטעזע אַז די גראַפֿען סקראָלן קענען צושטעלן קאַנדאַקטיווע וועגן צו בריקן ריסן אין די גראַפֿען שיץ, און אַזוי אויפֿהאַלטן אַ הויכע קאַנדאַקטיוויטי אונטער שפּאַנונג. די גראַפֿען סקראָלן דאַרפֿן נישט קיין נאָך סינטעז אָדער פּראָצעס; זיי ווערן נאַטירלעך געשאַפֿן בעת ​​דעם נאַסן טראַנספֿער פּראָצעדור. דורך ניצן מולטישיכטיקע G/G (גראַפֿען/גראַפֿען) סקראָלן (MGGs), גראַפֿען אויסשטרעקבאַרע עלעקטראָדן (מקור/דרעין און גייט) און האַלב-קאַנדאַקטינג CNTs, זענען מיר געווען ביכולת צו דעמאָנסטרירן העכסט טראַנספּאַרענט און העכסט אויסשטרעקבאַרע אַלע-קאַרבאָן טראַנזיסטאָרן, וואָס קענען אויסגעשטרעקט ווערן צו 120% שפּאַנונג (פּאַראַלעל צו דער ריכטונג פֿון אָפּצאָל טראַנספּאָרט) און אויפֿהאַלטן 60% פֿון זייער אָריגינעלן קראַנט רעזולטאַט. דאָס איז דער מערסט אויסשטרעקבאַרער טראַנספּאַרענט קאַרבאָן-באַזירטער טראַנזיסטאָר ביז איצט, און עס גיט גענוג קראַנט צו טרייבן אַן ינאָרגאַנישע LED.
כדי צו ערמעגלעכן גרויס-שטח דורכזעענדיקע אויסציעבארע גראַפֿען עלעקטראָדן, האָבן מיר אויסגעקליבן CVD-געוואַקסענע גראַפֿען אויף קופּער פֿויל. די קופּער פֿויל איז געווען סוספּענדירט אין צענטער פֿון אַ CVD קוואַרץ רער צו דערמעגלעכן דעם וואוקס פֿון גראַפֿען אויף ביידע זייטן, שאַפֿנדיק G/Cu/G סטרוקטורן. צו איבערפֿירן גראַפֿען, האָבן מיר ערשט ספּין-קאָוטעד אַ דין שיכט פֿון פּאָלי(מעטהיל מעטאַקרילאַט) (PMMA) צו באַשיצן איין זייט פֿון גראַפֿען, וואָס מיר האָבן גערופֿן אויבערשטער זייט גראַפֿען (פֿאַרקערט פֿאַר די אַנדערע זייט פֿון גראַפֿען), און דערנאָך איז דער גאַנצער פֿילם (PMMA/אויבערשטער גראַפֿען/Cu/אונטערשטער גראַפֿען) געווען אייַנגעווייקט אין (NH4)2S2O8 לייזונג צו עטש אַוועק די קופּער פֿויל. דער אונטערשטער-זייַטיקער גראַפֿען אָן די PMMA קאָוטינג וועט אומפֿאַרמייַדלעך האָבן ריסן און חסרונות וואָס דערמעגלעכן אַן עטשאַנט צו דורכדרינגען (36, 37). ווי אילוסטרירט אין פֿיגור 1A, אונטער דער ווירקונג פֿון אויבערפֿלאַך שפּאַנונג, האָבן די באַפֿרייטע גראַפֿען דאָמעינען זיך אויפֿגערולט אין סקראָללס און דערנאָך אַטאַטשט צו די איבעריקע אויבערשטע-G/PMMA פֿילם. די טאָפּ-G/G סקראָלס קענען ווערן טראַנספערירט אויף יעדן סאַבסטראַט, אַזאַ ווי SiO2/Si, גלאָז, אָדער ווייכן פּאָלימער. איבערחזרן דעם טראַנספער פּראָצעס עטלעכע מאָל אויף דעם זעלבן סאַבסטראַט גיט MGG סטרוקטורן.
(א) סכעמאטישע אילוסטראציע פון ​​דער פאבריקאציע פראצעדור פאר MGGs אלס אן אויסשטרעקבארע עלעקטראד. בעת דעם גראפען טראנספער, איז די הינטערשטע גראפען אויף קופער פויל צעבראכן געווארן ביי די גרענעצן און חסרונות, צוזאמענגעראלט אין ארביטרארע פארמען, און פעסט צוגעבונדן צו די אויבערשטע פילמען, פארמענדיג נאנאסקראלן. די פערטע קארטון ווייזט די געשטאפלטע MGG סטרוקטור. (ב און ג) הויך-רעזאלוציע TEM כאראקטעריזאציעס פון א מאנאלייער MGG, פאקוסירנדיג אויף די מאנאלייער גראפען (ב) און די סקראל (ג) ראיאן, בהתאמה. די איינלייג פון (ב) איז א נידעריג-פארגרעסערונג בילד וואס ווייזט די אלגעמיינע מארפאלאגיע פון ​​מאנאלייער MGGs אויף די TEM גריד. איינלייגונגען פון (ג) זענען די אינטענסיטעט פראפיילן גענומען צוזאמען די רעכטעקיקע קעסטלעך אנגעצייכנט אין בילד, וואו די דיסטאנצן צווישן די אטאמישע פלאכן זענען 0.34 און 0.41 נ"מ. (ד) קארבאן K-עדזש EEL ספעקטרום מיט די כאראקטעריסטישע גראפיטישע π* און σ* שפיצן באצייכנט. (ה) סעקציאנאל AFM בילד פון מאנאלייער G/G סקראלן מיט א הייך פראפיל צוזאמען די געלע פונקטירטע ליניע. (F צו I) אָפּטישע מיקראָסקאָפּיע און AFM בילדער פון דריי-שיכטן G אָן (F און H) און מיט סקראָללס (G און I) אויף 300-נאַנאָמעטער-דיקע SiO2/Si סאַבסטראַטן, ריספּעקטיוולי. רעפּרעזענטאַטיווע סקראָללס און רינגקאַלז זענען געווען באַצייכנט צו הויכפּונקט זייערע אונטערשיידן.
