மிகத் தெளிவான மற்றும் நீட்டிக்கக்கூடிய கிராஃபீன் மின்முனைகள்

கிராஃபீன் போன்ற இரு பரிமாணப் பொருட்கள், வழக்கமான குறைக்கடத்தி பயன்பாடுகள் மற்றும் நெகிழ்வான மின்னணுவியலில் புதிய பயன்பாடுகள் இரண்டிற்கும் கவர்ச்சிகரமானவை. இருப்பினும், கிராஃபீனின் அதிக இழுவிசை வலிமை குறைந்த திரிபுகளில் எலும்பு முறிவை ஏற்படுத்துகிறது, இதனால் நீட்டிக்கக்கூடிய மின்னணுவியலில் அதன் அசாதாரண மின்னணு பண்புகளைப் பயன்படுத்திக் கொள்வது சவாலானது. வெளிப்படையான கிராஃபீன் கடத்திகளின் சிறந்த திரிபு சார்ந்த செயல்திறனை செயல்படுத்த, அடுக்கப்பட்ட கிராஃபீன் அடுக்குகளுக்கு இடையில் கிராஃபீன் நானோஸ்க்ரோல்களை உருவாக்கினோம், அவை பல அடுக்கு கிராஃபீன்/கிராஃபீன் சுருள்கள் (MGGs) என குறிப்பிடப்படுகின்றன. திரிபுகளின் கீழ், சில சுருள்கள் கிராஃபீனின் துண்டு துண்டான களங்களை இணைத்து, அதிக திரிபுகளில் சிறந்த கடத்துத்திறனை செயல்படுத்தும் ஒரு ஊடுருவும் வலையமைப்பைப் பராமரிக்கின்றன. எலாஸ்டோமர்களில் ஆதரிக்கப்படும் ட்ரைலேயர் MGGகள் 100% திரிபுகளில் அவற்றின் அசல் கடத்துத்திறனில் 65% ஐத் தக்கவைத்துக் கொண்டன, இது தற்போதைய ஓட்டத்தின் திசைக்கு செங்குத்தாக உள்ளது, அதேசமயம் நானோஸ்க்ரோல்கள் இல்லாத கிராஃபீனின் ட்ரைலேயர் படங்கள் அவற்றின் தொடக்க கடத்துத்திறனில் 25% மட்டுமே தக்கவைத்துக் கொண்டன. MGG-களை மின்முனைகளாகப் பயன்படுத்தி உருவாக்கப்பட்ட நீட்டிக்கக்கூடிய முழு-கார்பன் டிரான்சிஸ்டர், >90% கடத்தும் திறனை வெளிப்படுத்தியது மற்றும் அதன் அசல் மின்னோட்ட வெளியீட்டில் 60% ஐ 120% திரிபு (சார்ஜ் போக்குவரத்தின் திசைக்கு இணையாக) தக்க வைத்துக் கொண்டது. இந்த மிகவும் நீட்டிக்கக்கூடிய மற்றும் வெளிப்படையான அனைத்து-கார்பன் டிரான்சிஸ்டர்கள் அதிநவீன நீட்டிக்கக்கூடிய ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக்ஸ்களை செயல்படுத்த முடியும்.
நீட்டிக்கக்கூடிய வெளிப்படையான மின்னணுவியல் என்பது வளர்ந்து வரும் ஒரு துறையாகும், இது மேம்பட்ட உயிரி ஒருங்கிணைந்த அமைப்புகளில் (1, 2) முக்கியமான பயன்பாடுகளைக் கொண்டுள்ளது, அதே போல் நீட்டிக்கக்கூடிய ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக்ஸ் (3, 4) உடன் ஒருங்கிணைந்து அதிநவீன மென்மையான ரோபாட்டிக்ஸ் மற்றும் காட்சிகளை உருவாக்கும் ஆற்றலையும் கொண்டுள்ளது. கிராஃபீன் அணு தடிமன், அதிக வெளிப்படைத்தன்மை மற்றும் அதிக கடத்துத்திறன் ஆகியவற்றின் மிகவும் விரும்பத்தக்க பண்புகளை வெளிப்படுத்துகிறது, ஆனால் நீட்டிக்கக்கூடிய பயன்பாடுகளில் அதன் செயல்படுத்தல் சிறிய விகாரங்களில் விரிசல் ஏற்படும் போக்கால் தடுக்கப்பட்டுள்ளது. கிராஃபீனின் இயந்திர வரம்புகளை சமாளிப்பது நீட்டிக்கக்கூடிய வெளிப்படையான சாதனங்களில் புதிய செயல்பாட்டை செயல்படுத்தக்கூடும்.
கிராபெனின் தனித்துவமான பண்புகள் அடுத்த தலைமுறை வெளிப்படையான கடத்தும் மின்முனைகளுக்கு (5, 6) ஒரு வலுவான வேட்பாளராக அமைகின்றன. பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் வெளிப்படையான கடத்தியான இண்டியம் டின் ஆக்சைடுடன் ஒப்பிடும்போது [ITO; 90% வெளிப்படைத்தன்மையில் 100 ஓம்ஸ்/சதுரம் (சதுரம்)], வேதியியல் நீராவி படிவு (CVD) மூலம் வளர்க்கப்படும் ஒற்றை அடுக்கு கிராபெனின் தாள் எதிர்ப்பு (125 ஓம்ஸ்/சதுரம்) மற்றும் வெளிப்படைத்தன்மை (97.4%) (5) ஆகியவற்றின் ஒத்த கலவையைக் கொண்டுள்ளது. கூடுதலாக, ITO (7) உடன் ஒப்பிடும்போது கிராபெனின் படலங்கள் அசாதாரண நெகிழ்வுத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளன. எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு பிளாஸ்டிக் அடி மூலக்கூறில், 0.8 மிமீ (8) போன்ற சிறிய வளைவின் வளைக்கும் ஆரத்திற்கு கூட அதன் கடத்துத்திறனைத் தக்க வைத்துக் கொள்ள முடியும். ஒரு வெளிப்படையான நெகிழ்வான கடத்தியாக அதன் மின் செயல்திறனை மேலும் மேம்படுத்த, முந்தைய படைப்புகள் ஒரு பரிமாண (1D) வெள்ளி நானோவயர்கள் அல்லது கார்பன் நானோகுழாய்கள் (CNTகள்) (9–11) கொண்ட கிராபெனின் கலப்பினப் பொருட்களை உருவாக்கியுள்ளன. மேலும், கிராஃபீன் கலப்பு பரிமாண ஹெட்டோரோஸ்ட்ரக்சரல் குறைக்கடத்திகள் (2D மொத்த Si, 1D நானோவயர்கள்/நானோகுழாய்கள் மற்றும் 0D குவாண்டம் புள்ளிகள் போன்றவை) (12), நெகிழ்வான டிரான்சிஸ்டர்கள், சூரிய மின்கலங்கள் மற்றும் ஒளி-உமிழும் டையோட்கள் (LEDகள்) (13–23) ஆகியவற்றிற்கு மின்முனைகளாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
நெகிழ்வான மின்னணுவியலுக்கு கிராஃபீன் நம்பிக்கைக்குரிய முடிவுகளைக் காட்டியிருந்தாலும், நீட்டிக்கக்கூடிய மின்னணுவியலில் அதன் பயன்பாடு அதன் இயந்திர பண்புகளால் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது (17, 24, 25); கிராஃபீனின் இன்-பிளேன் விறைப்பு 340 N/m மற்றும் யங்கின் மாடுலஸ் 0.5 TPa (26) ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளது. வலுவான கார்பன்-கார்பன் நெட்வொர்க் பயன்படுத்தப்பட்ட திரிபுக்கு எந்த ஆற்றல் சிதறல் வழிமுறைகளையும் வழங்காது, எனவே 5% க்கும் குறைவான திரிபுகளில் உடனடியாக விரிசல் ஏற்படுகிறது. எடுத்துக்காட்டாக, பாலிடைமெதில்சிலோக்சேன் (PDMS) மீள் அடி மூலக்கூறுக்கு மாற்றப்படும் CVD கிராஃபீன் அதன் கடத்துத்திறனை 6% க்கும் குறைவான திரிபுகளில் மட்டுமே பராமரிக்க முடியும் (8). வெவ்வேறு அடுக்குகளுக்கு இடையில் நொறுங்குவதும் இடைசெயல்படுவதும் விறைப்பை வலுவாகக் குறைக்க வேண்டும் என்று கோட்பாட்டு கணக்கீடுகள் காட்டுகின்றன (26). கிராஃபீனை பல அடுக்குகளாக அடுக்கி வைப்பதன் மூலம், இந்த இரு- அல்லது மூன்று-அடுக்கு கிராஃபீன் 30% திரிபு வரை நீட்டிக்கக்கூடியது, மோனோலேயர் கிராஃபீனை விட 13 மடங்கு சிறிய எதிர்ப்பு மாற்றத்தைக் காட்டுகிறது (27). இருப்பினும், இந்த நீட்சித்திறன் இன்னும் அதிநவீன நீட்சி மின்கடத்திகளை விட கணிசமாகக் குறைவாக உள்ளது (28, 29).
