අති විනිවිද පෙනෙන සහ දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ

ග්‍රැෆීන් වැනි ද්විමාන ද්‍රව්‍ය, නම්‍යශීලී ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල සාම්ප්‍රදායික අර්ධ සන්නායක යෙදුම් සහ නව යෙදුම් යන දෙකටම ආකර්ශනීය වේ. කෙසේ වෙතත්, ග්‍රැෆීන්හි ඉහළ ආතන්‍ය ශක්තිය අඩු වික්‍රියාවකදී කැඩී යාමේ ප්‍රතිඵලයක් වන අතර, දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල එහි ඇති අසාමාන්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික ගුණාංගවලින් ප්‍රයෝජන ගැනීම අභියෝගාත්මක කරයි. විනිවිද පෙනෙන ග්‍රැෆීන් සන්නායකවල විශිෂ්ඨ වික්‍රියා මත යැපෙන කාර්ය සාධනයක් සක්‍රීය කිරීම සඳහා, අපි බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන්/ග්‍රැෆීන් අනුචලන (MGGs) ලෙස හඳුන්වන, ගොඩගැසූ ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර ග්‍රැෆීන් නැනෝස්ක්‍රෝල් නිර්මාණය කළෙමු. ආතතිය යටතේ, සමහර ලියවිලි ඉහළ වික්‍රියා වලදී විශිෂ්ට සන්නායකතාව සක්‍රීය කරන percolating ජාලයක් පවත්වා ගැනීම සඳහා ග්‍රැෆීන්හි ඛණ්ඩනය වූ වසම් පාලම් කළේය. ඉලාස්ටෝමර් මත සහාය දක්වන ට්‍රයිලේයර් එම්ජීජී ඒවායේ මුල් සන්නායකතාවයෙන් 65% ක් 100% වික්‍රියාවෙන් රඳවා ගත් අතර එය ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බක වන අතර නැනෝස්ක්‍රෝල් රහිත ග්‍රැෆීන් ට්‍රයිලේයර් පටල ඒවායේ ආරම්භක සන්නායකතාවයෙන් 25% ක් පමණක් රඳවා තබා ඇත. MGGs ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස භාවිතා කරමින් නිපදවන ලද දිගු කළ හැකි සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටරයක්> 90% සම්ප්‍රේෂණයක් ප්‍රදර්ශනය කළ අතර එහි මුල් ධාරා ප්‍රතිදානයෙන් 60% ක් 120% වික්‍රියාවේදී (ආරෝපණ ප්‍රවාහනයේ දිශාවට සමාන්තරව) රඳවා තබා ඇත. මෙම අතිශයින් දිගු කළ හැකි සහ විනිවිද පෙනෙන සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටරවලට නවීන දිගු කළ හැකි දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික් සක්‍රීය කළ හැකිය.
දිගු කළ හැකි විනිවිද පෙනෙන ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාව යනු දියුණු ජෛව ඒකාබද්ධ පද්ධතිවල (1, 2) වැදගත් යෙදුම් මෙන්ම නවීන මෘදු රොබෝ යන්ත්‍ර සහ සංදර්ශක නිෂ්පාදනය කිරීම සඳහා දිගු කළ හැකි ඔප්ටෝ ඉලෙක්ට්‍රොනික්ස් (3, 4) සමඟ ඒකාබද්ධ වීමේ හැකියාව ඇති වර්ධනය වන ක්ෂේත්‍රයකි. ග්‍රැෆීන් පරමාණුක ඝනකම, ඉහළ පාරදෘශ්‍යභාවය සහ ඉහළ සන්නායකතාවයේ ඉතා යෝග්‍ය ගුණාංග ප්‍රදර්ශනය කරයි, නමුත් දිගු කළ හැකි යෙදුම්වල එය ක්‍රියාත්මක කිරීම කුඩා වික්‍රියා වලදී ඉරිතැලීමේ ප්‍රවණතාවයෙන් වළක්වයි. ග්‍රැෆීන්හි යාන්ත්‍රික සීමාවන් අභිබවා යාමෙන් දිගු කළ හැකි විනිවිද පෙනෙන උපාංගවල නව ක්‍රියාකාරිත්වය සක්‍රීය කළ හැකිය.
ග්‍රැෆීන් වල ඇති අද්විතීය ගුණාංග එය ඊළඟ පරම්පරාවේ විනිවිද පෙනෙන සන්නායක ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (5, 6) සඳහා ප්‍රබල අපේක්ෂකයෙකු බවට පත් කරයි. බහුලව භාවිතා වන විනිවිද පෙනෙන සන්නායකය සමඟ සසඳන විට, ඉන්ඩියම් ටින් ඔක්සයිඩ් [ITO; 100 ohms/square (sq) 90% විනිවිදභාවය ], රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීම (CVD) මගින් වර්ධනය කරන ලද ඒකස්ථර ග්‍රැෆීනයට සමාන පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයක් (125 ohms/sq) සහ විනිවිදභාවය (97.4%) (5) ඇත. මීට අමතරව, ග්‍රැෆීන් චිත්‍රපට ITO (7) හා සසඳන විට අසාමාන්‍ය නම්‍යශීලී බවක් ඇත. නිදසුනක් ලෙස, ප්ලාස්ටික් උපස්ථරයක් මත, එහි සන්නායකතාවය 0.8 mm (8) තරම් කුඩා නැමීමේ අරය සඳහා පවා රඳවා ගත හැකිය. පාරදෘශ්‍ය නම්‍යශීලී සන්නායකයක් ලෙස එහි විද්‍යුත් ක්‍රියාකාරීත්වය තවදුරටත් වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා, පෙර කෘතීන් විසින් ඒකමාන (1D) රිදී නැනෝ වයර් හෝ කාබන් නැනෝ ටියුබ් (CNTs) (9-11) සමඟ ග්‍රැෆීන් දෙමුහුන් ද්‍රව්‍ය නිපදවා ඇත. තවද, ග්‍රැෆීන් මිශ්‍ර මාන විෂම ව්‍යුහාත්මක අර්ධ සන්නායක සඳහා ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස භාවිතා කර ඇත (2D තොග Si, 1D නැනෝ වයර්/නැනෝ ටියුබ්, සහ 0D ක්වොන්ටම් තිත් ) (12), නම්‍යශීලී ට්‍රාන්සිස්ටර, සූර්ය කෝෂ සහ ආලෝක විමෝචක දියෝඩ (LED) (13) –23).
නම්‍යශීලී ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා ග්‍රැෆීන් යහපත් ප්‍රතිඵල පෙන්නුම් කර ඇතත්, දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල එහි යෙදීම එහි යාන්ත්‍රික ගුණාංග මගින් සීමා කර ඇත (17, 24, 25); ග්‍රැෆීන්හි තලය තුළ දෘඪතාව 340 N/m වන අතර යංග් මොඩියුලය 0.5 TPa (26) වේ. ප්‍රබල කාබන්-කාබන් ජාලය ව්‍යවහාරික වික්‍රියා සඳහා කිසිදු බලශක්ති විසර්ජන යාන්ත්‍රණයක් සපයන්නේ නැති අතර එම නිසා 5% ට වඩා අඩු වික්‍රියාවකදී පහසුවෙන් ඉරිතලා යයි. උදාහරණයක් ලෙස, CVD ග්‍රැෆීන් පොලිඩිමෙතිල්සිලොක්සේන් (PDMS) ප්‍රත්‍යාස්ථ උපස්ථරයක් මතට මාරු කළ විට එහි සන්නායකතාවය පවත්වා ගත හැක්කේ 6% වික්‍රියා (8) ට වඩා අඩුවෙන් පමණි. න්‍යායික ගණනය කිරීම්වලින් පෙනී යන්නේ විවිධ ස්තර අතර ගැටීම සහ අන්තර් ක්‍රියාකාරිත්වය දැඩි බව දැඩි ලෙස අඩු කළ යුතු බවයි (26). ග්‍රැෆීන් බහු ස්ථරවලට ගොඩගැසීමෙන්, මෙම ද්වි-හෝ ත්‍රි-ස්ථර ග්‍රැෆීන් 30% වික්‍රියා දක්වා දිගු කළ හැකි බව වාර්තා වේ, ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් (27) ට වඩා 13 ගුණයකින් කුඩා ප්‍රතිරෝධක වෙනසක් පෙන්නුම් කරයි. කෙසේ වෙතත්, මෙම දිගු කිරීමේ හැකියාව තවමත් අති නවීන දිගු කළ හැකි c සන්නායකවලට වඩා සැලකිය යුතු ලෙස පහත් ය (28, 29).