כדי צו באשטעטיגן אז די סקראָולס זענען אין נאטור פון א געראלטן גראַפֿין, האבן מיר דורכגעפירט הויך-רעזאָלוציע טראַנסמיסיע עלעקטראָן מיקראָסקאָפּיע (TEM) און עלעקטראָן ענערגיע פארלוסט (EEL) ספּעקטראָסקאָפּיע שטודיעס אויף די מאָנאָלייער טאָפּ-G/G סקראָול סטרוקטורן. פיגור 1B ווייזט די העקסאַגאָנאַלע סטרוקטור פון א מאָנאָלייער גראַפֿין, און די אינסעט איז אן אלגעמיינע מאָרפֿאָלאָגיע פון ​​דעם פֿילם באדעקט אויף אן איינציקן קאַרבאָן לאָך פון די TEM גריד. דער מאָנאָלייער גראַפֿין שפּאַנט רובֿ פון די גריד, און עטלעכע גראַפֿין פלאַקעס אין דער אנוועזנהייט פון קייפל סטאַקס פון העקסאַגאָנאַלע רינגען דערשייַנען (פיגור 1B). דורך זומען אין אן אינדיווידועלן סקראָול (פיגור 1C), האבן מיר באמערקט א גרויסע צאָל גראַפֿין גיטער פֿראַנצן, מיט די גיטער ספּייסינג אין די קייט פון 0.34 צו 0.41 נם. די מעסטונגען פֿאָרשלאָגן אז די פלאַקעס זענען ראַנדאָם אויפגעראלטן און זענען נישט פּערפֿעקטע גראַפֿיט, וואָס האט א גיטער ספּייסינג פון 0.34 נם אין "ABAB" שיכט סטאַקינג. פיגור 1D ווייזט דעם קוילן-קעי-עדזש EEL ספעקטרום, וואו דער שפּיץ ביי 285 eV שטאַמט פונעם π* אָרביטאַל און דער אַנדערער ביי אַרום 290 eV איז צוליב דעם איבערגאַנג פונעם σ* אָרביטאַל. מען קען זען אַז sp2 פֿאַרבינדונג דאָמינירט אין דער סטרוקטור, וואָס באַשטעטיקט אַז די סקראָלס זענען שטאַרק גראַפֿיטיש.
אָפּטישע מיקראָסקאָפּיע און אַטאָמישע קראַפט מיקראָסקאָפּיע (AFM) בילדער געבן אַן איבערבליק איבער דער פאַרשפּרייטונג פון גראַפֿען נאַנאָסקראָלס אין די MGGs (פיגור 1, E ביז G, און פיגורן S1 און S2). די סקראָלס זענען ראַנדאָם פאַרשפּרייט איבער דער ייבערפלאַך, און זייער אין-פּלאַן געדיכטקייט וואַקסט פּראָפּאָרציאָנעל צו דער צאָל פון סטאַקט לייַערס. פילע סקראָלס זענען פאַרפּלאָנטערט אין קנופּן און ווייַזן ניט-איינהייטלעכע כייץ אין די קייט פון 10 צו 100 נם. זיי זענען 1 צו 20 מיקראָמעטער לאַנג און 0.1 צו 1 מיקראָמעטער ברייט, דיפּענדינג אויף די גרייסן פון זייערע ערשט גראַפֿען פלאַקעס. ווי געוויזן אין פיגור 1 (H און I), די סקראָלס האָבן באַדייטנד גרעסערע גרייסן ווי די רינגקאַלז, וואָס פירט צו אַ פיל גראָבער צובינד צווישן גראַפֿען לייַערס.
כדי צו מעסטן די עלעקטרישע אייגנשאפטן, האבן מיר געמוסטערט גראַפֿין פֿילמען מיט אָדער אָן סקראָל סטרוקטורן און שיכטן סטאַקינג אין 300-μm-ברייט און 2000-μm-לאַנג סטריפּס ניצנדיק פֿאָטאָליטהאָגראַפי. צוויי-פּראָוב קעגנשטעלן ווי אַ פֿונקציע פֿון שפּאַנונג זענען געמאָסטן אונטער אַמביאַנט באדינגונגען. די בייַזייַן פֿון סקראָללס האט רידוסט די קעגנשטעל פֿאַר מאָנאָלייער גראַפֿין מיט 80% מיט בלויז אַ 2.2% פאַרקלענערונג אין די טראַנסמיטאַנס (פיג. S4). דאָס באַשטעטיקט אַז נאַנאָסקראָללס, וואָס האָבן אַ הויך קראַנט געדיכטקייט ביז 5 × 107 A/cm2 (38, 39), מאַכן אַ זייער positive עלעקטרישע בייַשטייַער צו די MGGs. צווישן אַלע די מאָנאָ-, ביי-, און טריילייער פּשוט גראַפֿין און MGGs, די טריילייער MGG האט די בעסטע קאַנדאַקטאַנס מיט אַ טראַנספּעראַנסי פון כּמעט 90%. צו פארגלייכן מיט אנדערע קוועלער פון גראַפֿען וואָס ווערן באריכטעט אין דער ליטעראַטור, האָבן מיר אויך געמאָסטן פיר-פּראָבע בויגן קעגנשטעלן (פיגור S5) און זיי אויסגערעכנט ווי אַ פֿונקציע פון ​​טראַנסמיטאַנס ביי 550 נם (פיגור S6) אין פיגור 2A. MGG ווייזט פאַרגלייַכבאַרע אָדער העכערע קאַנדאַקטיוויטי און טראַנספּעראַנס ווי קינסטלעך געשטאַקלט מערפאַכיקע פּשוטע גראַפֿען און רידוסטע גראַפֿען אָקסייד (RGO) (6, 8, 18). באַמערקט אַז די בויגן קעגנשטעלן פון קינסטלעך געשטאַקלט מערפאַכיקע פּשוטע גראַפֿען פון ליטעראַטור זענען אַ ביסל העכער ווי די פון אונדזער MGG, מסתּמא צוליב זייערע נישט-אָפּטימיזירטע וואוקס באדינגונגען און טראַנספֿער מעטאָד.
(א) פיר-פּראָבע בויגן קעגנשטעלן קעגן טראַנסמיטאַנס ביי 550 נאַנאָמעטער פֿאַר עטלעכע טייפּס פון גראַפֿען, וואו שוואַרצע קוואַדראַטן באַצייכענען מאָנאָ-, ביי- און דריי-שיכטיקע MGGs; רויטע קרייזן און בלויע דרייעקן קאָרעספּאָנדירן מיט מערשיכטיקע פּשוטע גראַפֿען געוואַקסן אויף Cu און Ni פֿון די שטודיעס פֿון Li et al. (6) און Kim et al. (8), ריספּעקטיוולי, און דערנאָך טראַנספֿערירט אויף SiO2/Si אָדער קוואַרץ; און גרינע דרייעקן זענען ווערטן פֿאַר RGO ביי פֿאַרשידענע רעדוצירן גראַדן פֿון דער שטודיע פֿון Bonaccorso et al. (18). (ב און ג) נאָרמאַליזירטע קעגנשטעל ענדערונג פֿון מאָנאָ-, ביי- און דריי-שיכטיקע MGGs און G ווי אַ פֿונקציע פֿון פּערפּענדיקולאַרער (ב) און פּאַראַלעלער (ג) שפּאַנונג צו דער ריכטונג פֿון קראַנט פֿלוס. (ד) נאָרמאַליזירטע קעגנשטעל ענדערונג פֿון ביי-שיכטיקע G (רויט) און MGG (שוואַרץ) אונטער ציקלישע שפּאַנונג לאָודינג ביז 50% פּערפּענדיקולאַרער שפּאַנונג. (ה) נאָרמאַליזירטע קעגנשטעל ענדערונג פֿון דריי-שיכטיקע G (רויט) און MGG (שוואַרץ) אונטער ציקלישע שפּאַנונג לאָודינג ביז 90% פּאַראַלעלער שפּאַנונג. (F) נאָרמאַליזירטע קאַפּאַסיטאַנס ענדערונג פון מאָנאָ-, ביי- און דריי-שיכט G און ביי- און דריי-שיכט MGGs ווי אַ פונקציע פון ​​שפּאַנונג. די אינסעט איז די קאַפּאַסיטאַן סטרוקטור, וואו די פּאָלימער סאַבסטראַט איז SEBS און די פּאָלימער דיעלעקטרישע שיכט איז די 2-μm-דיק SEBS.