டிரான்சிஸ்டர்கள் நீட்டிக்கக்கூடிய பயன்பாடுகளில் முக்கியமானவை, ஏனெனில் அவை அதிநவீன சென்சார் ரீட்அவுட் மற்றும் சிக்னல் பகுப்பாய்வை செயல்படுத்துகின்றன (30, 31). பல அடுக்கு கிராஃபீனை மூல/வடிகால் மின்முனைகளாகவும் சேனல் பொருளாகவும் கொண்ட PDMS இல் உள்ள டிரான்சிஸ்டர்கள் 5% திரிபு (32) வரை மின் செயல்பாட்டை பராமரிக்க முடியும், இது அணியக்கூடிய சுகாதார கண்காணிப்பு சென்சார்கள் மற்றும் மின்னணு தோலுக்கு (33, 34) குறைந்தபட்ச தேவையான மதிப்பை விட (~50%) கணிசமாகக் குறைவாக உள்ளது. சமீபத்தில், ஒரு கிராஃபீன் கிரிகாமி அணுகுமுறை ஆராயப்பட்டது, மேலும் ஒரு திரவ எலக்ட்ரோலைட்டால் கேட் செய்யப்பட்ட டிரான்சிஸ்டரை 240% வரை நீட்டிக்க முடியும் (35). இருப்பினும், இந்த முறைக்கு இடைநீக்கம் செய்யப்பட்ட கிராஃபீன் தேவைப்படுகிறது, இது உற்பத்தி செயல்முறையை சிக்கலாக்குகிறது.
இங்கே, கிராஃபீன் அடுக்குகளுக்கு இடையில் கிராஃபீன் சுருள்களை (~1 முதல் 20 μm நீளம், ~0.1 முதல் 1 μm அகலம் மற்றும் ~10 முதல் 100 nm உயரம்) ஒன்றோடொன்று இணைப்பதன் மூலம் அதிக நீட்டிக்கக்கூடிய கிராஃபீன் சாதனங்களை நாங்கள் அடைகிறோம். இந்த கிராஃபீன் சுருள்கள் கிராஃபீன் தாள்களில் விரிசல்களைக் கட்டுப்படுத்த கடத்தும் பாதைகளை வழங்க முடியும் என்று நாங்கள் கருதுகிறோம், இதனால் அதிக கடத்துத்திறனைப் பராமரிக்கிறது. கிராஃபீன் சுருள்களுக்கு கூடுதல் தொகுப்பு அல்லது செயல்முறை தேவையில்லை; அவை ஈரமான பரிமாற்ற நடைமுறையின் போது இயற்கையாகவே உருவாகின்றன. பல அடுக்கு G/G (கிராஃபீன்/கிராஃபீன்) சுருள்கள் (MGGகள்) கிராஃபீன் நீட்டிக்கக்கூடிய மின்முனைகள் (மூல/வடிகால் மற்றும் வாயில்) மற்றும் குறைக்கடத்தி CNTகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், மிகவும் வெளிப்படையான மற்றும் அதிக நீட்டிக்கக்கூடிய அனைத்து-கார்பன் டிரான்சிஸ்டர்களை நாங்கள் நிரூபிக்க முடிந்தது, அவை 120% திரிபுக்கு (சார்ஜ் போக்குவரத்தின் திசைக்கு இணையாக) நீட்டிக்கப்படலாம் மற்றும் அவற்றின் அசல் மின்னோட்ட வெளியீட்டில் 60% தக்கவைக்கப்படலாம். இதுவரை இது மிகவும் நீட்டிக்கக்கூடிய வெளிப்படையான கார்பன் அடிப்படையிலான டிரான்சிஸ்டர் ஆகும், மேலும் இது ஒரு கனிம LED ஐ இயக்க போதுமான மின்னோட்டத்தை வழங்குகிறது.
பெரிய பரப்பளவு கொண்ட வெளிப்படையான நீட்டிக்கக்கூடிய கிராஃபீன் மின்முனைகளை இயக்க, Cu படலத்தில் CVD-வளர்ந்த கிராஃபீனைத் தேர்ந்தெடுத்தோம். இருபுறமும் கிராஃபீனின் வளர்ச்சியை அனுமதிக்க Cu படலம் CVD குவார்ட்ஸ் குழாயின் மையத்தில் தொங்கவிடப்பட்டது, இது G/Cu/G கட்டமைப்புகளை உருவாக்கியது. கிராஃபீனை மாற்ற, கிராஃபீனின் ஒரு பக்கத்தைப் பாதுகாக்க முதலில் பாலி(மெத்தில் மெதக்ரிலேட்) (PMMA) இன் மெல்லிய அடுக்கை சுழல்-பூசினோம், அதை நாங்கள் மேல் பக்க கிராஃபீன் (கிராஃபீனின் மறுபக்கத்திற்கு நேர்மாறாக) என்று பெயரிட்டோம், பின்னர், முழு படலமும் (PMMA/மேல் கிராஃபீன்/Cu/கீழ் கிராஃபீன்) Cu படலத்தை பொறிக்க (NH4)2S2O8 கரைசலில் ஊறவைக்கப்பட்டது. PMMA பூச்சு இல்லாத கீழ் பக்க கிராஃபீனில் தவிர்க்க முடியாமல் விரிசல்கள் மற்றும் குறைபாடுகள் இருக்கும், அவை ஒரு எட்சன்ட் ஊடுருவ அனுமதிக்கும் (36, 37). படம் 1A இல் விளக்கப்பட்டுள்ளபடி, மேற்பரப்பு பதற்றத்தின் விளைவின் கீழ், வெளியிடப்பட்ட கிராஃபீன் களங்கள் சுருள்களாக உருட்டப்பட்டு, பின்னர் மீதமுள்ள மேல்-G/PMMA படலத்தில் இணைக்கப்பட்டன. மேல்-G/G சுருள்களை SiO2/Si, கண்ணாடி அல்லது மென்மையான பாலிமர் போன்ற எந்த அடி மூலக்கூறிற்கும் மாற்றலாம். இந்த பரிமாற்ற செயல்முறையை ஒரே அடி மூலக்கூறில் பல முறை மீண்டும் செய்வது MGG கட்டமைப்புகளை அளிக்கிறது.
(A) நீட்டிக்கக்கூடிய மின்முனையாக MGG களுக்கான உற்பத்தி செயல்முறையின் திட்ட விளக்கப்படம். கிராஃபீன் பரிமாற்றத்தின் போது, ​​Cu படலத்தில் பின்புற கிராஃபீன் எல்லைகள் மற்றும் குறைபாடுகளில் உடைக்கப்பட்டு, தன்னிச்சையான வடிவங்களாக சுருட்டப்பட்டு, மேல் படலங்களில் இறுக்கமாக இணைக்கப்பட்டு, நானோசுருள்களை உருவாக்கியது. நான்காவது கார்ட்டூன் அடுக்கப்பட்ட MGG அமைப்பை சித்தரிக்கிறது. (B மற்றும் C) ஒரு மோனோலேயர் MGG இன் உயர்-தெளிவுத்திறன் TEM பண்புகள், முறையே மோனோலேயர் கிராஃபீன் (B) மற்றும் சுருள் (C) பகுதியில் கவனம் செலுத்துகின்றன. (B) இன் செருகல் என்பது TEM கட்டத்தில் உள்ள மோனோலேயர் MGG களின் ஒட்டுமொத்த உருவ அமைப்பைக் காட்டும் குறைந்த-உருப்பெருக்கப் படமாகும். (C) இன் செருகல்கள் படத்தில் சுட்டிக்காட்டப்பட்ட செவ்வகப் பெட்டிகளில் எடுக்கப்பட்ட தீவிர சுயவிவரங்கள் ஆகும், அங்கு அணுத் தளங்களுக்கு இடையிலான தூரம் 0.34 மற்றும் 0.41 nm ஆகும். (D) கார்பன் K-எட்ஜ் EEL ஸ்பெக்ட்ரம் சிறப்பியல்பு கிராஃபிடிக் π* மற்றும் σ* சிகரங்களுடன் பெயரிடப்பட்டது. (E) மஞ்சள் புள்ளியிடப்பட்ட கோட்டில் உயர சுயவிவரத்துடன் மோனோலேயர் G/G சுருள்களின் பிரிவு AFM படம். (F முதல் I வரை) 300-nm-தடிமன் கொண்ட SiO2/Si அடி மூலக்கூறுகளில் முறையே (F மற்றும் H) இல்லாமல் மற்றும் சுருள்களுடன் (G மற்றும் I) மூன்று அடுக்கு G இன் ஒளியியல் நுண்ணோக்கி மற்றும் AFM படங்கள். பிரதிநிதித்துவ சுருள்கள் மற்றும் சுருக்கங்கள் அவற்றின் வேறுபாடுகளை முன்னிலைப்படுத்த லேபிளிடப்பட்டன.