ට්‍රාන්සිස්ටර දිගු කළ හැකි යෙදුම්වල වැදගත් වන්නේ ඒවා සංකීර්ණ සංවේදක කියවීම සහ සංඥා විශ්ලේෂණය (30, 31) සක්‍රීය කරන බැවිනි. ප්‍රභව/කාණු ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහ නාලිකා ද්‍රව්‍ය ලෙස බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන් සහිත PDMS හි ට්‍රාන්සිස්ටරවලට 5% වික්‍රියා (32) දක්වා විද්‍යුත් ක්‍රියාකාරිත්වය පවත්වා ගත හැක, එය පැළඳිය හැකි සෞඛ්‍ය අධීක්ෂණ සංවේදක සහ ඉලෙක්ට්‍රොනික සම සඳහා අවශ්‍ය අවම අගයට (~50%) සැලකිය යුතු ලෙස අඩුය. 33, 34). මෑතකදී, ග්‍රැෆීන් කිරිගාමි ප්‍රවේශයක් ගවේෂණය කර ඇති අතර, ද්‍රව ඉලෙක්ට්‍රෝලය මගින් ට්‍රාන්සිස්ටර ගේට්ටුව 240% (35) දක්වා දිගු කළ හැකිය. කෙසේ වෙතත්, මෙම ක්‍රමයට අත්හිටවූ ග්‍රැෆීන් අවශ්‍ය වන අතර එමඟින් නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලිය සංකීර්ණ වේ.
මෙහිදී, අපි ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර ග්‍රැෆීන් අනුචලන (~1 සිට 20 μm දිග, ~0.1 සිට 1 μm දක්වා පළල සහ ~10 සිට 100 nm දක්වා උස) අන්තර් සම්බන්ධ කිරීම මඟින් ඉතා දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන් උපාංග ලබා ගනිමු. මෙම ග්‍රැෆීන් ලියවිලි මගින් ග්‍රැෆීන් පත්‍රවල පාලම් ඉරිතැලීම් සඳහා සන්නායක මාර්ග සැපයිය හැකි බව අපි උපකල්පනය කරමු. ග්‍රැෆීන් ලියවිලිවලට අමතර සංස්ලේෂණයක් හෝ ක්‍රියාවලියක් අවශ්‍ය නොවේ; ඒවා තෙත් මාරු කිරීමේ ක්රියාපටිපාටිය තුළ ස්වභාවිකව පිහිටුවා ඇත. බහු ස්ථර G/G (ග්‍රැෆීන්/ග්‍රැෆීන්) අනුචලන (MGGs) ග්‍රැෆීන් දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (මූලාශ්‍රය/කාණු සහ ගේට්ටුව) සහ අර්ධ සන්නායක CNT භාවිතා කිරීමෙන්, අපට 120 දක්වා දිගු කළ හැකි ඉතා විනිවිද පෙනෙන සහ ඉතා දිගු කළ හැකි සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර ප්‍රදර්ශනය කිරීමට හැකි විය. % වික්‍රියා (ආරෝපණ ප්‍රවාහනයේ දිශාවට සමාන්තරව) සහ ඒවායේ මුල් ධාරා ප්‍රතිදානයෙන් 60% රඳවා තබා ගනී. මෙය මෙතෙක් දිගු කළ හැකි විනිවිද පෙනෙන කාබන් මත පදනම් වූ ට්‍රාන්සිස්ටරය වන අතර එය අකාබනික LED එකක් ධාවනය කිරීමට ප්‍රමාණවත් ධාරාවක් සපයයි.
විශාල ප්‍රදේශයක විනිවිද පෙනෙන දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සක්‍රීය කිරීමට, අපි Cu තීරු මත CVD-වර්ධනය වූ ග්‍රැෆීන් තෝරා ගත්තෙමු. G/Cu/G ව්‍යුහයන් සාදමින් දෙපස ග්‍රැෆීන් වර්ධනයට ඉඩ සැලසීම සඳහා Cu තීරුව CVD ක්වාර්ට්ස් නළයක මධ්‍යයේ අත්හිටුවන ලදී. ග්‍රැෆීන් මාරු කිරීම සඳහා, අපි ප්‍රථමයෙන් ග්‍රැෆීන්හි එක් පැත්තක් ආරක්ෂා කිරීම සඳහා පොලි (මෙතිල් මෙතක්‍රයිලේට්) (පීඑම්එම්ඒ) තුනී ස්ථරයක් කරකැවූ අතර, අපි එය ටොප්සයිඩ් ග්‍රැෆීන් ලෙස නම් කළෙමු (ග්‍රැෆීන්හි අනෙක් පැත්ත සඳහා ප්‍රතිවිරුද්ධව), පසුව, සම්පූර්ණ චිත්‍රපටය (PMMA/top graphene/Cu/bottom graphene) Cu තීරු ඉවත් කිරීම සඳහා (NH4)2S2O8 ද්‍රාවණයක පොඟවා ඇත. පීඑම්එම්ඒ ආෙල්පනය නොමැතිව පහළ පැත්තේ ඇති ග්‍රැෆීන් නොවැළැක්විය හැකි ලෙස ඉරිතැලීම් සහ දෝෂ ඇති අතර එමඟින් එච්චාන්ට් එකක් විනිවිද යාමට ඉඩ සලසයි (36, 37). Fig. 1A හි නිදර්ශනය කර ඇති පරිදි, පෘෂ්ඨික ආතතියේ බලපෑම යටතේ, මුදා හරින ලද ග්‍රැෆීන් වසම් අනුචලන බවට පෙරළී ඇති අතර පසුව ඉතිරි ඉහළ-G/PMMA පටලයට අමුණා ඇත. Top-G/G අනුචලන SiO2/Si, වීදුරු, හෝ මෘදු පොලිමර් වැනි ඕනෑම උපස්ථරයක් වෙත මාරු කළ හැක. මෙම මාරු කිරීමේ ක්‍රියාවලිය එකම උපස්ථරය මත කිහිප වතාවක් නැවත නැවත කිරීම MGG ව්‍යුහයන් ලබා දෙයි.
(A) දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් ලෙස MGG සඳහා නිපදවන ක්‍රියා පටිපාටිය පිළිබඳ ක්‍රමානුකූල නිදර්ශනය. ග්‍රැෆීන් මාරු කිරීමේදී, Cu තීරුවේ පිටුපස ඇති ග්‍රැෆීන් මායිම් සහ දෝෂ වලින් කැඩී, හිතුවක්කාර හැඩයට පෙරළී, නැනෝ ස්ක්‍රෝල් සාදමින් ඉහළ පටල මත තදින් ඇමිණිණි. සිව්වන කාටූනය ගොඩගැසූ MGG ව්‍යුහය නිරූපණය කරයි. (B සහ C) පිළිවෙළින් ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් (B) සහ අනුචලන (C) කලාපය කෙරෙහි අවධානය යොමු කරමින් ඒකස්ථර MGG හි අධි-විභේදන TEM ලක්ෂණ. (B) හි ඇතුල් කිරීම TEM ජාලකයේ ඒකස්ථර MGG වල සමස්ත රූප විද්‍යාව පෙන්වන අඩු විශාලන රූපයකි. (C) හි ඇතුල් කිරීම් යනු රූපයේ දක්වා ඇති සෘජුකෝණාස්රාකාර පෙට්ටි දිගේ ගන්නා ලද තීව්රතා පැතිකඩයන් වන අතර, පරමාණුක තල අතර දුර 0.34 සහ 0.41 nm වේ. (D ) ලාක්ෂණික ග්‍රැෆිටික් π* සහ σ* මුදුන් ලේබල් කර ඇති කාබන් K-edge EEL වර්ණාවලිය. (E) කහ තිත් රේඛාව ඔස්සේ උස පැතිකඩක් සහිත ඒකස්ථර G/G අනුචලනවල අංශ AFM රූපය. (F සිට I දක්වා) පිළිවෙළින් 300-nm-ඝන SiO2/Si උපස්ථර මත (F සහ H) සහ අනුචලන (G සහ I) සහිත ට්‍රයිලේයර් G හි ප්‍රකාශ අන්වීක්ෂය සහ AFM රූප. ඒවායේ වෙනස්කම් ඉස්මතු කිරීමට නියෝජිත ලියවිලි සහ රැලි ලේබල් කර ඇත.
