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 කැඩීමට හේතු වන අතර, දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල එහි අසාමාන්‍ය ඉලෙක්ට්‍රොනික ගුණාංගවලින් ප්‍රයෝජන ගැනීම අභියෝගාත්මක කරයි. විනිවිද පෙනෙන ග්‍රැෆීන් සන්නායකවල විශිෂ්ට වික්‍රියා-රහිත කාර්ය සාධනය සක්‍රීය කිරීම සඳහා, අපි බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන්/ග්‍රැෆීන් අනුචලන (MGGs) ලෙස හඳුන්වන ගොඩගැසූ ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර ග්‍රැෆීන් නැනෝ අනුචලන නිර්මාණය කළෙමු. වික්‍රියාව යටතේ, සමහර අනුචලන ග්‍රැෆීන්හි ඛණ්ඩනය වූ වසම් පාලම් කර ඉහළ වික්‍රියා වලදී විශිෂ්ට සන්නායකතාවය සක්‍රීය කරන පර්කොලේටින් ජාලයක් පවත්වා ගනී. ඉලාස්ටෝමර් මත සහය දක්වන ත්‍රි ස්ථර MGGs 100% වික්‍රියාවකදී ඒවායේ මුල් සන්නායකතාවයෙන් 65% ක් රඳවා ගත් අතර එය ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බක වන අතර නැනෝ අනුචලන නොමැති ග්‍රැෆීන්හි ත්‍රි ස්ථර පටල ඒවායේ ආරම්භක සන්නායකතාවයෙන් 25% ක් පමණක් රඳවා ගත්තේය. MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස භාවිතා කර නිපදවන ලද දිගු කළ හැකි සම්පූර්ණ කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටරයක් >90% ක සම්ප්‍රේෂණයක් පෙන්නුම් කළ අතර එහි මුල් ධාරා ප්‍රතිදානයෙන් 60% ක් 120% වික්‍රියාවකින් (ආරෝපණ ප්‍රවාහනයේ දිශාවට සමාන්තරව) රඳවා ගත්තේය. මෙම ඉතා දිගු කළ හැකි සහ විනිවිද පෙනෙන සම්පූර්ණ කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර මගින් නවීන දිගු කළ හැකි දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික විද්‍යාව සක්‍රීය කළ හැකිය.
දිගු කළ හැකි විනිවිද පෙනෙන ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ යනු දියුණු ජෛව ඒකාබද්ධ පද්ධතිවල (1, 2) වැදගත් යෙදුම් මෙන්ම දිගු කළ හැකි දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සමඟ ඒකාබද්ධ වී නවීන මෘදු රොබෝ විද්‍යාව සහ සංදර්ශක නිපදවීමේ හැකියාව ඇති වර්ධනය වන ක්ෂේත්‍රයකි. ග්‍රැෆීන් පරමාණුක ඝණකම, ඉහළ විනිවිදභාවය සහ ඉහළ සන්නායකතාවය යන ඉතා යෝග්‍ය ගුණාංග ප්‍රදර්ශනය කරයි, නමුත් දිගු කළ හැකි යෙදුම්වල එය ක්‍රියාත්මක කිරීම කුඩා වික්‍රියා වලදී ඉරිතලා යාමේ ප්‍රවණතාවයෙන් වළක්වා ඇත. ග්‍රැෆීන්හි යාන්ත්‍රික සීමාවන් ජය ගැනීමෙන් දිගු කළ හැකි විනිවිද පෙනෙන උපාංගවල නව ක්‍රියාකාරිත්වය සක්‍රීය කළ හැකිය.