சுருள்கள் இயற்கையில் உருட்டப்பட்ட கிராஃபீன் என்பதை சரிபார்க்க, ஒற்றை அடுக்கு மேல்-G/G உருள் கட்டமைப்புகளில் உயர் தெளிவுத்திறன் கொண்ட பரிமாற்ற எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (TEM) மற்றும் எலக்ட்ரான் ஆற்றல் இழப்பு (EEL) நிறமாலை ஆய்வுகளை மேற்கொண்டோம். படம் 1B ஒரு ஒற்றை அடுக்கு கிராஃபீனின் அறுகோண அமைப்பைக் காட்டுகிறது, மேலும் செருகல் என்பது TEM கட்டத்தின் ஒற்றை கார்பன் துளையில் மூடப்பட்ட படத்தின் ஒட்டுமொத்த உருவவியல் ஆகும். ஒற்றை அடுக்கு கிராஃபீன் கட்டத்தின் பெரும்பகுதியை உள்ளடக்கியது, மேலும் பல அறுகோண வளையங்களின் முன்னிலையில் சில கிராஃபீன் செதில்கள் தோன்றும் (படம் 1B). ஒரு தனிப்பட்ட சுருளை பெரிதாக்குவதன் மூலம் (படம் 1C), 0.34 முதல் 0.41 nm வரம்பில் லட்டு இடைவெளியுடன், அதிக அளவு கிராஃபீன் லட்டு விளிம்புகளைக் கண்டோம். இந்த அளவீடுகள் செதில்கள் சீரற்ற முறையில் சுருட்டப்பட்டு சரியான கிராஃபைட் அல்ல என்பதைக் குறிக்கின்றன, இது "ABAB" அடுக்கு அடுக்கில் 0.34 nm லட்டு இடைவெளியைக் கொண்டுள்ளது. படம் 1D கார்பன் K-எட்ஜ் EEL நிறமாலையைக் காட்டுகிறது, அங்கு 285 eV இல் உள்ள உச்சம் π* ஆர்பிட்டாலில் இருந்து உருவாகிறது, மற்றொன்று 290 eV ஐச் சுற்றி σ* ஆர்பிட்டாலின் மாற்றத்தால் ஏற்படுகிறது. இந்த கட்டமைப்பில் sp2 பிணைப்பு ஆதிக்கம் செலுத்துவதைக் காணலாம், இது சுருள்கள் அதிக கிராஃபிடிக் என்பதை சரிபார்க்கிறது.
ஒளியியல் நுண்ணோக்கி மற்றும் அணு விசை நுண்ணோக்கி (AFM) படங்கள் MGG களில் கிராஃபீன் நானோசுருள்களின் பரவல் பற்றிய நுண்ணறிவை வழங்குகின்றன (படம் 1, E முதல் G வரை, மற்றும் படம். S1 மற்றும் S2). சுருள்கள் மேற்பரப்பில் சீரற்ற முறையில் விநியோகிக்கப்படுகின்றன, மேலும் அவற்றின் இன்-பிளேன் அடர்த்தி அடுக்கப்பட்ட அடுக்குகளின் எண்ணிக்கைக்கு விகிதாசாரமாக அதிகரிக்கிறது. பல சுருள்கள் முடிச்சுகளாக சிக்கலாகி 10 முதல் 100 nm வரம்பில் சீரற்ற உயரங்களைக் காட்டுகின்றன. அவை 1 முதல் 20 μm நீளமும் 0.1 முதல் 1 μm அகலமும் கொண்டவை, அவற்றின் ஆரம்ப கிராஃபீன் செதில்களின் அளவைப் பொறுத்து. படம் 1 (H மற்றும் I) இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, சுருள்கள் சுருக்கங்களை விட கணிசமாக பெரிய அளவுகளைக் கொண்டுள்ளன, இது கிராஃபீன் அடுக்குகளுக்கு இடையில் மிகவும் கடினமான இடைமுகத்திற்கு வழிவகுக்கிறது.
மின் பண்புகளை அளவிட, ஃபோட்டோலித்தோகிராஃபியைப் பயன்படுத்தி 300-μm-அகலம் மற்றும் 2000-μm-நீளமுள்ள கீற்றுகளாக உருள் கட்டமைப்புகள் மற்றும் அடுக்கு அடுக்கி வைத்தல் இல்லாமல் கிராஃபீன் படலங்களை வடிவமைத்தோம். திரிபு செயல்பாடாக இரண்டு-ஆய்வு எதிர்ப்புகள் சுற்றுப்புற நிலைமைகளின் கீழ் அளவிடப்பட்டன. சுருள்களின் இருப்பு மோனோலேயர் கிராஃபீனுக்கான எதிர்ப்பை 80% குறைத்து, பரிமாற்றத்தில் 2.2% மட்டுமே குறைந்தது (படம் S4). 5 × 107 A/cm2 (38, 39) வரை அதிக மின்னோட்ட அடர்த்தி கொண்ட நானோஸ்க்ரோல்கள் MGG களுக்கு மிகவும் நேர்மறையான மின் பங்களிப்பை வழங்குகின்றன என்பதை இது உறுதிப்படுத்துகிறது. அனைத்து மோனோ-, இரு- மற்றும் மூன்று அடுக்கு எளிய கிராஃபீன் மற்றும் MGG களில், மூன்று அடுக்கு MGG கிட்டத்தட்ட 90% வெளிப்படைத்தன்மையுடன் சிறந்த கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளது. இலக்கியத்தில் பதிவாகியுள்ள கிராஃபீனின் பிற ஆதாரங்களுடன் ஒப்பிட, நாங்கள் நான்கு-ஆய்வு தாள் எதிர்ப்புகளையும் (படம் S5) அளவிட்டு, படம் 2A இல் 550 nm (படம் S6) இல் அவற்றை டிரான்ஸ்மிட்டன்ஸ் செயல்பாடாக பட்டியலிட்டோம். செயற்கையாக அடுக்கப்பட்ட மல்டிலேயர் ப்ளைன் கிராஃபீன் மற்றும் குறைக்கப்பட்ட கிராஃபீன் ஆக்சைடு (RGO) (6, 8, 18) ஆகியவற்றை விட MGG ஒப்பிடத்தக்க அல்லது அதிக கடத்துத்திறன் மற்றும் வெளிப்படைத்தன்மையைக் காட்டுகிறது. இலக்கியத்திலிருந்து செயற்கையாக அடுக்கப்பட்ட மல்டிலேயர் ப்ளைன் கிராஃபீனின் தாள் எதிர்ப்புகள் நமது MGG ஐ விட சற்று அதிகமாக உள்ளன என்பதை நினைவில் கொள்ளவும், ஒருவேளை அவற்றின் உகந்ததாக்கப்படாத வளர்ச்சி நிலைமைகள் மற்றும் பரிமாற்ற முறை காரணமாக இருக்கலாம்.
(A) பல வகையான கிராபெனின்களுக்கு 550 nm இல் நான்கு-ஆய்வு தாள் எதிர்ப்புகள் மற்றும் பரிமாற்ற திறன், இங்கு கருப்பு சதுரங்கள் மோனோ-, இரு- மற்றும் மூன்று அடுக்கு MGG களைக் குறிக்கின்றன; சிவப்பு வட்டங்கள் மற்றும் நீல முக்கோணங்கள் முறையே Li மற்றும் பலர் (6) மற்றும் Kim மற்றும் பலர் (8) ஆகியோரின் ஆய்வுகளிலிருந்து Cu மற்றும் Ni இல் வளர்க்கப்பட்ட பல அடுக்கு வெற்று கிராபெனுடன் ஒத்திருக்கின்றன, பின்னர் பின்னர் SiO2/Si அல்லது குவார்ட்ஸுக்கு மாற்றப்பட்டன; மற்றும் பச்சை முக்கோணங்கள் போனக்கோர்சோ மற்றும் பலர் (18) ஆய்விலிருந்து வெவ்வேறு குறைக்கும் டிகிரிகளில் RGO ​​க்கான மதிப்புகள் ஆகும். (B மற்றும் C) மின்னோட்ட ஓட்டத்தின் திசைக்கு செங்குத்தாக (B) மற்றும் இணையான (C) திரிபுகளின் செயல்பாடாக மோனோ-, இரு- மற்றும் மூன்று அடுக்கு MGG கள் மற்றும் G இன் இயல்பாக்கப்பட்ட எதிர்ப்பு மாற்றம். (D) 50% செங்குத்தாக திரிபு ஏற்றப்படும் சுழற்சி திரிபு ஏற்றப்படும் கீழ் இரு அடுக்கு G (சிவப்பு) மற்றும் MGG (கருப்பு) இன் இயல்பாக்கப்பட்ட எதிர்ப்பு மாற்றம். (E) 90% இணையான திரிபு ஏற்றப்படும் சுழற்சி திரிபு கீழ் மூன்று அடுக்கு G (சிவப்பு) மற்றும் MGG (கருப்பு) இன் இயல்பாக்கப்பட்ட எதிர்ப்பு மாற்றம். (F) மோனோ-, பை- மற்றும் ட்ரைலேயர் G மற்றும் பை- மற்றும் ட்ரைலேயர் MGG களின் இயல்பாக்கப்பட்ட கொள்ளளவு மாற்றம், திரிபு செயல்பாடாக. செருகல் என்பது மின்தேக்கி அமைப்பு ஆகும், அங்கு பாலிமர் அடி மூலக்கூறு SEBS ஆகவும், பாலிமர் மின்கடத்தா அடுக்கு 2-μm-தடிமன் கொண்ட SEBS ஆகவும் உள்ளது.