අකුළන ග්‍රැෆීන් ස්වභාවධර්මයේ රෝල් කර ඇති බව තහවුරු කර ගැනීම සඳහා, අපි ඒකස්ථර ඉහළ-G/G අනුචලන ව්‍යුහයන් පිළිබඳ අධි-විභේදන සම්ප්‍රේෂණ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂ (TEM) සහ ඉලෙක්ට්‍රෝන බලශක්ති අලාභය (EEL) වර්ණාවලීක්ෂ අධ්‍යයනයන් සිදු කළෙමු. රූප සටහන 1B මඟින් ඒකස්ථර ග්‍රැෆීනයක ෂඩාස්‍ර ව්‍යුහය පෙන්නුම් කරන අතර, ඇතුල් කිරීම TEM ජාලකයේ තනි කාබන් කුහරයක් මත ආවරණය කර ඇති චිත්‍රපටයේ සමස්ත රූප විද්‍යාවකි. ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් ජාලකයේ වැඩි කොටසක් විහිදෙන අතර, ෂඩාස්‍රාකාර වළලු බහු අට්ටි ඉදිරියේ සමහර ග්‍රැෆීන් පෙති දිස්වේ (රූපය 1B). තනි අනුචලනයකට විශාලනය කිරීමෙන් (රූපය 1C), අපි ග්‍රැෆීන් දැලිස් දාර විශාල ප්‍රමාණයක් නිරීක්ෂණය කළෙමු, දැලිස් පරතරය 0.34 සිට 0.41 nm දක්වා පරාසයක පවතී. මෙම මිණුම්වලින් ඇඟවෙන්නේ "ABAB" ස්ථර ගොඩගැසීමේදී 0.34 nm ක දැලිස් පරතරයක් ඇති පතුරු අහඹු ලෙස රෝල් කර ඇති අතර පරිපූර්ණ මිනිරන් නොවන බවයි. රූප සටහන 1D පෙන්නුම් කරන්නේ කාබන් K-edge EEL වර්ණාවලියයි, එහිදී 285 eV හි උච්චය π* කක්ෂයෙන් ආරම්භ වන අතර අනෙක් එක 290 eV වටා ඇති σ* කාක්ෂිකයේ සංක්‍රාන්තිය නිසා වේ. මෙම ව්‍යුහය තුළ sp2 බන්ධනය ආධිපත්‍යය දරන බව දැකිය හැකි අතර, එම ලියවිලි ඉතා ග්‍රැෆික් බව තහවුරු කරයි.
ඔප්ටිකල් අන්වීක්ෂය සහ පරමාණුක බල අන්වීක්ෂය (AFM) රූප මගින් MGGs (Fig. 1, E සිට G දක්වා සහ figs. S1 සහ S2) ග්‍රැෆීන් නැනෝස්ක්‍රෝල් ව්‍යාප්තිය පිළිබඳ අවබෝධයක් ලබා දේ. අකුළන මතුපිට අහඹු ලෙස බෙදා හරින අතර, ඒවායේ තලයේ ඝනත්වය ගොඩගැසූ ස්ථර ගණනට සමානුපාතිකව වැඩිවේ. බොහෝ ලියවිලි ගැටවලට පැටලී ඇති අතර 10 සිට 100 nm දක්වා පරාසයක ඒකාකාර නොවන උස ප්‍රදර්ශනය කරයි. ඒවා 1 සිට 20 μm දක්වා දිග සහ 0.1 සිට 1 μm දක්වා පළල, ඒවායේ ආරම්භක ග්‍රැෆීන් පෙතිවල ප්‍රමාණය මත රඳා පවතී. Fig. 1 (H සහ I) හි පෙන්වා ඇති පරිදි, ලියවිලිවල රැලිවලට වඩා සැලකිය යුතු තරම් විශාල ප්‍රමාණ ඇති අතර, ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර වඩාත් රළු අතුරු මුහුණතක් ඇති කරයි.
විද්‍යුත් ගුණ මැනීම සඳහා, අපි ග්‍රැෆීන් චිත්‍රපට අනුචලන ව්‍යුහයන් සහිත හෝ රහිතව රටා සකස් කර ෆොටෝලිතෝග්‍රැෆි භාවිතයෙන් 300-μm-පළල සහ 2000-μm-දිග තීරුවලට ස්ථර ගොඩගැසීම. වික්‍රියාවේ ශ්‍රිතයක් ලෙස ද්වි-පරීක්ෂණ ප්‍රතිරෝධයන් පරිසර තත්ව යටතේ මනිනු ලැබේ. ලියවිලි තිබීම නිසා ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් සඳහා ප්‍රතිරෝධය 80% කින් අඩු කරන ලද අතර සම්ප්‍රේෂණයේ 2.2% ක අඩුවීමක් පමණක් විය (fig. S4). 5 × 107 A/cm2 (38, 39 ) දක්වා ඉහළ ධාරා ඝනත්වයක් ඇති නැනෝස්ක්‍රෝල් MGG සඳහා ඉතා ධනාත්මක විද්‍යුත් දායකත්වයක් සපයන බව මෙයින් තහවුරු වේ. සියලුම mono-, bi-, සහ trilayer plain graphene සහ MGGs අතර, 90% ක පමණ විනිවිදභාවයකින් යුත් හොඳම සන්නායකතාවය MGG ට්‍රයිලේයරයට ඇත. සාහිත්‍යයේ වාර්තා කර ඇති ග්‍රැෆීන්හි අනෙකුත් ප්‍රභවයන් සමඟ සංසන්දනය කිරීම සඳහා, අපි සිව්-පරීක්ෂණ පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් (fig. S5) ද මැන බලා ඒවා 2A හි 550 nm (fig. S6) හි සම්ප්‍රේෂණ ශ්‍රිතයක් ලෙස ලැයිස්තුගත කළෙමු. MGG කෘත්‍රිමව ගොඩගැසී ඇති බහුජන ප්ලේන් ග්‍රැෆීන් සහ අඩු කරන ලද ග්‍රැෆීන් ඔක්සයිඩ් (RGO) (6, 8, 18) ට වඩා සංසන්දනාත්මක හෝ ඉහළ සන්නායකතාවය සහ විනිවිදභාවය පෙන්නුම් කරයි. සාහිත්‍යයේ කෘත්‍රිමව ගොඩගැසූ බහු ස්ථර ප්ලේන් ග්‍රැෆීන්හි පත්‍ර ප්‍රතිරෝධය අපගේ MGG වලට වඩා මදක් වැඩි බව සලකන්න, සමහර විට ඒවායේ ප්‍රශස්ත නොවන වර්ධන තත්ත්වයන් සහ මාරු කිරීමේ ක්‍රමය නිසා විය හැකිය.
(A) ග්‍රැෆීන් වර්ග කිහිපයක් සඳහා 550 nm හි සම්ප්‍රේෂණයට එදිරිව සිව්-පරීක්ෂණ පත්‍ර ප්‍රතිරෝධය, කළු චතුරශ්‍ර මගින් mono-, bi- සහ trilayer MGGs දක්වයි; රතු කව සහ නිල් ත්‍රිකෝණ Li et al අධ්‍යයනයෙන් Cu සහ Ni මත වගා කරන ලද බහු ස්ථර සරල ග්‍රැෆීන් සමඟ අනුරූප වේ. (6) සහ කිම් සහ අල්. (8), පිළිවෙලින්, පසුව SiO2/Si හෝ quartz වෙත මාරු කරනු ලැබේ; සහ හරිත ත්‍රිකෝණ යනු Bonaccorso et al අධ්‍යයනයෙන් වෙනස් අඩු කිරීමේ මට්ටම්වල RGO සඳහා අගයන් වේ. (18) (B සහ C) ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බක (B) සහ සමාන්තර (C) වික්‍රියා වල ශ්‍රිතයක් ලෙස mono-, bi- සහ trilayer MGGs සහ G වල සාමාන්‍ය ප්‍රතිරෝධ වෙනස් වීම. (D) චක්‍රීය වික්‍රියා යටතේ 50% ලම්බක වික්‍රියාවක් දක්වා පැටවීම යටතේ ද්වි-ස්ථර G (රතු) සහ MGG (කළු) වල සාමාන්‍ය ප්‍රතිරෝධ වෙනස් වීම. (E) 90% සමාන්තර වික්‍රියාවක් දක්වා පැටවීම චක්‍රීය වික්‍රියා යටතේ ට්‍රයිලේයර් G (රතු) සහ MGG (කළු) වල සාමාන්‍ය ප්‍රතිරෝධ වෙනස් වීම. (F) වික්‍රියා කාර්යයක් ලෙස mono-, bi- සහ trilayer G සහ bi- සහ trilayer MGG වල සාමාන්‍ය ධාරණාව වෙනස් කිරීම. ඇතුල් කිරීම යනු ධාරිත්‍රක ව්‍යුහය වන අතර, එහිදී පොලිමර් උපස්ථරය SEBS වන අතර පොලිමර් පාර විද්‍යුත් ස්ථරය 2-μm-ඝන SEBS වේ.