ග්‍රැෆීන් වල අද්විතීය ගුණාංග නිසා එය ඊළඟ පරම්පරාවේ විනිවිද පෙනෙන සන්නායක ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සඳහා ශක්තිමත් අපේක්ෂකයෙකු බවට පත් කරයි (5, 6). බහුලව භාවිතා වන විනිවිද පෙනෙන සන්නායකයක් වන ඉන්ඩියම් ටින් ඔක්සයිඩ් [ITO; 90% විනිවිදභාවයෙන් 100 ohms/sq (sq)] සමඟ සසඳන විට, රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් කිරීම (CVD) මගින් වගා කරන ලද ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් තහඩු ප්‍රතිරෝධයේ (125 ohms/sq) සහ විනිවිදභාවයේ (97.4%) සමාන සංයෝජනයක් ඇත (5). ඊට අමතරව, ITO (7) හා සසඳන විට ග්‍රැෆීන් පටල අසාමාන්‍ය නම්‍යශීලී බවක් ඇත. උදාහරණයක් ලෙස, ප්ලාස්ටික් උපස්ථරයක් මත, එහි සන්නායකතාවය 0.8 mm (8) තරම් කුඩා වක්‍රතාවයේ නැමීමේ අරයක් සඳහා පවා රඳවා ගත හැකිය. විනිවිද පෙනෙන නම්‍යශීලී සන්නායකයක් ලෙස එහි විද්‍යුත් ක්‍රියාකාරිත්වය තවදුරටත් වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා, පෙර කෘති ඒක-මාන (1D) රිදී නැනෝ වයර් හෝ කාබන් නැනෝ ටියුබ් (CNT) (9–11) සහිත ග්‍රැෆීන් දෙමුහුන් ද්‍රව්‍ය සංවර්ධනය කර ඇත. තවද, ග්‍රැෆීන් මිශ්‍ර මාන විෂම ව්‍යුහාත්මක අර්ධ සන්නායක (2D තොග Si, 1D නැනෝ වයර්/නැනෝ ටියුබ් සහ 0D ක්වොන්ටම් තිත් වැනි) (12), නම්‍යශීලී ට්‍රාන්සිස්ටර, සූර්ය කෝෂ සහ ආලෝක විමෝචක ඩයෝඩ (LED) (13–23) සඳහා ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස භාවිතා කර ඇත.
ග්‍රැෆීන් නම්‍යශීලී ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා පොරොන්දු වූ ප්‍රතිඵල පෙන්නුම් කර ඇතත්, දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණවල එහි යෙදුම එහි යාන්ත්‍රික ගුණාංග මගින් සීමා කර ඇත (17, 24, 25); ග්‍රැෆීන් 340 N/m ක තල දෘඪතාවක් සහ 0.5 TPa (26) යංග්ගේ මාපාංකයක් ඇත. ශක්තිමත් කාබන්-කාබන් ජාලය යොදන ලද වික්‍රියාව සඳහා කිසිදු ශක්ති විසර්ජන යාන්ත්‍රණයක් සපයන්නේ නැති අතර එම නිසා 5% ට වඩා අඩු වික්‍රියාවකදී පහසුවෙන් ඉරිතලා යයි. උදාහරණයක් ලෙස, පොලිඩිමෙතිල්සිලොක්සේන් (PDMS) ප්‍රත්‍යාස්ථ උපස්ථරයක් මතට මාරු කරන ලද CVD ග්‍රැෆීන් එහි සන්නායකතාවය 6% ට වඩා අඩු වික්‍රියාවකදී පමණක් පවත්වා ගත හැකිය (8). න්‍යායාත්මක ගණනය කිරීම්වලින් පෙනී යන්නේ විවිධ ස්ථර අතර ඇඹරීම සහ අන්තර් ක්‍රියාකාරිත්වය දැඩි ලෙස දෘඪතාව අඩු කළ යුතු බවයි (26). ග්‍රැෆීන් බහු ස්ථරවලට ගොඩගැසීමෙන්, මෙම ද්වි- හෝ ත්‍රි-ස්ථර ග්‍රැෆීන් 30% වික්‍රියාවකට දිගු කළ හැකි බවත්, ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් වලට වඩා 13 ගුණයකින් කුඩා ප්‍රතිරෝධක වෙනසක් පෙන්නුම් කරන බවත් වාර්තා වේ (27). කෙසේ වෙතත්, මෙම දිගු කිරීමේ හැකියාව තවමත් අති නවීන දිගු කළ හැකි ප්‍රේරකවලට වඩා සැලකිය යුතු ලෙස පහත් මට්ටමක පවතී (28, 29).