MGG இன் திரிபு சார்ந்த செயல்திறனை மதிப்பிடுவதற்கு, கிராஃபீனை தெர்மோபிளாஸ்டிக் எலாஸ்டோமர் ஸ்டைரீன்-எத்திலீன்-பியூடடீன்-ஸ்டைரீன் (SEBS) அடி மூலக்கூறுகளுக்கு (~2 செ.மீ அகலம் மற்றும் ~5 செ.மீ நீளம்) மாற்றினோம், மேலும் அடி மூலக்கூறு நீட்டப்பட்டதால் (பொருட்கள் மற்றும் முறைகளைப் பார்க்கவும்) மின்னோட்ட ஓட்டத்தின் திசைக்கு செங்குத்தாகவும் இணையாகவும் (படம் 2, B மற்றும் C) கடத்துத்திறன் அளவிடப்பட்டது. நானோசுருள்கள் இணைக்கப்பட்டு கிராஃபீன் அடுக்குகளின் எண்ணிக்கை அதிகரித்ததன் மூலம் திரிபு சார்ந்த மின் நடத்தை மேம்பட்டது. எடுத்துக்காட்டாக, திரிபு மின்னோட்ட ஓட்டத்திற்கு செங்குத்தாக இருக்கும்போது, ​​மோனோலேயர் கிராஃபீனுக்கு, சுருள்களைச் சேர்ப்பது மின் உடைப்பில் திரிபு 5 முதல் 70% வரை அதிகரித்தது. மோனோலேயர் கிராஃபீனுடன் ஒப்பிடும்போது ட்ரைலேயர் கிராஃபீனின் திரிபு சகிப்புத்தன்மையும் கணிசமாக மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளது. நானோசுருள்களுடன், 100% செங்குத்தாக திரிபுகளில், ட்ரைலேயர் MGG கட்டமைப்பின் எதிர்ப்பு 50% மட்டுமே அதிகரித்துள்ளது, சுருள்கள் இல்லாத ட்ரைலேயர் கிராஃபீனுக்கு 300% உடன் ஒப்பிடும்போது. சுழற்சி திரிபு சுமையின் கீழ் எதிர்ப்பு மாற்றம் ஆராயப்பட்டது. ஒப்பிடுகையில் (படம் 2D), ஒரு எளிய இரு அடுக்கு கிராஃபீன் படலத்தின் எதிர்ப்புகள் 50% செங்குத்து திரிபுகளில் ~700 சுழற்சிகளுக்குப் பிறகு சுமார் 7.5 மடங்கு அதிகரித்தன, மேலும் ஒவ்வொரு சுழற்சியிலும் திரிபுகளுடன் தொடர்ந்து அதிகரித்து வந்தன. மறுபுறம், ஒரு இரு அடுக்கு MGG இன் எதிர்ப்பு ~700 சுழற்சிகளுக்குப் பிறகு சுமார் 2.5 மடங்கு மட்டுமே அதிகரித்தது. இணையான திசையில் 90% திரிபுகளைப் பயன்படுத்தும்போது, ​​ட்ரைலேயர் கிராஃபீனின் எதிர்ப்பு 1000 சுழற்சிகளுக்குப் பிறகு ~100 மடங்கு அதிகரித்தது, அதேசமயம் ஒரு ட்ரைலேயர் MGG இல் இது ~8 மடங்கு மட்டுமே (படம் 2E). சைக்கிள் ஓட்டுதல் முடிவுகள் படம் S7 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. இணையான திரிபு திசையில் எதிர்ப்பில் ஒப்பீட்டளவில் வேகமான அதிகரிப்பு, ஏனெனில் விரிசல்களின் நோக்குநிலை மின்னோட்ட ஓட்டத்தின் திசைக்கு செங்குத்தாக உள்ளது. ஏற்றுதல் மற்றும் இறக்குதல் திரிபுகளின் போது எதிர்ப்பின் விலகல் SEBS எலாஸ்டோமர் அடி மூலக்கூறின் விஸ்கோஎலாஸ்டிக் மீட்பு காரணமாகும். சைக்கிள் ஓட்டுதலின் போது MGG கீற்றுகளின் அதிக நிலையான எதிர்ப்பு, கிராஃபீனின் விரிசல் பகுதிகளை (AFM ஆல் கவனிக்கப்பட்டது போல) பாலம் அமைக்கக்கூடிய பெரிய சுருள்கள் இருப்பதால் ஏற்படுகிறது, இது ஒரு ஊடுருவும் பாதையை பராமரிக்க உதவுகிறது. ஊடுருவும் பாதை மூலம் கடத்துத்திறனைப் பராமரிக்கும் இந்த நிகழ்வு எலாஸ்டோமர் அடி மூலக்கூறுகளில் விரிசல் அடைந்த உலோகம் அல்லது குறைக்கடத்தி படலங்களுக்கு முன்பே தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது (40, 41).
இந்த கிராபெனின் அடிப்படையிலான படலங்களை நீட்டிக்கக்கூடிய சாதனங்களில் கேட் மின்முனைகளாக மதிப்பிடுவதற்கு, கிராபெனின் அடுக்கை ஒரு SEBS மின்கடத்தா அடுக்குடன் (2 μm தடிமன்) மூடி, மின்கடத்தா மின்தேக்க மாற்றத்தை திரிபு செயல்பாடாகக் கண்காணித்தோம் (படம் 2F மற்றும் விவரங்களுக்கு துணைப் பொருட்களைப் பார்க்கவும்). கிராபெனின் இன்-பிளேன் கடத்துத்திறன் இழப்பின் காரணமாக, வெற்று மோனோலேயர் மற்றும் பைலேயர் கிராபெனின் மின்முனைகளுடன் கூடிய மின்தேக்கங்கள் விரைவாகக் குறைவதை நாங்கள் கவனித்தோம். இதற்கு நேர்மாறாக, MGG களால் கேடட் செய்யப்பட்ட மின்தேக்கங்கள் மற்றும் வெற்று ட்ரைலேயர் கிராபெனின் கேடட் செய்யப்பட்ட மின்தேக்கங்கள் திரிபுடன் கொள்ளளவின் அதிகரிப்பைக் காட்டின, இது திரிபுடன் மின்கடத்தா தடிமன் குறைவதால் எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. மின்தேக்கத்தில் எதிர்பார்க்கப்படும் அதிகரிப்பு MGG அமைப்புடன் மிகவும் நன்றாகப் பொருந்தியது (படம் S8). நீட்டிக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டர்களுக்கு ஒரு கேட் மின்முனையாக MGG பொருத்தமானது என்பதை இது குறிக்கிறது.
மின் கடத்துத்திறனின் திரிபு சகிப்புத்தன்மையில் 1D கிராஃபீன் சுருளின் பங்கை மேலும் ஆராயவும், கிராஃபீன் அடுக்குகளுக்கு இடையிலான பிரிவை சிறப்பாகக் கட்டுப்படுத்தவும், கிராஃபீன் சுருள்களை மாற்ற ஸ்ப்ரே-பூசப்பட்ட CNTகளைப் பயன்படுத்தினோம் (துணைப் பொருட்களைப் பார்க்கவும்). MGG கட்டமைப்புகளைப் பிரதிபலிக்க, நாங்கள் மூன்று அடர்த்தி CNTகளை (அதாவது, CNT1) டெபாசிட் செய்தோம்.