כדי צו אפשאצן די שפּאַנונג-אָפּהענגיקע פאָרשטעלונג פון די MGG, האָבן מיר טראַנספערירט גראַפֿען אויף טערמאָפּלאַסטיק עלאַסטאָמער סטירען-עטאַלין-בוטאַדין-סטירען (SEBS) סאַבסטראַטן (~2 סענטימעטער ברייט און ~5 סענטימעטער לאַנג), און די קאַנדאַקטיוויטי איז געמאָסטן ווען דער סאַבסטראַט איז געווען אויסגעצויגן (זען מאַטעריאַלן און מעטאָדן) ביידע פּערפּענדיקולאַר און פּאַראַלעל צו דער ריכטונג פון קראַנט לויפן (פיגור 2, B און C). די שפּאַנונג-אָפּהענגיקע עלעקטרישע נאַטור האָט זיך פֿאַרבעסערט מיטן אײַנפֿירן פֿון נאַנאָסקראָלס און פֿאַרגרעסערן די צאָל גראַפֿען שיכטן. למשל, ווען די שפּאַנונג איז פּערפּענדיקולאַר צו קראַנט לויפן, פֿאַר מאָנאָלייער גראַפֿען, האָט די צוגאב פֿון סקראָלס פֿאַרגרעסערט די שפּאַנונג בײַ עלעקטרישער ברייקידזש פֿון 5 ביז 70%. די שפּאַנונג טאָלעראַנץ פֿון די טרילייער גראַפֿען איז אויך באַדײַטנד פֿאַרבעסערט קאַמפּערד מיט די מאָנאָלייער גראַפֿען. מיט נאַנאָסקראָלס, בײַ 100% פּערפּענדיקולאַר שפּאַנונג, איז די קעגנשטעל פֿון די טרילייער MGG סטרוקטור בלויז געוואַקסן מיט 50%, אין פֿאַרגלײַך מיט 300% פֿאַר טרילייער גראַפֿען אָן סקראָלס. קעגנשטעל ענדערונג אונטער ציקלישע שפּאַנונג לאָודינג איז געווען אויסגעפֿאָרשט. צום פארגלייך (פיגור 2D), די קעגנשטאנדן פון א פשוטן ביילייער גראפען פילם האבן זיך פארגרעסערט בערך 7.5 מאל נאך ~700 ציקלען ביי 50% פערפענדיקולארער שפּאַנונג און האבן זיך געהאלטן פארגרעסערן מיט שפּאַנונג אין יעדן ציקל. פון דער אנדערער זייט, די קעגנשטאנד פון א ביילייער MGG האט זיך נאר פארגרעסערט בערך 2.5 מאל נאך ~700 ציקלען. ווען מען האט אנגעווענדעט ביז 90% שפּאַנונג אין דער פאראלעלער ריכטונג, האט די קעגנשטאנד פון דריי-לייער גראפען זיך פארגרעסערט ~100 מאל נאך 1000 ציקלען, משא"כ עס איז נאר ~8 מאל אין א דריי-לייער MGG (פיגור 2E). ציקל רעזולטאטן ווערן געוויזן אין פיגור S7. די רעלאטיוו שנעלערע פארגרעסערונג אין קעגנשטאנד אין דער פאראלעלער שפּאַנונג ריכטונג איז ווייל די אריענטאציע פון ​​ריסן איז פערפענדיקולאר צו דער ריכטונג פון שטראָם פלוס. די אפווייכונג פון קעגנשטאנד בעת לאודן און אפלאדן שפּאַנונג איז צוליב דער וויסקאָעלאַסטישער אָפּזוך פון SEBS עלאַסטאָמער סאַבסטראַט. די מער סטאַבילע קעגנשטאנד פון די MGG סטריפּס בעת ציקל איז צוליב דער אנוועזנהייט פון גרויסע סקראָלס וואָס קענען בריקן די געריסענע טיילן פון דעם גראפען (ווי באמערקט דורך AFM), וואָס העלפט צו האַלטן אַ פּערקאָלירנדיקן וועג. די דערשיינונג פון אויפהאלטן קאנדוקטיוויטעט דורך א פערקאלירנדיקן וועג איז שוין פריער באריכטעט געווארן פאר געריסענע מעטאל אדער האלב-קאנדוקטאר פילמען אויף עלאסטאמער סובסטראטן (40, 41).
כדי צו אפשאצן די גראַפֿען-באַזירטע פֿילמען ווי גייט עלעקטראָדן אין אויסשטרעקבאַרע דעוויסעס, האָבן מיר באַדעקט די גראַפֿען שיכט מיט אַ SEBS דיעלעקטרישער שיכט (2 מיקראָמעטער דיק) און מאָניטאָרירט די דיעלעקטרישע קאַפּאַסיטאַנס ענדערונג ווי אַ פֿונקציע פֿון שפּאַנונג (זען פֿיגור 2F און די סאַפּלעמענטאַרי מאַטעריאַלן פֿאַר פרטים). מיר האָבן באמערקט אַז קאַפּאַסיטאַנסן מיט פּשוטע מאָנאָלייער און ביילייער גראַפֿען עלעקטראָדן האָבן זיך שנעל פֿאַרקלענערט צוליב דעם פֿאַרלוסט פֿון אין-פּלאַן קאַנדאַקטיוויטי פֿון גראַפֿען. אין קאַנטראַסט, קאַפּאַסיטאַנסן גייטעד דורך MGGs ווי אויך פּשוטע טרילייער גראַפֿען האָבן געוויזן אַ פאַרגרעסערונג פֿון קאַפּאַסיטאַנס מיט שפּאַנונג, וואָס איז געריכט צוליב רעדוקציע אין דיעלעקטרישער גרעב מיט שפּאַנונג. די געריכטע פאַרגרעסערונג אין קאַפּאַסיטאַנס האָט זיך זייער גוט געפּאַסט מיט דער MGG סטרוקטור (פֿיגור S8). דאָס ווײַזט אַז MGG איז פּאַסיק ווי אַ גייט עלעקטראָד פֿאַר אויסשטרעקבאַרע טראַנזיסטאָרן.