ට්‍රාන්සිස්ටර දිගු කළ හැකි යෙදුම්වල වැදගත් වන්නේ ඒවා සංකීර්ණ සංවේදක කියවීම සහ සංඥා විශ්ලේෂණය සක්‍රීය කරන බැවිනි (30, 31). බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන් ප්‍රභව/කාණු ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහ නාලිකා ද්‍රව්‍ය ලෙස භාවිතා කරන PDMS මත ට්‍රාන්සිස්ටරවලට 5% වික්‍රියා (32) දක්වා විද්‍යුත් ක්‍රියාකාරිත්වය පවත්වා ගත හැකි අතර, එය පැළඳිය හැකි සෞඛ්‍ය අධීක්ෂණ සංවේදක සහ ඉලෙක්ට්‍රොනික සම සඳහා අවශ්‍ය අවම අගයට (~50%) වඩා සැලකිය යුතු ලෙස අඩුය (33, 34). මෑතකදී, ග්‍රැෆීන් කිරිගමි ප්‍රවේශයක් ගවේෂණය කර ඇති අතර, ද්‍රව ඉලෙක්ට්‍රෝලය මගින් ගේට් කරන ලද ට්‍රාන්සිස්ටරය 240% දක්වා දිගු කළ හැකිය (35). කෙසේ වෙතත්, මෙම ක්‍රමයට අත්හිටවූ ග්‍රැෆීන් අවශ්‍ය වන අතර එය නිෂ්පාදන ක්‍රියාවලිය සංකීර්ණ කරයි.
මෙහිදී, අපි ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර ග්‍රැෆීන් ලියවිලි (~1 සිට 20 μm දක්වා දිග, ~0.1 සිට 1 μm දක්වා පළල සහ ~10 සිට 100 nm දක්වා උස) අන්තර්කලනය කිරීමෙන් ඉතා දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන් උපාංග ලබා ගනිමු. මෙම ග්‍රැෆීන් ලියවිලි ග්‍රැෆීන් තහඩු වල ඉරිතැලීම් පාලම සඳහා සන්නායක මාර්ග සැපයිය හැකි බවත්, එමඟින් වික්‍රියාව යටතේ ඉහළ සන්නායකතාවක් පවත්වා ගත හැකි බවත් අපි උපකල්පනය කරමු. ග්‍රැෆීන් ලියවිලි වලට අමතර සංස්ලේෂණයක් හෝ ක්‍රියාවලියක් අවශ්‍ය නොවේ; ඒවා තෙත් මාරු කිරීමේ ක්‍රියා පටිපාටිය අතරතුර ස්වභාවිකව සෑදී ඇත. බහු ස්ථර G/G (ග්‍රැෆීන්/ග්‍රැෆීන්) ලියවිලි (MGGs) ග්‍රැෆීන් දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (ප්‍රභවය/කාණු සහ ගේට්ටුව) සහ අර්ධ සන්නායක CNT භාවිතා කිරීමෙන්, අපට ඉතා විනිවිද පෙනෙන සහ ඉතා දිගු කළ හැකි සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර නිරූපණය කිරීමට හැකි වූ අතර, ඒවා 120% වික්‍රියාවකට (ආරෝපණ ප්‍රවාහනයේ දිශාවට සමාන්තරව) දිගු කළ හැකි අතර ඒවායේ මුල් ධාරා ප්‍රතිදානයෙන් 60% ක් රඳවා ගත හැකිය. මෙය මෙතෙක් ඇති වඩාත්ම දිගු කළ හැකි විනිවිද පෙනෙන කාබන්-පාදක ට්‍රාන්සිස්ටරය වන අතර, එය අකාබනික LED එකක් ධාවනය කිරීමට ප්‍රමාණවත් ධාරාවක් සපයයි.