MGG හි වික්‍රියා මත යැපෙන කාර්ය සාධනය ඇගයීම සඳහා, අපි ග්‍රැෆීන් තාප ප්ලාස්ටික් ඉලාස්ටෝමර් ස්ටයිරීන්-එතිලීන්-බියුටැඩීන්-ස්ටයිරීන් (SEBS) උපස්ථර (~2 cm පළල සහ ~5 cm දිග) වෙත මාරු කළ අතර, උපස්ථරය දිගු වූ විට සන්නායකතාවය මනිනු ලැබේ. (ද්‍රව්‍ය සහ ක්‍රම බලන්න) ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බකව සහ සමාන්තරව (රූපය 2, B සහ C). නැනෝස්ක්‍රෝල් ඇතුළත් කිරීම සහ ග්‍රැෆීන් ස්ථර ගණන වැඩි වීමත් සමඟ වික්‍රියා මත යැපෙන විද්‍යුත් හැසිරීම වැඩිදියුණු විය. උදාහරණයක් ලෙස, වික්‍රියාව ධාරා ප්‍රවාහයට ලම්බක වන විට, ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් සඳහා, අනුචලන එකතු කිරීම මගින් විද්‍යුත් බිඳවැටීමේ දී ආතතිය 5 සිට 70% දක්වා වැඩි විය. ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් හා සසඳන විට ට්‍රයිලේයර් ග්‍රැෆීන්හි වික්‍රියා ඉවසීම ද සැලකිය යුතු ලෙස වැඩි දියුණු කර ඇත. නැනෝස්ක්‍රෝල් සමඟ, 100% ලම්බක වික්‍රියාවේදී, ට්‍රයිලේයර් MGG ව්‍යුහයේ ප්‍රතිරෝධය 50% කින් පමණක් වැඩි විය, අනුචලන රහිත ට්‍රයිලේයර් ග්‍රැෆීන් සඳහා 300% ට සාපේක්ෂව. චක්‍රීය වික්‍රියා පැටවීම යටතේ ප්‍රතිරෝධ වෙනස්වීම් විමර්ශනය කරන ලදී. සංසන්දනය කිරීම සඳහා (රූපය 2D), සාමාන්‍ය ද්වි-ස්ථර ග්‍රැෆීන් පටලයක ප්‍රතිරෝධය චක්‍ර ~700 කට පසු 50% ලම්බක වික්‍රියාවෙන් 7.5 ගුණයකින් පමණ වැඩි වූ අතර සෑම චක්‍රයකම වික්‍රියා සමඟ වැඩි වෙමින් පවතී. අනෙක් අතට, ද්වි-ස්ථර MGG හි ප්‍රතිරෝධය චක්‍ර ~700 කට පසුව 2.5 ගුණයකින් පමණ වැඩි විය. සමාන්තර දිශාව ඔස්සේ 90% ක් දක්වා වික්‍රියාවක් යෙදීමෙන්, චක්‍ර 1000 කට පසු ට්‍රයිලේයර් ග්‍රැෆීන්හි ප්‍රතිරෝධය ~100 ගුණයකින් වැඩි වූ අතර, එය ට්‍රයිලේයර් MGG එකක ~8 ගුණයක් පමණි (රූපය 2E). බයිසිකල් පැදීමේ ප්රතිඵල රූපයේ දැක්වේ. S7. සමාන්තර වික්‍රියා දිශාව දිගේ ප්‍රතිරෝධයේ සාපේක්ෂව වේගවත් වැඩිවීමක් වන්නේ ඉරිතැලීම් වල දිශානතිය ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බක වන බැවිනි. SEBS ඉලාස්ටෝමර් උපස්ථරයේ විස්කෝලාස්ටික් ප්‍රතිසාධනය හේතුවෙන් පැටවීම සහ බෑමේ වික්‍රියාව අතරතුර ප්‍රතිරෝධයේ අපගමනය සිදු වේ. බයිසිකල් පැදීමේදී එම්ජීජී තීරුවල වඩාත් ස්ථායී ප්‍රතිරෝධය වන්නේ ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතලා ඇති කොටස් (ඒඑෆ්එම් විසින් නිරීක්ෂණය කරන ලද පරිදි) පාලම් කළ හැකි විශාල ලියවිලි තිබීමයි. ඉලාස්ටෝමර් උපස්ථරවල (40, 41) ඉරිතලා ඇති ලෝහ හෝ අර්ධ සන්නායක පටල සඳහා පෙරන ලද මාර්ගයක් මගින් සන්නායකතාවය පවත්වා ගැනීමේ මෙම සංසිද්ධිය වාර්තා කර ඇත.
මෙම ග්‍රැෆීන් පාදක චිත්‍රපට දිගු කළ හැකි උපාංගවල ද්වාර ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස ඇගයීමට, අපි ග්‍රැෆීන් ස්ථරය SEBS පාර විද්‍යුත් ස්ථරයකින් (2 μm ඝනකම) ආවරණය කළ අතර වික්‍රියා ශ්‍රිතයක් ලෙස පාර විද්‍යුත් ධාරිතාව වෙනස් වීම නිරීක්ෂණය කළෙමු (රූපය 2F සහ පරිපූරක ද්‍රව්‍ය බලන්න. විස්තර). ග්‍රැෆීන්හි තලයේ සන්නායකතාවය නැතිවීම නිසා සරල ඒකස්ථර සහ ද්වි-ස්ථර ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහිත ධාරණාව ඉක්මනින් අඩු වන බව අපි නිරීක්ෂණය කළෙමු. ඊට ප්‍රතිවිරුද්ධව, MGG මගින් සවි කරන ලද ධාරණාව මෙන්ම සාමාන්‍ය ත්‍රි-ස්ථර ග්‍රැෆීන් වික්‍රියා සමඟ ධාරණාව වැඩි වීමක් පෙන්නුම් කළ අතර, වික්‍රියා සමඟ පාර විද්‍යුත් ඝනකම අඩු වීම නිසා අපේක්ෂා කෙරේ. ධාරණාව අපේක්ෂිත වැඩි වීම MGG ව්‍යුහය සමඟ ඉතා හොඳින් ගැලපේ (fig. S8). දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටර සඳහා ද්වාර ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් ලෙස MGG සුදුසු බව මෙයින් පෙන්නුම් කෙරේ.
විද්‍යුත් සන්නායකතාවයේ වික්‍රියා ඉවසීම පිළිබඳ 1D ග්‍රැෆීන් අනුචලනයේ භූමිකාව තවදුරටත් විමර්ශනය කිරීමට සහ ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර වෙන්වීම වඩා හොඳින් පාලනය කිරීමට, අපි ග්‍රැෆීන් අනුචලන ප්‍රතිස්ථාපනය කිරීමට ඉසින-ආලේපිත CNT භාවිතා කළෙමු (අතිරේක ද්‍රව්‍ය බලන්න). MGG ව්‍යුහයන් අනුකරණය කිරීමට, අපි CNT ඝනත්ව තුනක් (එනම් CNT1) තැන්පත් කළෙමු.