כדי ווייטער אויסצופארשן די ראלע פון ​​די 1D גראַפֿין סקראָלל אויף די שפּאַנונג טאָלעראַנץ פון עלעקטרישע קאַנדאַקטיוויטי און בעסער קאָנטראָלירן די צעשיידונג צווישן גראַפֿין לייַערס, האָבן מיר גענוצט שפּריץ-קאָוטעד CNTs צו פאַרבייַטן די גראַפֿין סקראָלס (זען סאַפּלעמענטאַרי מאַטעריאַלס). צו נאָכמאַכן MGG סטרוקטורן, האָבן מיר דעפּאַזיטירט דריי געדיכטקייטן פון CNTs (דאָס הייסט, CNT1
(A ביז C) AFM בילדער פון דריי פֿאַרשידענע געדיכטקייטן פון CNTs (CNT1
כדי ווייטער צו פארשטיין זייער מעגלעכקייט אלס עלעקטראדן פאר אויסשטרעקבארע עלעקטראניק, האבן מיר סיסטעמאטיש אויסגעפארשט די מארפאלאגיעס פון MGG און G-CNT-G אונטער שפּאַנונג. אפּטישע מיקראָסקאָפּיע און סקאַנינג עלעקטראָן מיקראָסקאָפּיע (SEM) זענען נישט עפעקטיווע כאַראַקטעריזאַציע מעטאָדן ווייל ביידע פעלט קאָליר קאָנטראַסט און SEM איז אונטערטעניק צו בילד אַרטיפאַקץ בעת עלעקטראָן סקאַנינג ווען גראַפֿען איז אויף פּאָלימער סאַבסטראַטן (פיג. S9 און S10). כדי צו באַאָבאַכטן אין סיטו די גראַפֿען ייבערפלאַך אונטער שפּאַנונג, האבן מיר געזאמלט AFM מעסטונגען אויף דריי-שיכטיקע MGGs און פּשוטע גראַפֿען נאָך טראַנספֿערירן אויף זייער דין (~0.1 מם דיק) און עלאַסטישע SEBS סאַבסטראַטן. צוליב די אינטרינסישע חסרונות אין CVD גראַפֿען און עקסטרינסישע שעדיקן בעת ​​דעם טראַנספֿער פּראָצעס, ווערן ריסן אומפארמיידלעך דזשענערירט אויף דעם געשפּאַנטן גראַפֿען, און מיט דער וואַקסנדיקער שפּאַנונג, ווערן די ריסן געדיכטער (פיג. 4, A ביז D). דעפּענדינג אויף דער סטאַקינג סטרוקטור פון די קאַרבאָן-באַזירטע עלעקטראָדן, ווייַזן די ריסן פאַרשידענע מארפאלאגיעס (פיג. S11) (27). די ריס שטח געדיכטקייט (דעפינירט אלס ריס שטח/אנאליזירטע שטח) פון מערפאכיגע גראַפֿען איז ווייניגער ווי די פון מאָנאָשייער גראַפֿען נאָך שפּאַנונג, וואָס איז קאָנסיסטענט מיט דער פאַרגרעסערונג אין עלעקטרישער קאַנדאַקטיוויטי פֿאַר MGGs. אויף דער אַנדערער האַנט, ווערן סקראָלס אָפט באמערקט צו בריקן די ריסן, פּראַוויידינג נאָך קאַנדאַקטיוו פּאַטווייז אין די געשפּאַנטע פילם. למשל, ווי באַצייכנט אין דעם בילד פון פיג. 4B, אַ ברייט סקראָל האָט אַריבערגעגאַנגען אַ ריס אין די דריישייער MGG, אָבער קיין סקראָל איז נישט באמערקט געוואָרן אין די פּשוטע גראַפֿען (פיג. 4, E צו H). ענלעך, CNTs האָבן אויך בריקן די ריסן אין גראַפֿען (פיג. S11). די ריס שטח געדיכטקייט, סקראָל שטח געדיכטקייט, און ראַפנאַס פון די פילמען זענען סאַמערייזד אין פיג. 4K.
(A ביז H) אין סיטו AFM בילדער פון דריי-שיכטיקע G/G סקראָלס (A ביז D) און דריי-שיכטיקע G סטרוקטורן (E ביז H) אויף א זייער דין SEBS (~0.1 מ"מ דיק) עלאַסטאָמער ביי 0, 20, 60, און 100% שפּאַנונג. רעפּרעזענטאַטיווע ריסן און סקראָלס זענען געוויזן מיט פײַלן. אַלע AFM בילדער זענען אין אַ שטח פון 15 מיקראָמעטער × 15 מיקראָמעטער, ניצנדיק די זעלבע קאָליר סקאַלע באַר ווי באַצייכנט. (I) סימולאַציע געאָמעטריע פון ​​געמוסטערטע מאָנאָשיכטיקע גראַפֿין עלעקטראָדן אויף די SEBS סאַבסטראַט. (J) סימולאַציע קאָנטור מאַפּע פון ​​די מאַקסימאַלע הויפּט לאָגאַריטמישע שפּאַנונג אין די מאָנאָשיכטיקע גראַפֿין און די SEBS סאַבסטראַט ביי 20% עקסטערנאַל שפּאַנונג. (K) פאַרגלייַך פון ריס שטח געדיכטקייט (רויטע זייל), סקראָל שטח געדיכטקייט (געלע זייל), און ייבערפלאַך ראַפנאַס (בלוי זייל) פֿאַר פאַרשידענע גראַפֿין סטרוקטורן.
ווען די MGG פילמען ווערן אויסגעצויגן, איז דא א וויכטיגער צוגאב מעכאניזם אז די סקראלס קענען איבערבריקן געריסענע געגנטן פון גראפען, און אויפהאלטן א דורכדרינגענדיקע נעץ. די גראפען סקראלס זענען פארשפרעכנדיק ווייל זיי קענען זיין צענדליגער מיקראמעטערס אין לענג און דעריבער קענען זיי איבערבריקן ריסן וואס זענען טיפיש ביז א מיקראמעטער סקאלע. דערצו, ווייל די סקראלס באשטייען פון פארשידענע שיכטן פון גראפען, ווערט ערווארטעט אז זיי וועלן האבן א נידריגע קעגנשטאנד. אין פארגלייך, זענען רעלאטיוו געדיכטע (נידעריגער טראנסמיטענס) CNT נעטוואורקס נויטיג צו צושטעלן א פארגלייכבארע קאנדוקטיוו בריקן מעגלעכקייט, ווייל CNTs זענען קלענער (טיפיש א פאר מיקראמעטערס אין לענג) און ווייניגער קאנדוקטיוו ווי סקראלס. פון דער אנדערער זייט, ווי געוויזן אין פיגור S12, בשעת דער גראפען רייסט זיך בעת'ן אויסציען צו אקאמאדירן שפּאַנונג, רייסן די סקראלס זיך נישט, וואס ווייזט אז די לעצטערע קען גליטשן אויף'ן אונטערלייגנדיקן גראפען. די סיבה פארוואס זיי רייסן נישט איז מסתּמא צוליב דער צוזאמענגעראלטענער סטרוקטור, צוזאמענגעשטעלט פון פילע שיכטן פון גראַפֿען (~1 ביז 20 מיקראָמעטער לאַנג, ~0.1 ביז 1 מיקראָמעטער ברייט, און ~10 ביז 100 נאַנאָמעטער הויך), וואָס האט אַ העכערן עפעקטיוון מאָדולוס ווי דער איין-שיכטיקער גראַפֿען. ווי געמאָלדן דורך גרין און הערסאַם (42), קענען מעטאַלישע CNT נעטוואָרקס (רער דיאַמעטער פון 1.0 נאַנאָמעטער) דערגרייכן נידעריקע בויגן קעגנשטעלן <100 אָום/קוואדראט טראָץ דעם גרויסן קנופּ קעגנשטעל צווישן CNTs. באַטראַכטנדיק אַז אונדזערע גראַפֿען סקראָלן האָבן ברייטן פון 0.1 ביז 1 מיקראָמעטער און אַז די G/G סקראָלן האָבן פיל גרעסערע קאָנטאַקט געביטן ווי CNTs, זאָל דער קאָנטאַקט קעגנשטעל און קאָנטאַקט געגנט צווישן גראַפֿען און גראַפֿען סקראָלן נישט זיין לימיטירנדיקע פאַקטאָרן צו האַלטן הויך קאַנדאַקטיוויטי.