විශාල ප්‍රදේශයක විනිවිද පෙනෙන දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සක්‍රීය කිරීම සඳහා, අපි Cu තීරු මත CVD-වගා කරන ලද ග්‍රැෆීන් තෝරා ගත්තෙමු. Cu තීරු CVD ක්වාර්ට්ස් නළයක මධ්‍යයේ අත්හිටුවන ලද අතර එමඟින් දෙපසම ග්‍රැෆීන් වර්ධනය වීමට ඉඩ සලසයි, G/Cu/G ව්‍යුහයන් සාදයි. ග්‍රැෆීන් මාරු කිරීම සඳහා, අපි මුලින්ම ග්‍රැෆීනයේ එක් පැත්තක් ආරක්ෂා කිරීම සඳහා පොලි(මෙතිල් මෙතක්‍රිලේට්) (PMMA) තුනී ස්ථරයක් භ්‍රමණය-ආලේප කළ අතර, එය අපි ඉහළ පැත්තේ ග්‍රැෆීන් (ග්‍රැෆීනයේ අනෙක් පැත්තට ප්‍රතිවිරුද්ධව) ලෙස නම් කළ අතර, පසුව, Cu තීරු කැටයම් කිරීම සඳහා සම්පූර්ණ පටලය (PMMA/ඉහළ ග්‍රැෆීන්/Cu/පහළ ග්‍රැෆීන්) (NH4)2S2O8 ද්‍රාවණයෙන් පොඟවා ඇත. PMMA ආලේපනය නොමැති පහළ පැත්තේ ග්‍රැෆීන් වල අනිවාර්යයෙන්ම ඉරිතැලීම් සහ දෝෂ ඇති වන අතර එමඟින් එචන්ට් එකක් (36, 37) හරහා විනිවිද යාමට ඉඩ සලසයි. රූපය 1A හි නිදර්ශනය කර ඇති පරිදි, මතුපිට ආතතියේ බලපෑම යටතේ, මුදා හරින ලද ග්‍රැෆීන් වසම් අනුචලනවලට පෙරළා පසුව ඉතිරි ඉහළ-G/PMMA පටලයට සම්බන්ධ කරන ලදී. ඉහළ-G/G අනුචලන SiO2/Si, වීදුරු හෝ මෘදු පොලිමර් වැනි ඕනෑම උපස්ථරයකට මාරු කළ හැකිය. මෙම මාරු කිරීමේ ක්‍රියාවලිය එකම උපස්ථරයක් මත කිහිප වතාවක් පුනරාවර්තනය කිරීමෙන් MGG ව්‍යුහයන් ලබා දේ.
(A) දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් ලෙස MGG සඳහා නිෂ්පාදන ක්‍රියා පටිපාටිය පිළිබඳ ක්‍රමානුකූල නිදර්ශනය. ග්‍රැෆීන් මාරු කිරීමේදී, Cu තීරු මත පිටුපස ග්‍රැෆීන් මායිම් සහ දෝෂ වලදී කැඩී, අත්තනෝමතික හැඩතලවලට පෙරළා, ඉහළ පටලවලට තදින් සවි කර, නැනෝස්ක්‍රෝල් සාදයි. සිව්වන කාටූනය ගොඩගැසූ MGG ව්‍යුහය නිරූපණය කරයි. (B සහ C) ඒකස්ථර MGG හි අධි-විභේදන TEM ලක්ෂණ, පිළිවෙලින් ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් (B) සහ අනුචලන (C) කලාපය කෙරෙහි අවධානය යොමු කරයි. (B) හි ඇතුළත් කිරීම TEM ජාලකයේ ඒකස්ථර MGG වල සමස්ත රූප විද්‍යාව පෙන්වන අඩු විශාලන රූපයකි. (C) හි ඇතුළත් කිරීම් යනු රූපයේ දක්වා ඇති සෘජුකෝණාස්‍රාකාර කොටු දිගේ ගන්නා ලද තීව්‍රතා පැතිකඩ වන අතර, එහිදී පරමාණුක තල අතර දුර 0.34 සහ 0.41 nm වේ. (D) ලාක්ෂණික ග්‍රැෆිටික් π* සහ σ* මුදුන් ලේබල් කර ඇති කාබන් K-දාර EEL වර්ණාවලිය. (E) කහ තිත් රේඛාව දිගේ උස පැතිකඩක් සහිත ඒකස්ථර G/G අනුචලනවල අංශ AFM රූපය. (F සිට I දක්වා) පිළිවෙලින් 300-nm-ඝනකම SiO2/Si උපස්ථර මත (F සහ H) නොමැතිව සහ අනුචලන (G සහ I) සහිත ත්‍රිස්ථර G හි දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂය සහ AFM රූප. ඒවායේ වෙනස්කම් ඉස්මතු කිරීම සඳහා නියෝජිත අනුචලන සහ රැළි ලේබල් කරන ලදී.