(A සිට C දක්වා) CNT වල විවිධ ඝනත්ව තුනක AFM රූප (CNT1
දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සඳහා ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස ඒවායේ හැකියාව තවදුරටත් අවබෝධ කර ගැනීම සඳහා, අපි ක්‍රමානුකූලව MGG සහ G-CNT-G ආතතිය යටතේ ඇති රූප විද්‍යාව විමර්ශනය කළෙමු. ඔප්ටිකල් අන්වීක්ෂය සහ ස්කෑනිං ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂය (SEM) ඵලදායි ගුනාංගීකරණ ක්‍රම නොවේ, මන්ද යන දෙකෙහිම වර්ණ පරස්පරතාව නොමැති අතර SEM යනු ග්‍රැෆීන් බහු අවයවික උපස්ථර මත ඇති විට ඉලෙක්ට්‍රෝන පරිලෝකනය කිරීමේදී රූප කෞතුක වස්තු වලට යටත් වේ (figs. S9 සහ S10). ආතතියට ලක්ව ඇති ග්‍රැෆීන් මතුපිට ස්ථානගතව නිරීක්ෂණය කිරීම සඳහා, අපි ඉතා තුනී (~0.1 මි.මී. ඝන) සහ ප්‍රත්‍යාස්ථ SEBS උපස්ථරවලට මාරු කිරීමෙන් පසු ට්‍රයිලේයර් MGGs සහ සරල ග්‍රැෆීන් මත AFM මිනුම් එකතු කළෙමු. CVD ග්‍රැෆීන්හි ආවේණික දෝෂ සහ මාරු කිරීමේ ක්‍රියාවලියේදී බාහිර හානි හේතුවෙන්, වෙහෙසට පත් ග්‍රැෆීන් මත ඉරිතැලීම් අනිවාර්යයෙන්ම ජනනය වන අතර, වැඩිවන වික්‍රියා සමඟ, ඉරිතැලීම් ඝනත්වයට පත් විය (රූපය 4, A සිට D දක්වා). කාබන් මත පදනම් වූ ඉලෙක්ට්රෝඩවල ගොඩගැසීමේ ව්යුහය මත පදනම්ව, ඉරිතැලීම් විවිධ රූපාකාරයන් (fig. S11) (27) ප්රදර්ශනය කරයි. MGG සඳහා විද්‍යුත් සන්නායකතාවයේ වැඩිවීමට අනුරූප වන බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශ ඝනත්වය (ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශය/විශ්ලේෂණය කරන ලද ප්‍රදේශය ලෙස අර්ථ දක්වා ඇත) වික්‍රියාවෙන් පසු ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් වලට වඩා අඩුය. අනෙක් අතට, ඉරිතැලීම් ඉවත් කිරීම සඳහා ලියවිලි බොහෝ විට නිරීක්ෂණය කරනු ලැබේ, වික්රියා චිත්රපටයේ අතිරේක සන්නායක මාර්ග සපයයි. උදාහරණයක් ලෙස, Fig. 4B හි රූපයේ ලේබල් කර ඇති පරිදි, MGG ට්‍රයිලේයරයේ ඉරිතැලීමක් හරහා පුළුල් අනුචලනයක් හරස් කර ඇත, නමුත් සරල ග්‍රැෆීන් (රූපය 4, E සිට H දක්වා) තුළ කිසිදු අනුචලනයක් නිරීක්ෂණය නොවීය. ඒ හා සමානව, සීඑන්ටී ද ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතැලීම් සමනය කරයි (fig. S11). චිත්‍රපටවල ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශ ඝනත්වය, අනුචලන ප්‍රදේශ ඝනත්වය සහ රළුබව රූප සටහන 4K හි සාරාංශ කර ඇත.
(A සිට H දක්වා) 0, 20, 60, සහ 100 දී ඉතා තුනී SEBS (~0.1 mm ඝන) ඉලාස්ටෝමරයක් මත ත්‍රිස්ථර G/G අනුචලන (A සිට D) සහ ට්‍රයිලේයර් G ව්‍යුහයන්ගේ (E සිට H දක්වා) AFM රූප තුළ % වික්රියාව. නියෝජිත ඉරිතැලීම් සහ ලියවිලි ඊතල වලින් පෙන්වා ඇත. සියලුම AFM පින්තූර ලේබල් කර ඇති එකම වර්ණ පරිමාණ තීරුව භාවිතා කරමින් 15 μm × 15 μm ප්රදේශයක ඇත. (I) SEBS උපස්ථරය මත රටා සහිත ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල සමාකරණ ජ්‍යාමිතිය. (J) ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් සහ SEBS උපස්ථරයේ 20% බාහිර වික්‍රියාවේ උපරිම ප්‍රධාන ලඝුගණක වික්‍රියාවේ සමාකරණ සමෝච්ඡ සිතියම. (K) විවිධ ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයන් සඳහා ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශ ඝනත්වය (රතු තීරුව), අනුචලන ප්‍රදේශ ඝනත්වය (කහ තීරුව) සහ මතුපිට රළු බව (නිල් තීරුව) සංසන්දනය කිරීම.
MGG පටල දිගු කළ විට, අනුචලනවලට ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතලා ඇති ප්‍රදේශ පාලම් කළ හැකි වැදගත් අතිරේක යාන්ත්‍රණයක් ඇත, එය percolating ජාලයක් පවත්වා ගෙන යයි. ග්‍රැෆීන් අකුළන දිග මයික්‍රොමීටර දස ගණනක් විය හැකි නිසාත් සාමාන්‍යයෙන් මයික්‍රොමීටර පරිමාණය දක්වා වූ ඉරිතැලීම් පියවා ගැනීමට හැකි වන නිසාත් ඒවා පොරොන්දු වේ. තවද, ලියවිලි ග්‍රැෆීන් බහු ස්ථර වලින් සමන්විත වන බැවින්, ඒවාට අඩු ප්‍රතිරෝධයක් ඇතැයි අපේක්ෂා කෙරේ. සංසන්දනය කිරීමේදී, CNT කුඩා (සාමාන්‍යයෙන් මයික්‍රොමීටර කිහිපයක් දිග) සහ අනුචලනවලට වඩා අඩු සන්නායකතාවක් ඇති බැවින්, සංසන්දනාත්මක සන්නායක පාලම් හැකියාව සැපයීමට සාපේක්ෂ ඝන (අඩු සම්ප්‍රේෂණ) CNT ජාල අවශ්‍ය වේ. අනෙක් අතට, fig හි පෙන්වා ඇති පරිදි. S12, වික්‍රියාවට අනුගත වීම සඳහා දිගු කිරීමේදී ග්‍රැෆීන් ඉරිතලා යන අතර, එම ලියවිලි ඉරිතලා නොයන අතර, එයින් පෙන්නුම් කරන්නේ දෙවැන්න යටින් පවතින ග්‍රැෆීන් මත ලිස්සා යා හැකි බවයි. ඒවා ඉරිතලා නොයෑමට හේතුව බොහෝ විට ග්‍රැෆීන් ස්ථර (~1 සිට 2 0 μm දිග, ~0.1 සිට 1 μm දක්වා පළල සහ ~10 සිට 100 nm දක්වා උස) වලින් සමන්විත රෝල්-අප් ව්‍යුහය නිසා විය හැකිය. තනි ස්ථර ග්‍රැෆීනයට වඩා ඉහළ ඵලදායී මාපාංකයකි. ග්‍රීන් සහ හර්සම් (42) විසින් වාර්තා කරන ලද පරිදි, ලෝහමය CNT ජාල (නල විෂ්කම්භය 1.0 nm) CNT අතර විශාල සන්ධි ප්‍රතිරෝධය තිබියදීත් අඩු පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් <100 ohms/sq ලබා ගත හැක. අපගේ ග්‍රැෆීන් අනුචලනවල පළල 0.1 සිට 1 μm දක්වා සහ G/G අනුචලන CNT වලට වඩා විශාල සම්බන්ධතා ප්‍රදේශ ඇති බව සලකන විට, ග්‍රැෆීන් සහ ග්‍රැෆීන් අනුචලන අතර සම්බන්ධතා ප්‍රතිරෝධය සහ සම්බන්ධතා ප්‍රදේශය ඉහළ සන්නායකතාවය පවත්වා ගැනීමට සීමාකාරී සාධක නොවිය යුතුය.