(A முதல் C வரை) மூன்று வெவ்வேறு அடர்த்தி CNT களின் AFM படங்கள் (CNT1
நீட்டிக்கக்கூடிய மின்னணு சாதனங்களுக்கான மின்முனைகளாக அவற்றின் திறனை மேலும் புரிந்துகொள்ள, MGG மற்றும் G-CNT-G ஆகியவற்றின் உருவ அமைப்புகளை நாங்கள் முறையாக ஆராய்ந்தோம். ஆப்டிகல் மைக்ரோஸ்கோபி மற்றும் ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (SEM) இரண்டும் வண்ண வேறுபாடு இல்லாததால் பயனுள்ள குணாதிசய முறைகள் அல்ல, மேலும் கிராஃபீன் பாலிமர் அடி மூலக்கூறுகளில் இருக்கும்போது எலக்ட்ரான் ஸ்கேனிங்கின் போது SEM பட கலைப்பொருட்களுக்கு உட்பட்டது (படங்கள். S9 மற்றும் S10). திரிபு கீழ் கிராஃபீன் மேற்பரப்பை இடத்தில் கண்காணிக்க, மிக மெல்லிய (~0.1 மிமீ தடிமன்) மற்றும் மீள் SEBS அடி மூலக்கூறுகளுக்கு மாற்றப்பட்ட பிறகு, ட்ரைலேயர் MGGகள் மற்றும் வெற்று கிராஃபீனில் AFM அளவீடுகளை சேகரித்தோம். CVD கிராஃபீனில் உள்ள உள்ளார்ந்த குறைபாடுகள் மற்றும் பரிமாற்ற செயல்பாட்டின் போது வெளிப்புற சேதம் காரணமாக, வடிகட்டிய கிராஃபீனில் விரிசல்கள் தவிர்க்க முடியாமல் உருவாகின்றன, மேலும் அதிகரிக்கும் திரிபுடன், விரிசல்கள் அடர்த்தியாகின்றன (படம். 4, A முதல் D வரை). கார்பன் அடிப்படையிலான மின்முனைகளின் அடுக்கி வைக்கும் அமைப்பைப் பொறுத்து, விரிசல்கள் வெவ்வேறு உருவ அமைப்புகளை வெளிப்படுத்துகின்றன (படம். S11) (27). பல அடுக்கு கிராபெனின் விரிசல் பகுதி அடர்த்தி (பிளவு பகுதி/பகுப்பாய்வு செய்யப்பட்ட பகுதி என வரையறுக்கப்படுகிறது) ஒற்றை அடுக்கு கிராபெனின் திரிபுக்குப் பிறகு குறைவாக உள்ளது, இது MGG களுக்கான மின் கடத்துத்திறன் அதிகரிப்புடன் ஒத்துப்போகிறது. மறுபுறம், விரிசல்களை பாலம் செய்ய சுருள்கள் பெரும்பாலும் காணப்படுகின்றன, இது வடிகட்டிய படத்தில் கூடுதல் கடத்தும் பாதைகளை வழங்குகிறது. எடுத்துக்காட்டாக, படம் 4B இன் படத்தில் பெயரிடப்பட்டுள்ளபடி, மூன்று அடுக்கு MGG இல் ஒரு விரிசலின் மீது ஒரு அகலமான சுருள் குறுக்கே சென்றது, ஆனால் வெற்று கிராபெனில் எந்த சுருள் காணப்படவில்லை (படம் 4, E முதல் H வரை). இதேபோல், CNT களும் கிராபெனில் உள்ள விரிசல்களை பாலம் செய்தன (படம் S11). விரிசல் பகுதி அடர்த்தி, சுருள் பகுதி அடர்த்தி மற்றும் படலங்களின் கடினத்தன்மை படம் 4K இல் சுருக்கப்பட்டுள்ளன.
(A முதல் H வரை) 0, 20, 60, மற்றும் 100% திரிபுகளில் மிக மெல்லிய SEBS (~0.1 மிமீ தடிமன்) எலாஸ்டோமரில் ட்ரைலேயர் G/G சுருள்கள் (A முதல் D வரை) மற்றும் ட்ரைலேயர் G கட்டமைப்புகள் (E முதல் H வரை) இன் சிட்டு AFM படங்கள். பிரதிநிதித்துவ விரிசல்கள் மற்றும் சுருள்கள் அம்புகளால் சுட்டிக்காட்டப்பட்டுள்ளன. அனைத்து AFM படங்களும் 15 μm × 15 μm பரப்பளவில் உள்ளன, லேபிளிடப்பட்ட அதே வண்ண அளவிலான பட்டையைப் பயன்படுத்துகின்றன. (I) SEBS அடி மூலக்கூறில் வடிவமைக்கப்பட்ட மோனோலேயர் கிராஃபீன் மின்முனைகளின் உருவகப்படுத்துதல் வடிவியல். (J) மோனோலேயர் கிராஃபீன் மற்றும் SEBS அடி மூலக்கூறில் 20% வெளிப்புற திரிபுகளில் அதிகபட்ச முதன்மை மடக்கை திரிபு உருவகப்படுத்துதல் விளிம்பு வரைபடம். (K) வெவ்வேறு கிராஃபீன் கட்டமைப்புகளுக்கான விரிசல் பகுதி அடர்த்தி (சிவப்பு நெடுவரிசை), சுருள் பகுதி அடர்த்தி (மஞ்சள் நெடுவரிசை) மற்றும் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை (நீல நெடுவரிசை) ஆகியவற்றின் ஒப்பீடு.
MGG படலங்கள் நீட்டப்படும்போது, ​​சுருள்கள் கிராஃபீனின் விரிசல் பகுதிகளைப் பாலம் அமைத்து, ஊடுருவும் வலையமைப்பைப் பராமரிக்கும் ஒரு முக்கியமான கூடுதல் வழிமுறை உள்ளது. கிராஃபீன் சுருள்கள் பத்து மைக்ரோமீட்டர்கள் நீளமாக இருக்கக்கூடும், எனவே பொதுவாக மைக்ரோமீட்டர் அளவு வரை உள்ள விரிசல்களைப் பாலம் கட்ட முடியும் என்பதால் அவை நம்பிக்கைக்குரியவை. மேலும், சுருள்கள் கிராஃபீனின் பல அடுக்குகளைக் கொண்டிருப்பதால், அவை குறைந்த எதிர்ப்பைக் கொண்டிருக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது. ஒப்பிடுகையில், ஒப்பீட்டளவில் அடர்த்தியான (குறைந்த பரிமாற்ற) CNT நெட்வொர்க்குகள் ஒப்பிடக்கூடிய கடத்தும் பால திறனை வழங்க வேண்டும், ஏனெனில் CNTகள் சிறியவை (பொதுவாக சில மைக்ரோமீட்டர்கள் நீளம்) மற்றும் சுருள்களை விட குறைவான கடத்தும் தன்மை கொண்டவை. மறுபுறம், படம் S12 இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, திரிபுக்கு இடமளிக்க நீட்டும்போது கிராஃபீன் விரிசல் அடைந்தாலும், சுருள்கள் விரிசல் அடையாது, இது பிந்தையது அடிப்படை கிராஃபீனில் சறுக்கக்கூடும் என்பதைக் குறிக்கிறது. அவை விரிசல் ஏற்படாததற்கான காரணம், பல அடுக்கு கிராஃபீன்களால் (~1 முதல் 2 0 μm நீளம், ~0.1 முதல் 1 μm அகலம் மற்றும் ~10 முதல் 100 nm உயரம்) ஆன உருட்டப்பட்ட அமைப்பு காரணமாக இருக்கலாம், இது ஒற்றை அடுக்கு கிராஃபீனை விட அதிக செயல்திறன் கொண்ட மாடுலஸைக் கொண்டுள்ளது. கிரீன் மற்றும் ஹெர்சம் (42) அறிக்கையின்படி, உலோக CNT நெட்வொர்க்குகள் (குழாய் விட்டம் 1.0 nm) CNT களுக்கு இடையில் பெரிய சந்திப்பு எதிர்ப்பு இருந்தபோதிலும், குறைந்த தாள் எதிர்ப்பை <100 ohms/sq ஐ அடைய முடியும். எங்கள் கிராஃபீன் சுருள்கள் 0.1 முதல் 1 μm அகலங்களைக் கொண்டிருப்பதையும், G/G சுருள்கள் CNT களை விட மிகப் பெரிய தொடர்பு பகுதிகளைக் கொண்டிருப்பதையும் கருத்தில் கொண்டு, கிராஃபீன் மற்றும் கிராஃபீன் சுருள்களுக்கு இடையிலான தொடர்பு எதிர்ப்பு மற்றும் தொடர்பு பகுதி அதிக கடத்துத்திறனைப் பராமரிக்க கட்டுப்படுத்தும் காரணிகளாக இருக்கக்கூடாது.
கிராஃபீன் SEBS அடி மூலக்கூறை விட மிக அதிக மாடுலஸைக் கொண்டுள்ளது. கிராஃபீன் மின்முனையின் பயனுள்ள தடிமன் அடி மூலக்கூறை விட மிகக் குறைவாக இருந்தாலும், கிராஃபீனின் விறைப்பு அதன் தடிமனுடன் ஒப்பிடத்தக்கது (43, 44), இதன் விளைவாக மிதமான திட-தீவு விளைவு ஏற்படுகிறது. SEBS அடி மூலக்கூறில் 1-nm-தடிமன் கொண்ட கிராஃபீனின் சிதைவை நாங்கள் உருவகப்படுத்தினோம் (விவரங்களுக்கு துணைப் பொருட்களைப் பார்க்கவும்). உருவகப்படுத்துதல் முடிவுகளின்படி, SEBS அடி மூலக்கூறில் வெளிப்புறமாக 20% திரிபு பயன்படுத்தப்படும்போது, ​​கிராஃபீனில் சராசரி திரிபு ~6.6% (படம் 4J மற்றும் படம் S13D), இது சோதனை அவதானிப்புகளுடன் ஒத்துப்போகிறது (படம் S13 ஐப் பார்க்கவும்). ஆப்டிகல் மைக்ரோஸ்கோபியைப் பயன்படுத்தி வடிவமைக்கப்பட்ட கிராஃபீன் மற்றும் அடி மூலக்கூறு பகுதிகளில் உள்ள திரிபுகளை ஒப்பிட்டு, அடி மூலக்கூறு பகுதியில் உள்ள திரிபு கிராஃபீன் பகுதியில் உள்ள திரிபுகளை விட குறைந்தது இரண்டு மடங்கு அதிகமாக இருப்பதைக் கண்டறிந்தோம். கிராஃபீன் மின்முனை வடிவங்களில் பயன்படுத்தப்படும் திரிபு கணிசமாக மட்டுப்படுத்தப்படலாம், SEBS இன் மேல் கிராஃபீன் கடினமான தீவுகளை உருவாக்குகிறது (26, 43, 44).