ලියවිලි ස්වභාවයෙන්ම රෝල් කරන ලද ග්‍රැෆීන් බව සත්‍යාපනය කිරීම සඳහා, අපි ඒකස්ථර ඉහළ-G/G අනුචලන ව්‍යුහයන් පිළිබඳ අධි-විභේදන සම්ප්‍රේෂණ ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂය (TEM) සහ ඉලෙක්ට්‍රෝන ශක්ති අලාභ (EEL) වර්ණාවලීක්ෂ අධ්‍යයනයන් සිදු කළෙමු. රූපය 1B ඒකස්ථර ග්‍රැෆීනයක ෂඩාස්‍රාකාර ව්‍යුහය පෙන්වන අතර, ඇතුළත් කිරීම TEM ජාලයේ තනි කාබන් සිදුරක් මත ආවරණය කර ඇති පටලයේ සමස්ත රූප විද්‍යාවකි. ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් ජාලයේ වැඩි කොටසක් පුරා විහිදෙන අතර, ෂඩාස්‍රාකාර මුදු කිහිපයක් ඉදිරියේ සමහර ග්‍රැෆීන් පෙති දිස්වේ (රූපය 1B). තනි අනුචලනයකට විශාලනය කිරීමෙන් (රූපය 1C), දැලිස් පරතරය 0.34 සිට 0.41 nm පරාසයක ඇති ග්‍රැෆීන් දැලිස් දාර විශාල ප්‍රමාණයක් අපි නිරීක්ෂණය කළෙමු. මෙම මිනුම්වලින් පෙනී යන්නේ පෙති අහඹු ලෙස රෝල් කර ඇති අතර පරිපූර්ණ ග්‍රැෆයිට් නොවන බවත්, එය "ABAB" ස්ථර ගොඩගැසීමේදී 0.34 nm ක දැලිස් පරතරයක් ඇති බවත්ය. රූපය 1D මඟින් කාබන් K-දාර EEL වර්ණාවලිය පෙන්වන අතර, එහිදී 285 eV හි උච්චතම අවස්ථාව π* කක්ෂයෙන් ආරම්භ වන අතර අනෙක 290 eV වටා ඇති අතර එය σ* කක්ෂීය සංක්‍රාන්තිය නිසා වේ. මෙම ව්‍යුහය තුළ sp2 බන්ධනය ආධිපත්‍යය දරන බව දැකිය හැකි අතර, එම ලියවිලි ඉතා ග්‍රැෆිටික් බව සත්‍යාපනය කරයි.
දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂය සහ පරමාණුක බල අන්වීක්ෂය (AFM) රූප MGG වල ග්‍රැෆීන් නැනෝඅස්‍රාකාර බෙදා හැරීම පිළිබඳ අවබෝධයක් ලබා දෙයි (රූපය 1, E සිට G දක්වා සහ අත්තික්කා. S1 සහ S2). ලියවිලි අහඹු ලෙස මතුපිට පුරා බෙදා හරින අතර, ඒවායේ තල ඝනත්වය ගොඩගැසී ඇති ස්ථර ගණනට සමානුපාතිකව වැඩි වේ. බොහෝ ලියවිලි ගැටවලට පැටලී ඇති අතර 10 සිට 100 nm පරාසයක ඒකාකාර නොවන උස ප්‍රදර්ශනය කරයි. ඒවායේ ආරම්භක ග්‍රැෆීන් පෙතිවල ප්‍රමාණය අනුව ඒවා 1 සිට 20 μm දක්වා දිග සහ 0.1 සිට 1 μm දක්වා පළල වේ. රූපය 1 (H සහ I) හි පෙන්වා ඇති පරිදි, ලියවිලි රැළි වලට වඩා සැලකිය යුතු ලෙස විශාල ප්‍රමාණ ඇති අතර, ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර බොහෝ රළු අතුරුමුහුණතක් ඇති කරයි.
විද්‍යුත් ගුණාංග මැනීම සඳහා, අපි ෆොටෝලිතෝග්‍රැෆි භාවිතයෙන් අනුචලන ව්‍යුහයන් සහ ස්ථර ගොඩගැසීම් සහිතව හෝ රහිතව ග්‍රැෆීන් පටල රටා කළෙමු. වික්‍රියාවේ ශ්‍රිතයක් ලෙස ද්වි-පරීක්ෂණ ප්‍රතිරෝධයන් පරිසර තත්වයන් යටතේ මනිනු ලැබීය. අනුචලන තිබීම ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් සඳහා ප්‍රතිරෝධය 80% කින් අඩු කළ අතර සම්ප්‍රේෂණයේ 2.2% ක අඩුවීමක් පමණක් සිදු විය (රූපය S4). 5 × 107 A/cm2 (38, 39) දක්වා ඉහළ ධාරා ඝනත්වයක් ඇති නැනෝස්ක්‍රෝල්, MGG සඳහා ඉතා ධනාත්මක විද්‍යුත් දායකත්වයක් ලබා දෙන බව මෙයින් සනාථ වේ. සියලුම මොනෝ-, ද්වි- සහ ත්‍රිස්ථර සරල ග්‍රැෆීන් සහ MGG අතර, ත්‍රිස්ථර MGG 90% කට ආසන්න විනිවිදභාවයක් සහිත හොඳම සන්නායකතාවය ඇත. සාහිත්‍යයේ වාර්තා වී ඇති අනෙකුත් ග්‍රැෆීන් ප්‍රභවයන් සමඟ සංසන්දනය කිරීම සඳහා, අපි සිව්-පරීක්ෂණ පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් ද මනින ලදී (රූපය S5) සහ ඒවා රූපය 2A හි 550 nm (රූපය S6) හි සම්ප්‍රේෂණ ශ්‍රිතයක් ලෙස ලැයිස්තුගත කළෙමු. MGG කෘතිමව ගොඩගැසූ බහු ස්ථර සරල ග්‍රැෆීන් සහ අඩු කරන ලද ග්‍රැෆීන් ඔක්සයිඩ් (RGO) (6, 8, 18) ට වඩා සැසඳිය හැකි හෝ ඉහළ සන්නායකතාවක් සහ විනිවිදභාවයක් පෙන්වයි. සාහිත්‍යයෙන් කෘතිමව ගොඩගැසූ බහු ස්ථර සරල ග්‍රැෆීන් වල පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් අපගේ MGG වලට වඩා තරමක් වැඩි බව සලකන්න, බොහෝ විට ඒවායේ ප්‍රශස්ත නොවන වර්ධන තත්වයන් සහ මාරු කිරීමේ ක්‍රමය නිසා විය හැකිය.