ග්‍රැෆීන් SEBS උපස්ථරයට වඩා ඉතා ඉහළ මාපාංකයක් ඇත. ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ඵලදායි ඝනකම උපස්ථරයට වඩා බෙහෙවින් අඩු වුවද, ග්‍රැෆීන්හි ඝනකම එහි ඝනකම මෙන් ගුණයකින් වැඩි වන අතර එය උපස්ථරයට (43, 44) සැසඳිය හැකි අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස මධ්‍යස්ථ දෘඪ-දිවයින බලපෑමක් ඇතිවේ. අපි SEBS උපස්ථරයක් මත 1-nm-ඝනක ග්‍රැෆීනයක විරූපණය අනුකරණය කළෙමු (විස්තර සඳහා පරිපූරක ද්‍රව්‍ය බලන්න). සමාකරණ ප්‍රතිඵලවලට අනුව, SEBS උපස්ථරයට බාහිරව 20% වික්‍රියාවක් යොදන විට, ග්‍රැෆීන්හි සාමාන්‍ය වික්‍රියාව ~6.6% (රූපය 4J සහ fig. S13D), එය පර්යේෂණාත්මක නිරීක්ෂණවලට අනුකූල වේ (Fig. S13 බලන්න) . අපි දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂය භාවිතයෙන් රටා ඇති ග්‍රැෆීන් සහ උපස්ථර කලාපවල වික්‍රියාව සංසන්දනය කළ අතර උපස්ථර කලාපයේ වික්‍රියාව ග්‍රැෆීන් කලාපයේ වික්‍රියාව මෙන් දෙගුණයක්වත් ඇති බව සොයා ගත්තෙමු. මෙයින් ඇඟවෙන්නේ ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ රටා මත යොදන වික්‍රියාව සැලකිය යුතු ලෙස සීමා කළ හැකි අතර, SEBS (26, 43, 44) මුදුනේ ග්‍රැෆීන් දෘඩ දූපත් සෑදිය හැකි බවයි.
එබැවින්, MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල ඉහළ වික්‍රියාවක් යටතේ ඉහළ සන්නායකතාව පවත්වා ගැනීමට ඇති හැකියාව ප්‍රධාන යාන්ත්‍රණ දෙකකින් සක්‍රීය කර ඇත: (i) සන්නායක විසර්ජන මාර්ගයක් පවත්වා ගැනීම සඳහා අකුළනවලට විසන්ධි වූ ප්‍රදේශ පාලම් කළ හැකි අතර (ii) බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන් තහඩු/ඉලාස්ටෝමරය ලිස්සා යා හැකිය. එකිනෙක උඩින්, ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල ආතතිය අඩු කරයි. ඉලාස්ටෝමරය මත මාරු කරන ලද ග්‍රැෆීන් බහු ස්ථර සඳහා, ස්ථර එකිනෙක තදින් බැඳී නොමැති අතර, වික්‍රියාවට ප්‍රතිචාර වශයෙන් ලිස්සා යා හැක (27). ලියවිලි මගින් ග්‍රැෆීන් ස්ථරවල රළුබව ද වැඩි කරන ලද අතර, එය ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර වෙන්වීම වැඩි කිරීමට උපකාරී වන අතර එම නිසා ග්‍රැෆීන් ස්ථරවල ලිස්සා යාම සක්‍රීය කරයි.
අඩු පිරිවැය සහ ඉහළ ප්‍රතිදානය හේතුවෙන් සියලුම කාබන් උපාංග උද්යෝගයෙන් අනුගමනය කරනු ලැබේ. අපගේ නඩුවේදී, සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර නිපදවා ඇත්තේ පහළ ග්‍රැෆීන් ගේට්ටුවක්, ඉහළ ග්‍රැෆීන් ප්‍රභවයක්/කාණු ස්පර්ශයක්, වර්ග කළ CNT අර්ධ සන්නායකයක් සහ SEBS පාර විද්‍යුත් ලෙස භාවිතා කරමිනි (රූපය 5A). 5B හි පෙන්වා ඇති පරිදි, ප්‍රභවය/කාණු සහ ගේට්ටුව (පහළ උපාංගය) ලෙස CNT සහිත සියලුම කාබන් උපාංගයක් ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (ඉහළ උපාංගය) සහිත උපාංගයට වඩා පාරාන්ධ වේ. මක්නිසාද යත්, CNT ජාල සඳහා විශාල ඝනකමක් අවශ්‍ය වන අතර, ඒ අනුව, ග්‍රැෆීන් (fig. S4) වලට සමාන පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් ලබා ගැනීම සඳහා අඩු දෘශ්‍ය සම්ප්‍රේෂණ අවශ්‍ය වේ. රූප සටහන 5 (C සහ D) මගින් ද්වීස්ථර MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩ වලින් සාදන ලද ට්‍රාන්සිස්ටරයක් ​​සඳහා වික්‍රියා කිරීමට පෙර නියෝජිත මාරු සහ ප්‍රතිදාන වක්‍ර පෙන්වයි. නොකැඩූ ට්‍රාන්සිස්ටරයේ නාලිකා පළල සහ දිග පිළිවෙලින් 800 සහ 100 μm විය. 10−5 සහ 10−8 A මට්ටම්වල ධාරා සහ අක්‍රිය ධාරා සමඟ මනින ලද සක්‍රිය / අක්‍රිය අනුපාතය 103 ට වඩා වැඩි වේ. නිමැවුම් වක්‍රය පැහැදිලි ද්වාර-වෝල්ටීයතා පරායත්තයක් සහිත පරමාදර්ශී රේඛීය සහ sa turation තන්ත්‍ර ප්‍රදර්ශනය කරයි, CNTs සහ graphene ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (45) අතර පරමාදර්ශී සම්බන්ධතාවක් දක්වයි. ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සමඟ සම්බන්ධතා ප්‍රතිරෝධය වාෂ්පීකරණය වූ Au පටලයට වඩා අඩු බව නිරීක්ෂණය විය (Fig. S14 බලන්න). දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරයේ සන්තෘප්තිය සංචලනය 5.6 cm2/Vs පමණ වේ, පාර විද්‍යුත් ස්ථරයක් ලෙස 300-nm SiO2 සහිත දෘඩ Si උපස්ථරවල ඇති එකම බහු අවයවික වර්ග කළ CNT ට්‍රාන්සිස්ටර වලට සමාන වේ. ප්‍රශස්ත නල ඝනත්වය සහ අනෙකුත් නල වර්ග (46) සමඟ සංචලනය තවදුරටත් වැඩිදියුණු කළ හැක.
(A) ග්‍රැෆීන් මත පදනම් වූ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරයේ යෝජනා ක්‍රමය. SWNTs, තනි බිත්ති සහිත කාබන් නැනෝ ටියුබ්. (B) ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (ඉහළ) සහ CNT ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (පහළ) වලින් සාදන ලද දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරවල ඡායාරූපය. විනිවිදභාවයේ වෙනස පැහැදිලිව පෙනේ. (C සහ D) ආතතියට පෙර SEBS මත ග්‍රැෆීන් පාදක ට්‍රාන්සිස්ටරයේ මාරු කිරීම සහ ප්‍රතිදාන වක්‍ර. (E සහ F) මාරු වක්‍ර, සක්‍රිය සහ අක්‍රිය ධාරාව, ​​සක්‍රිය/ අක්‍රිය අනුපාතය සහ ග්‍රැෆීන් පාදක ට්‍රාන්සිස්ටරයේ විවිධ වික්‍රියා වල සංචලනය.
පාරදෘශ්‍ය, සියලුම කාබන් උපාංගය ආරෝපණ ප්‍රවාහන දිශාවට සමාන්තරව දිශානතියට දිගු කළ විට, 120% වික්‍රියාවක් දක්වා අවම පිරිහීම නිරීක්ෂණය විය. දිගු කිරීමේදී, සංචලනය 0% වික්‍රියාවේදී 5.6 cm2/Vs සිට 120% වික්‍රියාවේදී 2.5 cm2/ Vs දක්වා අඛණ්ඩව අඩු විය (රූපය 5F). අපි විවිධ නාලිකා දිග සඳහා ට්‍රාන්සිස්ටර කාර්ය සාධනය ද සංසන්දනය කළෙමු (වගුව S1 බලන්න). සැලකිය යුතු ලෙස, 105% තරම් විශාල වික්‍රියාවකදී, මෙම සියලුම ට්‍රාන්සිස්ටර තවමත් ඉහළ on/off අනුපාතයක් (>103) සහ සංචලතාව (>3 cm2/Vs) ප්‍රදර්ශනය කරයි. මීට අමතරව, අපි සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටරවල මෑතකාලීන වැඩ සියල්ල සාරාංශ කළෙමු (වගුව S2 බලන්න) (47-52). ඉලාස්ටෝමර් මත උපාංග සැකසීම ප්‍රශස්ත කිරීමෙන් සහ සම්බන්ධතා ලෙස MGG භාවිතා කිරීමෙන්, අපගේ සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර සංචලනය සහ හිස්ටෙරෙසිස් මෙන්ම ඉතා දිගු කළ හැකි පරිදි හොඳ කාර්ය සාධනයක් පෙන්නුම් කරයි.