எனவே, அதிக அழுத்தத்தின் கீழ் அதிக கடத்துத்திறனைப் பராமரிக்க MGG மின்முனைகளின் திறன் இரண்டு முக்கிய வழிமுறைகளால் செயல்படுத்தப்படலாம்: (i) கடத்தும் ஊடுருவல் பாதையை பராமரிக்க சுருள்கள் துண்டிக்கப்பட்ட பகுதிகளை இணைக்க முடியும், மற்றும் (ii) பல அடுக்கு கிராபெனின் தாள்கள்/எலாஸ்டோமர் ஒன்றின் மேல் ஒன்று சரியக்கூடும், இதன் விளைவாக கிராபெனின் மின்முனைகளில் அழுத்தம் குறையும். எலாஸ்டோமரில் மாற்றப்பட்ட கிராபெனின் பல அடுக்குகளுக்கு, அடுக்குகள் ஒன்றோடொன்று வலுவாக இணைக்கப்படவில்லை, அவை திரிபுக்கு பதிலளிக்கும் விதமாக சரியக்கூடும் (27). சுருள்கள் கிராபெனின் அடுக்குகளின் கடினத்தன்மையையும் அதிகரித்தன, இது கிராபெனின் அடுக்குகளுக்கு இடையிலான பிரிவை அதிகரிக்க உதவும், எனவே கிராபெனின் அடுக்குகளின் சறுக்கலை செயல்படுத்துகிறது.
குறைந்த விலை மற்றும் அதிக செயல்திறன் காரணமாக அனைத்து-கார்பன் சாதனங்களும் உற்சாகமாகப் பின்தொடர்கின்றன. எங்கள் விஷயத்தில், அனைத்து-கார்பன் டிரான்சிஸ்டர்களும் ஒரு கீழ் கிராபெனின் வாயில், ஒரு மேல் கிராபெனின் மூல/வடிகால் தொடர்பு, ஒரு வரிசைப்படுத்தப்பட்ட CNT குறைக்கடத்தி மற்றும் ஒரு மின்கடத்தாவாக SEBS (படம் 5A) ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்தி உருவாக்கப்பட்டன. படம் 5B இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, CNTகளை மூலமாக/வடிகால் மற்றும் வாயிலாக (கீழ் சாதனம்) கொண்ட அனைத்து-கார்பன் சாதனம் கிராபெனின் மின்முனைகளைக் கொண்ட சாதனத்தை விட (மேல் சாதனம்) ஒளிபுகாதாக உள்ளது. ஏனெனில் CNT நெட்வொர்க்குகளுக்கு கிராபெனின் (படம் S4) போன்ற தாள் எதிர்ப்பை அடைய பெரிய தடிமன்கள் தேவைப்படுகின்றன, இதன் விளைவாக குறைந்த ஒளியியல் பரிமாற்றங்கள் தேவைப்படுகின்றன. படம் 5 (C மற்றும் D) இரட்டை அடுக்கு MGG மின்முனைகளால் செய்யப்பட்ட டிரான்சிஸ்டருக்கான திரிபுக்கு முன் பிரதிநிதித்துவ பரிமாற்றம் மற்றும் வெளியீட்டு வளைவுகளைக் காட்டுகிறது. வடிகட்டப்படாத டிரான்சிஸ்டரின் சேனல் அகலம் மற்றும் நீளம் முறையே 800 மற்றும் 100 μm ஆகும். அளவிடப்பட்ட ஆன்/ஆஃப் விகிதம் முறையே 10−5 மற்றும் 10−8 A அளவுகளில் ஆன் மற்றும் ஆஃப் மின்னோட்டங்களுடன் 103 ஐ விட அதிகமாக உள்ளது. வெளியீட்டு வளைவு தெளிவான கேட்-வோல்டேஜ் சார்புடன் சிறந்த நேரியல் மற்றும் சாட்யூரேஷன் ஆட்சிகளைக் காட்டுகிறது, இது CNTகள் மற்றும் கிராஃபீன் மின்முனைகளுக்கு இடையேயான சிறந்த தொடர்பைக் குறிக்கிறது (45). கிராஃபீன் மின்முனைகளுடனான தொடர்பு எதிர்ப்பு ஆவியாக்கப்பட்ட Au படலத்தை விடக் குறைவாக இருப்பது காணப்பட்டது (படம் S14 ஐப் பார்க்கவும்). நீட்டிக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டரின் செறிவூட்டல் இயக்கம் சுமார் 5.6 செ.மீ2/Vs ஆகும், இது 300-nm SiO2 ஐ மின்கடத்தா அடுக்காகக் கொண்ட திடமான Si அடி மூலக்கூறுகளில் அதே பாலிமர்-வரிசைப்படுத்தப்பட்ட CNT டிரான்சிஸ்டர்களைப் போன்றது. உகந்த குழாய் அடர்த்தி மற்றும் பிற வகை குழாய்களுடன் இயக்கத்தில் மேலும் முன்னேற்றம் சாத்தியமாகும் (46).
(A) கிராபெனின் அடிப்படையிலான நீட்டக்கூடிய டிரான்சிஸ்டரின் திட்டம். SWNTகள், ஒற்றை சுவர் கார்பன் நானோகுழாய்கள். (B) கிராபெனின் மின்முனைகள் (மேல்) மற்றும் CNT மின்முனைகள் (கீழே) ஆகியவற்றால் செய்யப்பட்ட நீட்டக்கூடிய டிரான்சிஸ்டர்களின் புகைப்படம். வெளிப்படைத்தன்மையில் உள்ள வேறுபாடு தெளிவாகக் காணப்படுகிறது. (C மற்றும் D) திரிபுக்கு முன் SEBS இல் கிராபெனின் அடிப்படையிலான டிரான்சிஸ்டரின் பரிமாற்றம் மற்றும் வெளியீட்டு வளைவுகள். (E மற்றும் F) வெவ்வேறு திரிபுகளில் கிராபெனின் அடிப்படையிலான டிரான்சிஸ்டரின் பரிமாற்ற வளைவுகள், ஆன் மற்றும் ஆஃப் மின்னோட்டம், ஆன்/ஆஃப் விகிதம் மற்றும் இயக்கம்.
வெளிப்படையான, முழு கார்பன் சாதனம் சார்ஜ் போக்குவரத்து திசைக்கு இணையான திசையில் நீட்டப்பட்டபோது, ​​120% திரிபு வரை குறைந்தபட்ச சிதைவு காணப்பட்டது. நீட்சியின் போது, ​​இயக்கம் 0% திரிபுகளில் 5.6 செ.மீ2/Vs இலிருந்து 120% திரிபுகளில் 2.5 செ.மீ2/Vs ஆக தொடர்ந்து குறைந்தது (படம் 5F). வெவ்வேறு சேனல் நீளங்களுக்கான டிரான்சிஸ்டர் செயல்திறனையும் ஒப்பிட்டுப் பார்த்தோம் (அட்டவணை S1 ஐப் பார்க்கவும்). குறிப்பாக, 105% வரை பெரிய திரிபுகளில், இந்த அனைத்து டிரான்சிஸ்டர்களும் இன்னும் அதிக ஆன்/ஆஃப் விகிதத்தையும் (>103) மற்றும் இயக்கம் (>3 செ.மீ2/Vs) வெளிப்படுத்தின. கூடுதலாக, அனைத்து கார்பன் டிரான்சிஸ்டர்களில் சமீபத்திய அனைத்து வேலைகளையும் நாங்கள் சுருக்கமாகக் கூறினோம் (அட்டவணை S2 ஐப் பார்க்கவும்) (47–52). எலாஸ்டோமர்களில் சாதன உற்பத்தியை மேம்படுத்துவதன் மூலமும், MGG களை தொடர்புகளாகப் பயன்படுத்துவதன் மூலமும், எங்கள் முழு கார்பன் டிரான்சிஸ்டர்கள் இயக்கம் மற்றும் ஹிஸ்டெரிசிஸ் மற்றும் அதிக நீட்டிக்கக்கூடிய தன்மை ஆகியவற்றின் அடிப்படையில் நல்ல செயல்திறனைக் காட்டுகின்றன.
முழுமையாக வெளிப்படையான மற்றும் நீட்டிக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டரின் பயன்பாடாக, LED இன் மாறுதலைக் கட்டுப்படுத்த இதைப் பயன்படுத்தினோம் (படம் 6A). படம் 6B இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி, மேலே நேரடியாக வைக்கப்பட்டுள்ள நீட்டிக்கக்கூடிய அனைத்து கார்பன் சாதனத்தின் மூலம் பச்சை LED ஐ தெளிவாகக் காணலாம். ~100% வரை நீட்டிக்கப்படும் போது (படம் 6, C மற்றும் D), LED ஒளி தீவிரம் மாறாது, இது மேலே விவரிக்கப்பட்ட டிரான்சிஸ்டர் செயல்திறனுடன் ஒத்துப்போகிறது (படம் S1 ஐப் பார்க்கவும்). கிராபெனின் மின்முனைகளைப் பயன்படுத்தி உருவாக்கப்பட்ட நீட்டிக்கக்கூடிய கட்டுப்பாட்டு அலகுகளின் முதல் அறிக்கை இதுவாகும், இது கிராபெனின் நீட்டிக்கக்கூடிய மின்னணுவியலுக்கான புதிய சாத்தியத்தை நிரூபிக்கிறது.