דער גראַפֿען האט אַ פיל העכערן מאָדולוס ווי דער SEBS סאַבסטראַט. כאָטש די עפֿעקטיווע גרעב פֿון דעם גראַפֿען עלעקטראָד איז פיל נידעריגער ווי יענע פֿון דעם סאַבסטראַט, איז די שטייפֿקייט פֿון דעם גראַפֿען מאָל זײַן גרעב פֿאַרגלײַכלעך צו יענע פֿון דעם סאַבסטראַט (43, 44), וואָס רעזולטירט אין אַ מיטלמעסיקן שטייף-אינזל עפֿעקט. מיר האָבן סימולירט די דעפֿאָרמאַציע פֿון אַ 1-נאַנאָמעטער-דיקן גראַפֿען אויף אַ SEBS סאַבסטראַט (זעט סאַפּלעמענטאַרי מאַטעריאַלן פֿאַר פרטים). לויט די סימולאַציע רעזולטאַטן, ווען 20% שפּאַנונג ווערט אַפּליצירט צו דעם SEBS סאַבסטראַט פֿון אויסן, איז די דורכשניטלעכע שפּאַנונג אין דעם גראַפֿען ~6.6% (פֿיג. 4J און פֿיג. S13D), וואָס איז קאָנסיסטענט מיט עקספּערימענטאַלע אָבסערוואַציעס (זעט פֿיג. S13). מיר האָבן פֿאַרגליכן די שפּאַנונג אין די געמוסטערטע גראַפֿען און סאַבסטראַט געגנטן מיט אָפּטישע מיקראָסקאָפּיע און געפֿונען אַז די שפּאַנונג אין דעם סאַבסטראַט געגנט איז לפּחות צוויי מאָל די שפּאַנונג אין דעם גראַפֿען געגנט. דאָס ווײַזט אַז די שפּאַנונג אַפּליצירט אויף גראַפֿען עלעקטראָד מוסטערן קען זײַן באַדײַטנדיק באַגרענעצט, פֿאָרמענדיק גראַפֿען שטייפֿע אינזלען אויף שפּיץ פֿון SEBS (26, 43, 44).
דעריבער, די מעגלעכקייט פון MGG עלעקטראָדן צו האַלטן הויך קאַנדאַקטיוויטי אונטער הויך שפּאַנונג איז מסתּמא ענייבאַלד דורך צוויי הויפּט מעханіזמען: (i) די סקראָולז קענען בריקן דיסקאַנעקטיד געביטן צו האַלטן אַ קאַנדאַקטיוו פּערקאָלאַטיאָן פּאַטוויי, און (ii) די מולטישיכטיקע גראַפֿין שיץ/עלאַסטאָמער קען גליטשן איבער יעדער אנדערער, ​​ריזאַלטינג אין רידוסט שפּאַנונג אויף גראַפֿין עלעקטראָדן. פֿאַר קייפל שיכטן פון טראַנספערד גראַפֿין אויף עלאַסטאָמער, די שיכטן זענען נישט שטאַרק אַטאַטשט מיט יעדער אנדערער, ​​וואָס קען גליטשן אין ענטפער צו שפּאַנונג (27). די סקראָולז אויך געוואקסן די ראַפנאַס פון די גראַפֿין שיכטן, וואָס קען העלפֿן צו פאַרגרעסערן די צעשיידונג צווישן גראַפֿין שיכטן און דעריבער ענייבאַלד די גליטשן פון די גראַפֿין שיכטן.
אל-קוילנשטאָף דעוויסעס ווערן ענטוזיאַסטיש נאָכגעפאָלגט צוליב נידעריקע קאָסטן און הויכע דורכפלוס. אין אונדזער פאַל, אל-קוילנשטאָף טראַנזיסטאָרן זענען פאַבריצירט געוואָרן מיט אַ דנאָ גראַפֿען גייט, אַ שפּיץ גראַפֿען מקור/דרעין קאָנטאַקט, אַ סאָרטירט CNT האַלב-קאָנדוקטאָר, און SEBS ווי אַ דיעלעקטריק (פיגור 5A). ווי געוויזן אין פיגור 5B, אַ אל-קוילנשטאָף דעוויסעס מיט CNTs ווי די מקור/דרעין און גייט (אונטערשטער דעוויסעס) איז מער אָופּאַק ווי די דעוויסעס מיט גראַפֿען עלעקטראָדן (אויבערשטער דעוויסעס). דאָס איז ווייַל CNT נעטוואָרקס דאַרפן גרעסערע גרעב און, דעריבער, נידעריקער אָפּטישע טראַנסמיטאַנסעס צו דערגרייכן בויגן קעגנשטעל ענלעך צו יענע פון ​​גראַפֿען (פיגור S4). פיגור 5 (C און D) ווייזט רעפּרעזענטאַטיווע אַריבערפירן און אַוטפּוט קורוועס איידער שפּאַנונג פֿאַר אַ טראַנזיסטאָר געמאכט מיט ביילייער MGG עלעקטראָדן. די קאַנאַל ברייט און לענג פון די אַנספּיינד טראַנזיסטאָר זענען געווען 800 און 100 μm, ריספּעקטיוולי. די געמאָסטן אויף/אויס פאַרהעלטעניש איז גרעסער ווי 103 מיט אויף און אויס קעראַנץ אין די לעוועלס פון 10−5 און 10−8 A, ריספּעקטיוולי. די אויסגאַנג קורווע ווייזט אידעאַלע לינעאַרע און זעטיקונג רעזשים מיט קלאָרער גייט-וואָולטידזש אָפּהענגיקייט, וואָס ווײַזט אויף אידעאַלן קאָנטאַקט צווישן CNTs און גראַפֿין עלעקטראָדן (45). דער קאָנטאַקט קעגנשטעל מיט גראַפֿין עלעקטראָדן איז באמערקט געוואָרן צו זײַן נידעריקער ווי מיט פֿאַרדאַמפּטער Au פֿילם (זען בילד S14). די זעטיקונג מאָביליטעט פֿון דעם אויסציעבארן טראַנזיסטאָר איז בערך 5.6 cm2/Vs, ענלעך צו דער פֿון די זעלבע פּאָלימער-סאָרטירטע CNT טראַנזיסטאָרן אויף שטרענגע Si סאַבסטראַטן מיט 300-nm SiO2 ווי אַ דיעלעקטרישער שיכט. ווײַטערדיקע פֿאַרבעסערונג אין מאָביליטעט איז מעגלעך מיט אָפּטימיזירטער רער געדיכטקייט און אַנדערע טיפּן רערן (46).