සම්පූර්ණයෙන්ම විනිවිද පෙනෙන සහ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරයේ යෙදුමක් ලෙස, අපි LED මාරු කිරීම පාලනය කිරීමට එය භාවිතා කළෙමු (රූපය 6A). රූප සටහන 6B හි පෙන්වා ඇති පරිදි, සෘජුවම ඉහලින් තබා ඇති දිගු කළ හැකි කාබන් උපාංගය හරහා හරිත LED පැහැදිලිව දැකගත හැක. ~ 100% දක්වා විහිදෙන අතර (රූපය 6, C සහ D), LED ආලෝක තීව්‍රතාවය වෙනස් නොවේ, එය ඉහත විස්තර කර ඇති ට්‍රාන්සිස්ටර ක්‍රියාකාරිත්වයට අනුකූල වේ (S1 චිත්‍රපටය බලන්න). ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ භාවිතයෙන් සාදන ලද දිගු කළ හැකි පාලන ඒකක පිළිබඳ පළමු වාර්තාව මෙය වන අතර, ග්‍රැෆීන් දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා නව හැකියාවක් පෙන්නුම් කරයි.
(A) LED ධාවනය කිරීමට ට්‍රාන්සිස්ටරයක පරිපථය. GND, බිම. (B) හරිත LED එකකට ඉහලින් සවිකර ඇති 0% වික්‍රියා වල දිග හැරිය හැකි සහ විනිවිද පෙනෙන සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටරයේ ඡායාරූපය. (C) LED මාරු කිරීම සඳහා භාවිතා කරන සියලුම කාබන් විනිවිද පෙනෙන සහ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරය LED ​​ට ඉහලින් 0% (වමේ) සහ ~100% වික්‍රියා (දකුණේ) සවිකර ඇත. සුදු ඊතල දිගු වන දුර වෙනස්වීම පෙන්වීමට උපාංගයේ කහ සලකුණු ලෙස යොමු කරයි. (D) LED එක ඉලාස්ටෝමරය තුළට තල්ලු කර ඇති, දිගු කළ ට්‍රාන්සිස්ටරයේ පැති දසුන.
අවසාන වශයෙන්, අපි විශාල වික්‍රියා යටතේ දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස ඉහළ සන්නායකතාව පවත්වා ගෙන යන පාරදෘශ්‍ය සන්නායක ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයක් සකස් කර ඇති අතර, ගොඩගැසූ ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර ග්‍රැෆීන් නැනෝ ස්ක්‍රෝල් මගින් සක්‍රීය කර ඇත. සාමාන්‍ය ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සඳහා 5% වික්‍රියාවකදී සන්නායකතාවය සම්පූර්ණයෙන් නැති වීම හා සසඳන විට ඉලාස්ටෝමරයක ඇති මෙම ද්වි-සහ ත්‍රි-ස්ථර MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ව්‍යුහයන්ට ඒවායේ 0% වික්‍රියා සන්නායකතාවයෙන් 100%ක් තරම් ඉහළ වික්‍රියාවකින් පිළිවෙළින් 21 සහ 65% පවත්වා ගත හැක. . ග්‍රැෆීන් අනුචලනවල අතිරේක සන්නායක මාර්ග මෙන්ම මාරු කරන ලද ස්ථර අතර දුර්වල අන්තර්ක්‍රියා වික්‍රියාව යටතේ උසස් සන්නායකතා ස්ථායීතාවයට දායක වේ. සියලුම කාබන් දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටර සෑදීම සඳහා අපි මෙම ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහය තවදුරටත් යෙදුවෙමු. මෙතෙක්, බකල් භාවිතා නොකර හොඳම විනිවිදභාවය සහිත වඩාත්ම දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන් පාදක ට්‍රාන්සිස්ටරය මෙයයි. වර්තමාන අධ්‍යයනය සිදු කර ඇත්තේ දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා ග්‍රැෆීන් සක්‍රීය කිරීම සඳහා වුවද, මෙම ප්‍රවේශය දිගු කළ හැකි 2D ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සක්‍රීය කිරීම සඳහා වෙනත් 2D ද්‍රව්‍ය වෙත ව්‍යාප්ත කළ හැකි බව අපි විශ්වාස කරමු.
විශාල ප්‍රදේශයක CVD ග්‍රැෆීන් 50-SCCM (විනාඩියකට සම්මත ඝන සෙන්ටිමීටර) CH4 සහ 20-SCCM H2 සමඟ 1000°C හි පූර්වගාමීන් ලෙස මීටර් 0.5 ක නියත පීඩනයක් යටතේ අත්හිටුවන ලද Cu තීරු (99.999%; Alfa Aesar) මත වගා කරන ලදී. Cu තීරුවේ දෙපස ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් මගින් ආවරණය කර ඇත. PMMA හි තුනී ස්ථරයක් (2000 rpm; A4, Microchem) Cu තීරුවේ එක් පැත්තක කරකැවෙන-ආලේපනය කර, PMMA/G/Cu තීරු/G ව්‍යුහයක් සාදයි. පසුව, Cu තීරු ඉවත් කිරීම සඳහා මුළු චිත්‍රපටයම 0.1 M ඇමෝනියම් පර්සල්ෆේට් [(NH4)2S2O8] ද්‍රාවණයක පැය 2ක් පමණ පොඟවා ගන්නා ලදී. මෙම ක්‍රියාවලියේදී, අනාරක්ෂිත පිටුපස ග්‍රැෆීන් මුලින්ම ධාන්‍ය මායිම් දිගේ ඉරී ගොස් පසුව මතුපිට ආතතිය නිසා ලියවිලිවලට පෙරළී ගියේය. PMMA-සහාය දක්වන ඉහළ ග්‍රැෆීන් පටලයට අනුචලන අමුණා, PMMA/G/G අනුචලන සාදයි. පසුව එම චිත්‍රපට කිහිප වතාවක් ඩියෝනීකරණය කළ ජලයෙන් සෝදා දෘඩ SiO2/Si හෝ ප්ලාස්ටික් උපස්ථරයක් වැනි ඉලක්කගත උපස්ථරයක් මත තැබීය. අමුණා ඇති පටලය උපස්ථරය මත වියළුණු විගස, PMMA ඉවත් කිරීම සඳහා නියැදිය w අනුපිළිවෙලින් ඇසිටෝන්, 1:1 ඇසිටෝන්/IPA (අයිසොප්‍රොපයිල් ඇල්කොහොල්) සහ IPA තත්පර 30 බැගින් පොඟවා ඇත. චිත්‍රපට 100°C ට මිනිත්තු 15ක් රත් කර හෝ G/G අනුචලනයේ තවත් තට්ටුවක් එයට මාරු කිරීමට පෙර සිරවී ඇති ජලය සම්පූර්ණයෙන්ම ඉවත් කිරීමට එක රැයකින් රික්තකයක තබා ඇත. මෙම පියවර වූයේ පීඑම්එම්ඒ වාහක ස්ථරය මුදා හැරීමේදී උපස්ථරයෙන් ග්‍රැෆීන් පටල වෙන්වීම වැළැක්වීම සහ එම්ජීජී වල සම්පූර්ණ ආවරණය සහතික කිරීමයි.
දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂයක් (ලෙයිකා) සහ ස්කෑනිං ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂයක් (1 kV; FEI) භාවිතයෙන් MGG ව්‍යුහයේ රූප විද්‍යාව නිරීක්ෂණය කරන ලදී. පරමාණුක බල අන්වීක්ෂයක් (නැනෝස්කෝප් III, ඩිජිටල් උපකරණය) G ලියවිලිවල විස්තර නිරීක්ෂණය කිරීම සඳහා තට්ටු කිරීමේ ආකාරයෙන් ක්‍රියාත්මක විය. පාරජම්බුල-දෘශ්‍ය වර්ණාවලීක්ෂයක් (Agilent Cary 6000i) මගින් චිත්‍රපට විනිවිදභාවය පරීක්ෂා කරන ලදී. වික්‍රියාව ධාරා ප්‍රවාහයේ ලම්බක දිශාව ඔස්සේ වූ විට පරීක්ෂණ සඳහා ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයන් තීරු (~300 μm පළල සහ ~ 2000 μm දිග) රටා කිරීමට ඡායාරූප ශිලා විද්‍යාව සහ O2 ප්ලාස්මා භාවිතා කරන ලද අතර Au (50 nm) ඉලෙක්ට්‍රෝඩ තාපගතව තැන්පත් කරන ලදී. දිගු පැත්තේ දෙපැත්තේ සෙවනැලි ආවරණ. පසුව ග්‍රැෆීන් තීරු SEBS ඉලාස්ටෝමරයක් (~2 cm පළල සහ ~5 cm දිග) සමඟ සම්බන්ධ කරන ලදී, තීරු වල දිගු අක්ෂය SEBS හි කෙටි පැත්තට සමාන්තරව BOE (Buffered oxide etch) (HF:H2O) සමඟ සම්බන්ධ විය. 1:6) Etching සහ eutectic gallium indium (EGaIn) විදුලි සම්බන්ධතා ලෙස. සමාන්තර වික්‍රියා පරීක්‍ෂණ සඳහා, රටා රහිත ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහය (~5 × 10 මි.මී.) SEBS උපස්ථර මතට මාරු කරන ලදී, SEBS උපස්ථරයේ දිගු පැත්තට සමාන්තරව දිගු අක්ෂ ඇත. මෙම අවස්ථා දෙක සඳහාම, සම්පූර්ණ G (G අනුචලන නොමැතිව)/SEBS ඉලාස්ටෝමරයේ දිගු පැත්ත දිගේ අත්පොත උපකරණයක් තුළ දිගු කර ඇති අතර, ස්ථානගතව, අපි අර්ධ සන්නායක විශ්ලේෂකය (Keithley 4200) සමඟ පරීක්ෂණ ස්ථානයක වික්‍රියා යටතේ ඒවායේ ප්‍රතිරෝධ වෙනස්වීම් මැනිය. -SCS).
ප්‍රත්‍යාස්ථ උපස්ථරයක් මත ඉතා දිගු කළ හැකි සහ විනිවිද පෙනෙන සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර, පොලිමර් පාර විද්‍යුත් සහ උපස්ථරයේ කාබනික ද්‍රාවක හානි වළක්වා ගැනීම සඳහා පහත ක්‍රියා පටිපාටි මගින් නිපදවා ඇත. MGG ව්‍යුහයන් ගේට් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස SEBS වෙත මාරු කරන ලදී. ඒකාකාර තුනී පටල බහු අවයවීය පාර විද්‍යුත් ස්ථරයක් (2 μm ඝනකම) ලබා ගැනීම සඳහා, SEBS ටොලුයින් (80 mg/ml) ද්‍රාවණයක් octadecyltrichlorosilane (OTS) - නවීකරණය කරන ලද SiO2/Si උපස්ථරය 1000 rpm ට විනාඩි 1 ක් සඳහා කරකැවෙන ලදී. තුනී පාර විද්‍යුත් පටලය හයිඩ්‍රොෆෝබික් OTS මතුපිට සිට සකස් කරන ලද ග්‍රැෆීන් වලින් ආවරණය කර ඇති SEBS උපස්ථරය වෙත පහසුවෙන් මාරු කළ හැක. LCR (ප්‍රේරණය, ධාරණාව, ප්‍රතිරෝධය) මීටරයක් ​​(Agilent) භාවිතයෙන් වික්‍රියා ශ්‍රිතයක් ලෙස ධාරණාව තීරණය කිරීම සඳහා ද්‍රව-ලෝහ (EGaIn; Sigma-Aldrich) ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් තැන්පත් කිරීමෙන් ධාරිත්‍රකයක් සෑදිය හැක. ට්‍රාන්සිස්ටරයේ අනෙක් කොටස කලින් වාර්තා කළ ක්‍රියා පටිපාටි අනුගමනය කරමින් බහු අවයවික වර්ග කළ අර්ධ සන්නායක CNT වලින් සමන්විත විය (53). දෘඩ SiO2/Si උපස්ථර මත රටා ප්‍රභවය/කාණු ඉලෙක්ට්‍රෝඩය නිපදවා ඇත. පසුව, පාර විද්‍යුත්/G/SEBS සහ CNTs/රටාව සහිත G/SiO2/Si යන කොටස් දෙක එකිනෙකට ලැමිනේට් කර, දෘඩ SiO2/Si උපස්ථරය ඉවත් කිරීම සඳහා BOE හි පොඟවා ඇත. මේ අනුව, සම්පූර්ණයෙන්ම විනිවිද පෙනෙන සහ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටර නිපදවා ඇත. වික්‍රියා යටතේ විද්‍යුත් පරීක්‍ෂණය ඉහත සඳහන් කළ ක්‍රමය ලෙස අතින් දිගු කිරීමේ සැකසුමකින් සිදු කරන ලදී.
මෙම ලිපිය සඳහා අතිරේක ද්රව්ය http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 හි ඇත
රූපය. S1. විවිධ විශාලනවලදී SiO2/Si උපස්ථර මත ඒකස්ථර MGG හි දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂ රූප.
රූපය. S4. ද්වි-පරීක්ෂණ පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් සහ සම්ප්‍රේෂණ @550 nm mono-, bi- සහ trilayer plain graphene (කළු කොටු), MGG (රතු කව) සහ CNTs (නිල් ත්‍රිකෝණය) සංසන්දනය කිරීම.
රූපය. S7. පිළිවෙලින් 40 සහ 90% සමාන්තර වික්‍රියාවක් දක්වා ~1000 චක්‍රීය වික්‍රියා පැටවීම යටතේ mono- සහ bilayer MGGs (කළු) සහ G (රතු) වල සාමාන්‍ය ප්‍රතිරෝධ වෙනස් වීම.
රූපය. S10. වික්‍රියා වලින් පසු SEBS ඉලාස්ටෝමරය මත ත්‍රිස්ථර MGG හි SEM රූපය, ඉරිතැලීම් කිහිපයක් මත දිගු අනුචලන කුරුසයක් පෙන්වයි.
රූපය. S12. 20% වික්‍රියාවකදී ඉතා තුනී SEBS ඉලාස්ටෝමරය මත ත්‍රිස්ථර MGG හි AFM රූපය, ඉරිතැලීමක් හරහා අනුචලනයක් හරස් වී ඇති බව පෙන්වයි.
වගුව S1. වික්‍රියාවට පෙර සහ පසු විවිධ නාලිකා දිගකින් යුත් ද්වි-ස්ථර MGG-තනි බිත්ති සහිත කාබන් නැනෝ ටියුබ් ට්‍රාන්සිස්ටරවල චලනය.
මෙය ක්‍රියේටිව් කොමන්ස් ආරෝපණය-වාණිජ්‍ය නොවන බලපත්‍රයේ නියමයන් යටතේ බෙදා හරින ලද විවෘත ප්‍රවේශ ලිපියකි, එය ඕනෑම මාධ්‍යයක භාවිතා කිරීමට, බෙදා හැරීමට සහ ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කිරීමට අවසර දෙයි, ප්‍රතිඵලය වාණිජමය වාසියක් සඳහා නොවන තාක් කල් සහ මුල් කෘතිය නිසියාකාරව තිබේ නම් උපුටා දක්වන ලදී.
සටහන: අපි ඔබේ විද්‍යුත් තැපැල් ලිපිනය පමණක් ඉල්ලා සිටිමු, එවිට ඔබ පිටුව නිර්දේශ කරන පුද්ගලයා ඔබට එය දැකීමට අවශ්‍ය බව දැන ගැනීමටත්, එය කුණු තැපෑලක් නොවන බවත් ය. අපි කිසිදු විද්‍යුත් තැපැල් ලිපිනයක් අල්ලා නොගනිමු.
මෙම ප්‍රශ්නය ඔබ මානව ආගන්තුකයෙක්ද නැද්ද යන්න පරීක්ෂා කිරීම සහ ස්වයංක්‍රීය අයාචිත තැපැල් ඉදිරිපත් කිරීම් වැළැක්වීම සඳහා වේ.
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao විසිනි
Nan Liu, Alex Chortos, Ting Lei, Lihua Jin, Taeho Roy Kim, Won-Gyu Bae, Chenxin Zhu, Sihong Wang, Raphael Pfattner, Xiyuan Chen, Robert Sinclair, Zhenan Bao විසිනි
© 2021 විද්‍යාවේ දියුණුව සඳහා වූ ඇමරිකානු සංගමය. සියලු හිමිකම් ඇවිරිණි. AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef සහ COUNTER හි හවුල්කරුවෙකි.Science Advances ISSN 2375-2548.