(A) LED-ஐ இயக்குவதற்கான டிரான்சிஸ்டரின் சுற்று. GND, தரை. (B) பச்சை LED-க்கு மேலே பொருத்தப்பட்ட 0% திரிபு நிலையில் நீட்டிக்கக்கூடிய மற்றும் வெளிப்படையான அனைத்து-கார்பன் டிரான்சிஸ்டரின் புகைப்படம். (C) LED-ஐ மாற்றப் பயன்படுத்தப்படும் அனைத்து-கார்பன் வெளிப்படையான மற்றும் நீட்டிக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டர் LED-க்கு மேலே 0% (இடது) மற்றும் ~100% திரிபு நிலையில் (வலது) பொருத்தப்படுகிறது. தூர மாற்றம் நீட்டப்படுவதைக் காட்ட சாதனத்தில் மஞ்சள் குறிப்பான்களாக வெள்ளை அம்புகள் சுட்டிக்காட்டுகின்றன. (D) நீட்டிக்கப்பட்ட டிரான்சிஸ்டரின் பக்கவாட்டு காட்சி, LED எலாஸ்டோமருக்குள் தள்ளப்படுகிறது.
முடிவில், அடுக்கப்பட்ட கிராஃபீன் அடுக்குகளுக்கு இடையில் கிராஃபீன் நானோஸ்க்ரோல்களால் செயல்படுத்தப்படும் நீட்டிக்கக்கூடிய மின்முனைகளாக பெரிய விகாரங்களின் கீழ் அதிக கடத்துத்திறனைப் பராமரிக்கும் ஒரு வெளிப்படையான கடத்தும் கிராஃபீன் கட்டமைப்பை நாங்கள் உருவாக்கியுள்ளோம். ஒரு எலாஸ்டோமரில் உள்ள இந்த இரு அடுக்கு MGG மின்முனை கட்டமைப்புகள், வழக்கமான மோனோலேயர் கிராஃபீன் மின்முனைகளுக்கு 5% விகாரத்தில் கடத்துத்திறன் இழப்புடன் ஒப்பிடும்போது, ​​100% வரை அதிக விகாரத்தில் அவற்றின் 0% விகார கடத்துத்திறனில் முறையே 21 மற்றும் 65% ஐ பராமரிக்க முடியும். கிராஃபீன் சுருள்களின் கூடுதல் கடத்தும் பாதைகள் மற்றும் மாற்றப்பட்ட அடுக்குகளுக்கு இடையிலான பலவீனமான தொடர்பு ஆகியவை திரிபு கீழ் உயர்ந்த கடத்துத்திறன் நிலைத்தன்மைக்கு பங்களிக்கின்றன. அனைத்து கார்பன் நீட்டிக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டர்களை உருவாக்க இந்த கிராஃபீன் கட்டமைப்பை மேலும் பயன்படுத்தினோம். இதுவரை, பக்கிங்கைப் பயன்படுத்தாமல் சிறந்த வெளிப்படைத்தன்மையுடன் மிகவும் நீட்டிக்கக்கூடிய கிராஃபீன் அடிப்படையிலான டிரான்சிஸ்டர் இதுவாகும். தற்போதைய ஆய்வு நீட்டிக்கக்கூடிய மின்னணுவியலுக்கான கிராஃபீனை இயக்குவதற்காக நடத்தப்பட்டாலும், நீட்டிக்கக்கூடிய 2D மின்னணுவியல்களை இயக்க இந்த அணுகுமுறையை மற்ற 2D பொருட்களுக்கும் நீட்டிக்க முடியும் என்று நாங்கள் நம்புகிறோம்.
பெரிய பரப்பளவு கொண்ட CVD கிராபெனின், 0.5 mtorr நிலையான அழுத்தத்தில், 50–SCCM (நிலையான கன சென்டிமீட்டர்/நிமிடத்திற்கு) CH4 மற்றும் 20–SCCM H2 ஆகியவற்றைக் கொண்டு 1000°C இல் முன்னோடிகளாகக் கொண்டு இடைநிறுத்தப்பட்ட Cu படலங்களில் (99.999%; Alfa Aesar) வளர்க்கப்பட்டது. Cu படலத்தின் இருபுறமும் மோனோலேயர் கிராபெனால் மூடப்பட்டிருந்தது. PMMA (2000 rpm; A4, மைக்ரோகெம்) இன் ஒரு மெல்லிய அடுக்கு Cu படலத்தின் ஒரு பக்கத்தில் சுழல்-பூசப்பட்டு, PMMA/G/Cu படலம்/G அமைப்பை உருவாக்கியது. பின்னர், Cu படலத்தை பொறிக்க முழு படலமும் 0.1 M அம்மோனியம் பெர்சல்பேட் [(NH4)2S2O8] கரைசலில் சுமார் 2 மணி நேரம் ஊறவைக்கப்பட்டது. இந்தச் செயல்பாட்டின் போது, ​​பாதுகாப்பற்ற பின்புற கிராபெனின் முதலில் தானிய எல்லைகளில் கிழிந்து, பின்னர் மேற்பரப்பு பதற்றம் காரணமாக சுருள்களாக உருட்டப்பட்டது. சுருள்கள் PMMA-ஆதரவு மேல் கிராபெனின் படலத்தில் இணைக்கப்பட்டு, PMMA/G/G சுருள்களை உருவாக்கியது. பின்னர் படலங்கள் பல முறை அயனியாக்கம் செய்யப்பட்ட நீரில் கழுவப்பட்டு, ஒரு கடினமான SiO2/Si அல்லது பிளாஸ்டிக் அடி மூலக்கூறு போன்ற இலக்கு அடி மூலக்கூறில் வைக்கப்பட்டன. இணைக்கப்பட்ட படலம் அடி மூலக்கூறில் காய்ந்தவுடன், மாதிரி தொடர்ச்சியாக அசிட்டோன், 1:1 அசிட்டோன்/IPA (ஐசோபிரைல் ஆல்கஹால்) மற்றும் IPA ஆகியவற்றில் 30 வினாடிகள் ஊறவைக்கப்பட்டு PMMA ஐ நீக்கப்பட்டது. படலங்கள் 100°C வெப்பநிலையில் 15 நிமிடங்களுக்கு சூடேற்றப்பட்டன அல்லது G/G சுருள் மற்றொரு அடுக்கு அதன் மீது மாற்றப்படுவதற்கு முன்பு சிக்கிய தண்ணீரை முழுவதுமாக அகற்ற இரவு முழுவதும் வெற்றிடத்தில் வைக்கப்பட்டன. அடி மூலக்கூறிலிருந்து கிராபெனின் படலம் பிரிக்கப்படுவதைத் தவிர்ப்பதற்கும், PMMA கேரியர் அடுக்கின் வெளியீட்டின் போது MGG களின் முழு கவரேஜையும் உறுதி செய்வதற்கும் இந்த நடவடிக்கை எடுக்கப்பட்டது.
MGG கட்டமைப்பின் உருவவியல் ஒரு ஆப்டிகல் நுண்ணோக்கி (லைக்கா) மற்றும் ஒரு ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (1 kV; FEI) ஆகியவற்றைப் பயன்படுத்திக் காணப்பட்டது. G சுருள்களின் விவரங்களைக் கண்காணிக்க ஒரு அணு விசை நுண்ணோக்கி (நானோஸ்கோப் III, டிஜிட்டல் கருவி) டேப்பிங் முறையில் இயக்கப்பட்டது. ஒரு புற ஊதா-தெரியும் நிறமாலை (அஜிலன்ட் கேரி 6000i) மூலம் பட வெளிப்படைத்தன்மை சோதிக்கப்பட்டது. திரிபு மின்னோட்ட ஓட்டத்தின் செங்குத்தாக இருக்கும் போது சோதனைகளுக்கு, ஃபோட்டோலித்தோகிராபி மற்றும் O2 பிளாஸ்மா ஆகியவை கிராஃபீன் கட்டமைப்புகளை கீற்றுகளாக (~300 μm அகலம் மற்றும் ~2000 μm நீளம்) வடிவமைக்கப் பயன்படுத்தப்பட்டன, மேலும் Au (50 nm) மின்முனைகள் நீண்ட பக்கத்தின் இரு முனைகளிலும் நிழல் முகமூடிகளைப் பயன்படுத்தி வெப்பமாக வைக்கப்பட்டன. பின்னர் கிராபெனின் பட்டைகள் ஒரு SEBS எலாஸ்டோமருடன் (~2 செ.மீ அகலம் மற்றும் ~5 செ.மீ நீளம்) தொடர்பில் வைக்கப்பட்டன, பட்டைகளின் நீண்ட அச்சு SEBS இன் குறுகிய பக்கத்திற்கு இணையாக BOE (பஃபர்டு ஆக்சைடு எட்ச்) (HF:H2O 1:6) பொறித்தல் மற்றும் யூடெக்டிக் காலியம் இண்டியம் (EGaIn) மின் தொடர்புகளாக இருந்தன. இணையான திரிபு சோதனைகளுக்கு, வடிவமற்ற கிராபெனின் கட்டமைப்புகள் (~5 × 10 மிமீ) SEBS அடி மூலக்கூறின் நீண்ட பக்கத்திற்கு இணையான நீண்ட அச்சுகளுடன் SEBS அடி மூலக்கூறுகளுக்கு மாற்றப்பட்டன. இரண்டு நிகழ்வுகளிலும், முழு G (G சுருள்கள் இல்லாமல்)/SEBS ஒரு கையேடு கருவியில் எலாஸ்டோமரின் நீண்ட பக்கத்தில் நீட்டப்பட்டன, மேலும் இடத்தில், குறைக்கடத்தி பகுப்பாய்வி (கீத்லி 4200-SCS) மூலம் ஒரு ஆய்வு நிலையத்தில் அழுத்தத்தின் கீழ் அவற்றின் எதிர்ப்பு மாற்றங்களை அளந்தோம்.