(א) סכעמע פון ​​גראַפֿען-באַזירטן אויסציעבארן טראַנזיסטאָר. SWNTs, איין-וואַנטיקע קאַרבאָן נאַנאָטובעס. (ב) פאָטאָ פון די אויסציעבארע טראַנזיסטאָרן געמאַכט פון גראַפֿען עלעקטראָדן (אויבן) און CNT עלעקטראָדן (אונטן). דער אונטערשייד אין טראַנספּאַרענץ איז קלאָר באַמערקבאַר. (C און D) טראַנספֿער און אַוטפּוט קורוועס פון דעם גראַפֿען-באַזירטן טראַנזיסטאָר אויף SEBS איידער שפּאַנונג. (E און F) טראַנספֿער קורוועס, אָן און אויס קראַנט, אָן/אויס פאַרהעלטעניש, און מאָביליטי פון דעם גראַפֿען-באַזירטן טראַנזיסטאָר ביי פאַרשידענע שפּאַנונגען.
ווען דער דורכזיכטיגער, אל-קוילנשטאָף מיטל איז אויסגעצויגן געוואָרן אין דער ריכטונג פּאַראַלעל צו דער לאַדונג טראַנספּאָרט ריכטונג, איז מינימאַל דעגראַדאַציע באמערקט געוואָרן ביז 120% שפּאַנונג. בעתן אויסציען, איז די מאָביליטעט קאָנטינויִערלעך געפֿאַלן פֿון 5.6 cm2/Vs ביי 0% שפּאַנונג צו 2.5 cm2/Vs ביי 120% שפּאַנונג (פֿיג. 5F). מיר האָבן אויך פֿאַרגליכן די טראַנזיסטאָר פאָרשטעלונג פֿאַר פֿאַרשידענע קאַנאַל לענגקטס (זען טאַבעלע S1). באַמערקענסווערט, ביי אַ שפּאַנונג אַזוי גרויס ווי 105%, האָבן אַלע די טראַנזיסטאָרן נאָך אַלץ אויסגעשטעלט אַ הויכן אָן/אויס פאַרהעלטעניש (>103) און מאָביליטעט (>3 cm2/Vs). אין דערצו, האָבן מיר צוזאַמענגעפֿאַסט אַלע די לעצטע אַרבעט אויף אל-קוילנשטאָף טראַנזיסטאָרן (זען טאַבעלע S2) (47–52). דורך אָפּטימיזירן מיטל פאַבריקאַציע אויף עלאַסטאָמערן און ניצן MGGs ווי קאָנטאַקטן, ווייַזן אונדזער אל-קוילנשטאָף טראַנזיסטאָרן גוטע פאָרשטעלונג אין טערמינען פֿון מאָביליטעט און היסטערעזיס, ווי אויך זייער אויסציעבאר.
אלס אן אנווענדונג פון דעם גאָר טראַנספּאַרענטן און אויסציעבארן טראַנזיסטאָר, האָבן מיר עס גענוצט צו קאָנטראָלירן די סוויטשינג פון אַן LED (פיגור 6A). ווי געוויזן אין פיגור 6B, קען מען קלאָר זען די גרינע LED דורך דעם אויסציעבארן אַל-קאַרבאָן אַפּאַראַט וואָס איז געשטעלט גלייך אויבן. בשעת עס ווערט אויסגעצויגן צו ~100% (פיגור 6, C און D), ענדערט זיך די LED ליכט אינטענסיטעט נישט, וואָס איז קאָנסיסטענט מיט דער טראַנזיסטאָר פאָרשטעלונג וואָס איז באַשריבן אויבן (זען פֿילם S1). דאָס איז דער ערשטער באַריכט פון אויסציעבארע קאָנטראָל אַפּאַראַטן געמאַכט מיט גראַפֿין עלעקטראָדן, וואָס דעמאָנסטרירט אַ נייע מעגלעכקייט פֿאַר גראַפֿין אויסציעבארע עלעקטראָניק.
(א) קרייז פון א טראַנזיסטאָר צו טרייבן LED. GND, גראַונד. (ב) פאָטאָ פון דעם אויסציעבארן און טראַנספּאַרענטן גאַנצן-קאַרבאָן טראַנזיסטאָר ביי 0% שפּאַנונג מאָנטירט איבער אַ גרינעם LED. (C) דער גאַנצן-קאַרבאָן טראַנספּאַרענטער און אויסציעבארן טראַנזיסטאָר געניצט צו באַשטימען דעם LED ווערט מאָנטירט איבער דעם LED ביי 0% (לינקס) און ~100% שפּאַנונג (רעכטס). ווייסע פייַלן ווײַזן ווי די געלע מאַרקערס אויף דעם מיטל צו ווײַזן די דיסטאַנץ ענדערונג ווען מען ציט זיך. (ד) זײַטיקער בליק פון דעם אויסגעצויגענעם טראַנזיסטאָר, מיטן LED אַרײַנגעשטופּט אין דעם עלאַסטאָמער.
אין מסקנא, מיר האבן אנטוויקלט א דורכזעענדיקע קאנדוקטיוו גראַפֿין סטרוקטור וואָס האַלט הויכע קאנדוקטיוויטעט אונטער גרויסע שפּאַנונגען ווי אויסצושטרעקבאַרע עלעקטראָדן, מעגלעך געמאַכט דורך גראַפֿין נאַנאָסקראָלס צווישן געשטאַפּלטע גראַפֿין שיכטן. די ביי- און דריי-שיכטיקע MGG עלעקטראָד סטרוקטורן אויף אַן עלאַסטאָמער קענען האַלטן 21 און 65%, ריספּעקטיוולי, פון זייער 0% שפּאַנונג קאנדוקטיוויטעטן ביי אַ שפּאַנונג אַזוי הויך ווי 100%, קאַמפּערד צו גאַנץ אָנווער פון קאנדוקטיוויטעט ביי 5% שפּאַנונג פֿאַר טיפּיש מאָנאָשיכטיקע גראַפֿין עלעקטראָדן. די נאָך קאנדוקטיוו וועגן פון גראַפֿין סקראָולס ווי געזונט ווי די שוואַכע ינטעראַקציע צווישן די טראַנספֿערירטע שיכטן ביישטייערן צו די העכערע קאנדוקטיוויטעט פעסטקייט אונטער שפּאַנונג. מיר האבן ווייטער געווענדט די גראַפֿין סטרוקטור צו פאַבריצירן אַלע-קאַרבאָן אויסצושטרעקבאַרע טראַנזיסטאָרן. ביז איצט, דאָס איז דער מערסט אויסצושטרעקבאַרער גראַפֿין-באַזירטער טראַנזיסטאָר מיט דער בעסטער טראַנספּעראַנסי אָן ניצן בוקלינג. כאָטש די איצטיקע שטודיע איז דורכגעפֿירט צו געבן גראַפֿין די מעגלעכקייט פֿאַר אויסצושטרעקבאַרע עלעקטראָניק, גלויבן מיר אַז דעם צוגאַנג קען זיין אויסגעברייטערט צו אנדערע 2D מאַטעריאַלן צו געבן מעגלעכקייט אויסצושטרעקבאַרע 2D עלעקטראָניק.
גרויס-שטח CVD גראַפֿען איז געוואַקסן אויף סוספּענדירטע קופּער פאָליעס (99.999%; Alfa Aesar) אונטער אַ קאָנסטאַנטן דרוק פֿון 0.5 mtorr מיט 50–SCCM (סטאַנדאַרט קוביק סענטימעטער פּער מינוט) CH4 און 20–SCCM H2 ווי פֿאָרגייער ביי 1000°C. ביידע זייטן פֿון דער קופּער פאָליע זענען באַדעקט געוואָרן מיט מאָנאָלייער גראַפֿען. אַ דין שיכט פֿון PMMA (2000 rpm; A4, Microchem) איז געווען ספּין-קאָוטעד אויף איין זייט פֿון דער קופּער פאָליע, שאַפֿנדיק אַ PMMA/G/Cu פאָליע/G סטרוקטור. דערנאָך איז דער גאַנצער פֿילם געוואָרן אייַנגעווייקט אין 0.1 M אַמאָניום פּערסולפֿאַט [(NH4)2S2O8] לייזונג פֿאַר אַרום 2 שעה צו עצן אַוועק די קופּער פאָליע. בעת דעם פּראָצעס, האָט זיך דער נישט-געשיצטער הינטערשטער גראַפֿען ערשט צעריסן אויף די קערל גרענעצן און דערנאָך אויפֿגערולט אין סקראָלס צוליב ייבערפֿלאַך שפּאַנונג. די סקראָלס זענען אַטאַטשט געוואָרן צו דער PMMA-געשטיצטער אויבערשטער גראַפֿען פֿילם, שאַפֿנדיק PMMA/G/G סקראָלס. די פילמען זענען דערנאך געוואשן געווארן אין דעיאָניזירט וואסער עטלעכע מאל און געלייגט אויף א ציל סובסטראט, ווי א שטייפער SiO2/Si אדער פלאסטיק סובסטראט. אזוי שנעל ווי דער אנגעהענגטער פילם איז אויסגעטריקנט געווארן אויפן סובסטראט, איז די מוסטער איינמאל איינגעווייקט געווארן אין אצעטאן, 1:1 אצעטאן/IPA (איזאפראפיל אלקאהאל), און IPA פאר 30 סעקונדעס יעדע צו באזייטיגן PMMA. די פילמען זענען געהייצט געווארן ביי 100°C פאר 15 מינוט אדער געהאלטן געווארן אין א וואקיום איבערנאכט צו אינגאנצן באזייטיגן דאס איינגעכאפטע וואסער איידער נאך א שיכט פון G/G סקראל איז אריבערגעפירט געווארן דערויף. דער שריט איז געווען צו פארמיידן די אפשנעמונג פון גראַפֿען פילם פונעם סובסטראט און זיכער מאכן א פולע באַדעקונג פון MGGs בעת דער באפרייאונג פון דער PMMA טרעגער שיכט.
די מאָרפאָלאָגיע פֿון דער MGG סטרוקטור איז באַאָבאַכטעט געוואָרן מיט אַן אָפּטישן מיקראָסקאָפּ (Leica) און אַ סקאַנינג עלעקטראָן מיקראָסקאָפּ (1 kV; FEI). אַן אַטאָמישער קראַפֿט מיקראָסקאָפּ (Nanoscope III, Digital Instrument) איז געווען אָפּערירט אין טאַפּינג מאָדע צו באַאָבאַכטן די דעטאַלן פֿון די G סקראָלס. פֿילם טראַנספּאַרענץ איז געטעסט געוואָרן מיט אַן אולטראַוויאָלעט-זעבאר ספּעקטראָמעטער (Agilent Cary 6000i). פֿאַר די טעסטן ווען די שפּאַנונג איז געווען צוזאמען די פּערפּענדיקולאַר ריכטונג פֿון קראַנט פֿלוס, פֿאָטאָליטהאָגראַפי און O2 פּלאַזמע זענען געניצט געוואָרן צו מוסטערן גראַפֿין סטרוקטורן אין סטריפּס (~300 μm ברייט און ~2000 μm לאַנג), און Au (50 nm) עלעקטראָדעס זענען טערמיש דעפּאָנירט געוואָרן מיט שאָטן מאַסקעס ביי ביידע ענדס פֿון דער לאַנגער זייט. די גראַפֿין סטריפּס זענען דעמאָלט געשטעלט געוואָרן אין קאָנטאַקט מיט אַ SEBS עלאַסטאָמער (~2 cm ברייט און ~5 cm לאַנג), מיט דער לאַנגער אַקס פֿון די סטריפּס פּאַראַלעל צו דער קורצער זייט פֿון SEBS, נאכגעפֿאָלגט דורך BOE (באַפֿערד אָקסייד עטשינג) (HF:H2O 1:6) עטשינג און עוטעקטיש גאַליום אינדיום (EGaIn) ווי עלעקטרישע קאָנטאַקטן. פֿאַר פּאַראַלעלע שפּאַנונג טעסטן, זענען נישט-געמוסטערטע גראַפֿען סטרוקטורן (~5 × 10 מ"מ) איבערגעפֿירט געוואָרן אויף SEBS סאַבסטראַטן, מיט לאַנגע אַקסן פּאַראַלעל צו דער לאַנגער זייט פֿון דעם SEBS סאַבסטראַט. פֿאַר ביידע פֿאַלן, איז די גאַנצע G (אָן G סקראָלס)/SEBS אויסגעצויגן געוואָרן צוזאמען דער לאַנגער זייט פֿון דעם עלאַסטאָמער אין אַ מאַנועלן אַפּאַראַט, און אין סיטו, האָבן מיר געמאָסטן זייערע קעגנשטעל ענדערונגען אונטער שפּאַנונג אויף אַ פּראָבע סטאַנציע מיט אַ האַלב-קאָנדוקטאָר אַנאַליזאַטאָר (Keithley 4200-SCS).