ஒரு மீள் அடி மூலக்கூறில் உள்ள மிகவும் நீட்டிக்கக்கூடிய மற்றும் வெளிப்படையான அனைத்து-கார்பன் டிரான்சிஸ்டர்கள், பாலிமர் மின்கடத்தா மற்றும் அடி மூலக்கூறின் கரிம கரைப்பான் சேதத்தைத் தவிர்க்க பின்வரும் நடைமுறைகளால் புனையப்பட்டன. MGG கட்டமைப்புகள் SEBS க்கு வாயில் மின்முனைகளாக மாற்றப்பட்டன. ஒரு சீரான மெல்லிய-படல பாலிமர் மின்கடத்தா அடுக்கை (2 μm தடிமன்) பெற, ஒரு SEBS டோலுயீன் (80 mg/ml) கரைசல் 1 நிமிடம் 1000 rpm இல் ஒரு ஆக்டாடெசில்ட்ரைக்ளோரோசிலேன் (OTS)–மாற்றியமைக்கப்பட்ட SiO2/Si அடி மூலக்கூறில் சுழல்-பூசப்பட்டது. மெல்லிய மின்கடத்தா படலத்தை ஹைட்ரோபோபிக் OTS மேற்பரப்பில் இருந்து தயாரிக்கப்பட்ட கிராபெனால் மூடப்பட்ட SEBS அடி மூலக்கூறுக்கு எளிதாக மாற்றலாம். LCR (தூண்டல், கொள்ளளவு, எதிர்ப்பு) மீட்டரை (அஜிலன்ட்) பயன்படுத்தி மின்தேக்கத்தை திரிபு செயல்பாடாக தீர்மானிக்க ஒரு திரவ-உலோகம் (EGaIn; சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்) மேல் மின்முனையை வைப்பதன் மூலம் ஒரு மின்தேக்கியை உருவாக்க முடியும். டிரான்சிஸ்டரின் மற்ற பகுதி பாலிமர்-வரிசைப்படுத்தப்பட்ட குறைக்கடத்தி CNTகளைக் கொண்டிருந்தது, முன்பு (53) அறிவிக்கப்பட்ட நடைமுறைகளைப் பின்பற்றி. வடிவமைக்கப்பட்ட மூல/வடிகால் மின்முனைகள் கடினமான SiO2/Si அடி மூலக்கூறுகளில் புனையப்பட்டன. பின்னர், மின்கடத்தா/G/SEBS மற்றும் CNTகள்/வடிவமைக்கப்பட்ட G/SiO2/Si ஆகிய இரண்டு பாகங்களும் ஒன்றோடொன்று லேமினேட் செய்யப்பட்டு, கடினமான SiO2/Si அடி மூலக்கூறை அகற்ற BOE இல் ஊறவைக்கப்பட்டன. இதனால், முழுமையாக வெளிப்படையான மற்றும் நீட்டிக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டர்கள் புனையப்பட்டன. மேற்கூறிய முறையின்படி, அழுத்தத்தின் கீழ் மின் சோதனை கையேடு நீட்சி அமைப்பில் செய்யப்பட்டது.
இந்தக் கட்டுரைக்கான துணைப் பொருள் http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 இல் கிடைக்கிறது.
படம். S1. வெவ்வேறு உருப்பெருக்கங்களில் SiO2/Si அடி மூலக்கூறுகளில் ஒற்றை அடுக்கு MGG இன் ஒளியியல் நுண்ணோக்கி படங்கள்.
படம். S4. மோனோ-, பை- மற்றும் ட்ரை-லேயர் ப்ளைன் கிராஃபீன் (கருப்பு சதுரங்கள்), MGG (சிவப்பு வட்டங்கள்) மற்றும் CNTகள் (நீல முக்கோணம்) @550 nm இல் இரண்டு-ஆய்வு தாள் எதிர்ப்புகள் மற்றும் பரிமாற்றங்களின் ஒப்பீடு.
படம். S7. ~1000 சுழற்சி திரிபுகளின் கீழ் மோனோ- மற்றும் இரு அடுக்கு MGGகள் (கருப்பு) மற்றும் G (சிவப்பு) ஆகியவற்றின் இயல்பாக்கப்பட்ட எதிர்ப்பு மாற்றம் முறையே 40 மற்றும் 90% இணையான திரிபு வரை ஏற்றப்படுகிறது.
படம். S10. திரிபுக்குப் பிறகு SEBS எலாஸ்டோமரில் மூன்று அடுக்கு MGG இன் SEM படம், பல விரிசல்களின் மீது நீண்ட உருள் குறுக்குவெட்டைக் காட்டுகிறது.
படம். S12. மிக மெல்லிய SEBS எலாஸ்டோமரில் 20% திரிபு நிலையில் உள்ள ட்ரைலேயர் MGG இன் AFM படம், ஒரு சுருள் ஒரு விரிசலின் மீது குறுக்கே சென்றதைக் காட்டுகிறது.
அட்டவணை S1. திரிபுக்கு முன்னும் பின்னும் வெவ்வேறு சேனல் நீளங்களில் இரு அடுக்கு MGG–ஒற்றை சுவர் கார்பன் நானோகுழாய் டிரான்சிஸ்டர்களின் இயக்கம்.
இது கிரியேட்டிவ் காமன்ஸ் அட்ரிபியூஷன்-வணிகமற்ற உரிமத்தின் விதிமுறைகளின் கீழ் விநியோகிக்கப்படும் ஒரு திறந்த அணுகல் கட்டுரையாகும், இது எந்தவொரு ஊடகத்திலும் பயன்படுத்த, விநியோகிக்க மற்றும் மறுஉருவாக்கத்தை அனுமதிக்கிறது, இதன் விளைவாகப் பயன்படுத்தப்படும் பயன்பாடு வணிக நன்மைக்காக இல்லாத வரை மற்றும் அசல் படைப்பு முறையாக மேற்கோள் காட்டப்பட்டிருந்தால்.
குறிப்பு: நீங்கள் பக்கத்தைப் பரிந்துரைக்கும் நபருக்கு, நீங்கள் அதைப் பார்க்க விரும்பினீர்கள் என்பதையும், அது குப்பை அஞ்சல் அல்ல என்பதையும் அறியும் வகையில் மட்டுமே நாங்கள் உங்கள் மின்னஞ்சல் முகவரியைக் கோருகிறோம். நாங்கள் எந்த மின்னஞ்சல் முகவரியையும் கைப்பற்றுவதில்லை.
நீங்கள் ஒரு மனித பார்வையாளரா இல்லையா என்பதைச் சோதிப்பதற்கும் தானியங்கி ஸ்பேம் சமர்ப்பிப்புகளைத் தடுப்பதற்கும் இந்தக் கேள்வி.
நான் லியு, அலெக்ஸ் சோர்டோஸ், டிங் லீ, லிஹுவா ஜின், டேஹோ ராய் கிம், வோன்-கியூ பே, சென்க்சின் ஜு, சிஹோங் வாங், ரஃபேல் ஃபாட்னர், சியுவான் சென், ராபர்ட் சின்க்ளேர், ஜெனன் பாவோ
நான் லியு, அலெக்ஸ் சோர்டோஸ், டிங் லீ, லிஹுவா ஜின், டேஹோ ராய் கிம், வோன்-கியூ பே, சென்க்சின் ஜு, சிஹோங் வாங், ரஃபேல் ஃபாட்னர், சியுவான் சென், ராபர்ட் சின்க்ளேர், ஜெனன் பாவோ
© 2021 அறிவியல் முன்னேற்றத்திற்கான அமெரிக்க சங்கம். அனைத்து உரிமைகளும் பாதுகாக்கப்பட்டவை. AAAS ஆனது HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef மற்றும் COUNTER ஆகியவற்றின் கூட்டாளியாகும். அறிவியல் முன்னேற்றங்கள் ISSN 2375-2548.