די העכסט אויסציעבארע און דורכזיכטיגע אל-קוילנשטאָף טראַנזיסטאָרן אויף אַן עלאַסטישן סאַבסטראַט זענען פאַבריצירט געוואָרן דורך די פאלגענדע פּראָצעדורן צו ויסמיידן אָרגאַנישע סאָלווענט שעדיקן פון די פּאָלימער דיעלעקטריק און סאַבסטראַט. MGG סטרוקטורן זענען טראַנספערד אויף SEBS ווי גייט עלעקטראָדן. צו באַקומען אַ מונדיר דין-פילם פּאָלימער דיעלעקטריק שיכט (2 μm דיק), אַ SEBS טאָלוען (80 מג/מל) לייזונג איז געווען ספּין-קאָוטעד אויף אַן אָקטאַדעצילטריטשלאָראָסילאַן (OTS)-מאָדיפיצירטן SiO2/Si סאַבסטראַט ביי 1000 רפּם פֿאַר 1 מינוט. דער דין דיעלעקטריש פילם קען לייכט טראַנספערד ווערן פון דער הידראָפאָביש OTS ייבערפלאַך אויף דעם SEBS סאַבסטראַט באדעקט מיט דעם ווי-צוגעגרייטן גראַפֿען. אַ קאַפּאַסיטאָר קען געמאַכט ווערן דורך דעפּאָזיטירן אַ פליסיק-מעטאַל (EGaIn; Sigma-Aldrich) שפּיץ עלעקטראָד צו באַשטימען די קאַפּאַסיטאַנס ווי אַ פֿונקציע פון ​​שפּאַנונג ניצן אַן LCR (אינדאַקטאַנס, קאַפּאַסיטאַנס, קעגנשטעל) מעטער (Agilent). דער אַנדערער טייל פון דעם טראַנזיסטאָר איז באַשטאַנען פון פּאָלימער-סאָרטירטע האַלב-קאַנדאַקטינג CNTs, נאָכפאָלגנדיק די פּראָצעדורן געמאלדן פריער (53). די געמוסטערטע קוואל/דרעין עלעקטראָדן זענען פאַבריצירט געוואָרן אויף שטרענגע SiO2/Si סאַבסטראַטן. דערנאָך, די צוויי טיילן, דיעלעקטריק/G/SEBS און CNTs/געמוסטערטע G/SiO2/Si, זענען לאַמינירט געוואָרן איינער צום אַנדערן, און איינגעווייקט אין BOE צו באַזייַטיקן דעם שטרענגן SiO2/Si סאַבסטראַט. אַזוי, די גאָר טראַנספּאַרענטע און אויסציעבארע טראַנזיסטאָרן זענען פאַבריצירט געוואָרן. די עלעקטרישע טעסטינג אונטער שפּאַנונג איז דורכגעפירט געוואָרן אויף אַ מאַנועלער אויסציען סעטאַפּ ווי די אויבן דערמאָנטע מעטאָדע.
צוגאב מאַטעריאַל פֿאַר דעם אַרטיקל איז בנימצא ביי http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1
פיג. S1. אפטישע מיקראָסקאָפּיע בילדער פון מאָנאָלייער MGG אויף SiO2/Si סאַבסטראַטן ביי פאַרשידענע מאַגניפיקאַטיאָנס.
פיג. S4. פארגלייך פון צוויי-פּראָוב בויגן קעגנשטעלן און טראַנסמיטאַנסעס @550 נם פון מאָנאָ-, ביי- און דריי-שיכטיקע פּשוטע גראַפֿען (שוואַרצע קוואַדראַטן), MGG (רויטע קרייזן), און CNTs (בלויער דרייַעק).
פיג. S7. נאָרמאַליזירטע קעגנשטעל ענדערונג פון מאָנאָ- און ביילייער MGGs (שוואַרץ) און G (רויט) אונטער ~1000 ציקלישע שפּאַנונג לאָודינג ביז 40 און 90% פּאַראַלעל שפּאַנונג, ריספּעקטיוולי.
פיג. S10. SEM בילד פון דריי-שיכטיקן MGG אויף SEBS עלאַסטאָמער נאָך שפּאַנונג, ווייַזנדיק אַ לאַנגן סקראָל-קרייץ איבער עטלעכע ריסן.
פיג. S12. AFM בילד פון דריי-שיכטיקן MGG אויף זייער דין SEBS עלאַסטאָמער ביי 20% שפּאַנונג, ווייַזנדיק אַז אַ סקראָל האָט אַריבערגעקראָסן אַ ריס.
טאַבעלע S1. מאָביליטעטן פון ביילייער MGG–איינציק-וואַנטיקע קאַרבאָן נאַנאָרערב טראַנזיסטאָרן ביי פאַרשידענע קאַנאַל לענגקטס איידער און נאָך שפּאַנונג.
דאָס איז אַן אָפֿן-צוטריט אַרטיקל פֿאַרשפּרייט אונטער די באַדינגונגען פֿון דער Creative Commons Attribution-NonCommercial ליצענץ, וואָס ערלויבט באַניץ, פֿאַרשפּרייטונג און רעפּראָדוקציע אין יעדן מעדיום, אַזוי לאַנג ווי די רעזולטאַטן באַניץ איז נישט פֿאַר קאמערציעלע נוץ און מיט דער באַדינגונג אַז די אָריגינעלע אַרבעט איז ריכטיק ציטירט.
נאטיץ: מיר בעטן נאר אייער בליצפּאָסט אַדרעס כדי דער מענטש צו וועמען איר רעקאָמענדירט די בלאַט זאָל וויסן אַז איר האָט געוואָלט אַז זיי זאָלן עס זען, און אַז עס איז נישט קיין דזשאַנק מעיל. מיר כאַפּן נישט קיין בליצפּאָסט אַדרעס.
די פראגע איז צו טעסטן צי איר זענט א מענטשלעכער באזוכער און צו פארמיידן אויטאמאטישע ספאם איינשיקונגען.
דורך נאַן ליו, אַלעקס טשאָרטאָס, טינג ליי, ליהואַ דזשין, טאַהאָ רוי קים, וואָן-גיו באַ, טשענקסין זו, סיהאָנג וואַנג, ראַפאַעל פּפאַטנער, קסייואַן טשען, ראבערט סינקלער, זשענאַן באַאָ
דורך נאַן ליו, אַלעקס טשאָרטאָס, טינג ליי, ליהואַ דזשין, טאַהאָ רוי קים, וואָן-גיו באַ, טשענקסין זו, סיהאָנג וואַנג, ראַפאַעל פּפאַטנער, קסייואַן טשען, ראבערט סינקלער, זשענאַן באַאָ
© 2021 אמעריקאנער אַססאָסיאַטיאָן פֿאַר די אַדוואַנסמאַנט פון וויסנשאַפֿט. כל רעכט רעזערווירט. AAAS איז אַ שוטעף פון HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef און COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.