(A) කළු පැහැති චතුරස්‍ර සහිත ග්‍රැෆීන් වර්ග කිහිපයක් සඳහා 550 nm හි සම්ප්‍රේෂණ ධාරිතාවයට සාපේක්ෂව සිව්-පරීක්ෂණ පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන්; රතු කව සහ නිල් ත්‍රිකෝණ Li et al. (6) සහ Kim et al. (8) ගේ අධ්‍යයනයන්ගෙන් Cu සහ Ni මත වගා කරන ලද බහු ස්ථර සරල ග්‍රැෆීන් සමඟ අනුරූප වන අතර පසුව SiO2/Si හෝ ක්වාර්ට්ස් වෙත මාරු කරනු ලැබේ; සහ හරිත ත්‍රිකෝණ යනු Bonaccorso et al. (18) ගේ අධ්‍යයනයෙන් වෙනස් අඩු කිරීමේ අංශකවල RGO සඳහා අගයන් වේ. (B සහ C) ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බක (B) සහ සමාන්තර (C) වික්‍රියා වල ශ්‍රිතයක් ලෙස මොනෝ-, ද්වි- සහ ත්‍රි ස්ථර MGG සහ G වල සාමාන්‍යකරණය කරන ලද ප්‍රතිරෝධක වෙනස. (D) චක්‍රීය වික්‍රියාව 50% දක්වා ලම්බක වික්‍රියාව පැටවීම යටතේ ද්වි-ස්ථර G (රතු) සහ MGG (කළු) වල සාමාන්‍යකරණය කරන ලද ප්‍රතිරෝධක වෙනස. (E) චක්‍රීය වික්‍රියාව 90% දක්වා සමාන්තර වික්‍රියාව දක්වා පැටවීම යටතේ ත්‍රි-ස්ථර G (රතු) සහ MGG (කළු) වල සාමාන්‍යකරණය කරන ලද ප්‍රතිරෝධක වෙනස. (F) වික්‍රියාවේ ශ්‍රිතයක් ලෙස ඒක-, ද්වි- සහ ත්‍රි- ස්ථර G සහ ද්වි- සහ ත්‍රි- ස්ථර MGG වල සාමාන්‍යකරණය කරන ලද ධාරණ වෙනස. ඇතුළත් කිරීම ධාරිත්‍රක ව්‍යුහය වන අතර, එහිදී පොලිමර් උපස්ථරය SEBS වන අතර පොලිමර් පාර විද්‍යුත් ස්ථරය 2-μm-ඝනකම SEBS වේ.
MGG හි වික්‍රියා-රහිත කාර්ය සාධනය ඇගයීම සඳහා, අපි ග්‍රැෆීන් තාප ප්ලාස්ටික් ඉලාස්ටෝමර් ස්ටයිරීන්-එතිලීන්-බියුටැඩීන්-ස්ටයිරීන් (SEBS) උපස්ථර (~2 සෙ.මී. පළල සහ ~5 සෙ.මී. දිග) වෙත මාරු කළ අතර, උපස්ථරය දිගු වූ විට සන්නායකතාවය මනිනු ලැබීය (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-රහිත විද්‍යුත් හැසිරීම වැඩිදියුණු විය. උදාහරණයක් ලෙස, වික්‍රියාව ධාරා ප්‍රවාහයට ලම්බක වන විට, ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් සඳහා, අනුචලන එකතු කිරීම විද්‍යුත් බිඳවැටීමේදී වික්‍රියාව 5 සිට 70% දක්වා වැඩි කළේය. ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් හා සසඳන විට ත්‍රිස්ථර ග්‍රැෆීන්හි වික්‍රියා ඉවසීම ද සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු වේ. නැනෝස්ක්‍රෝල් සමඟ, 100% ලම්බක වික්‍රියාවකදී, ත්‍රිස්ථර MGG ව්‍යුහයේ ප්‍රතිරෝධය 50% කින් පමණක් වැඩි විය, අනුචලන නොමැතිව ත්‍රිස්ථර ග්‍රැෆීන් සඳහා 300% ට සාපේක්ෂව. චක්‍රීය වික්‍රියා භාරය යටතේ ප්‍රතිරෝධක වෙනස විමර්ශනය කරන ලදී. සංසන්දනය කිරීම සඳහා (රූපය 2D), සරල ද්වි-ස්ථර ග්‍රැෆීන් පටලයක ප්‍රතිරෝධයන් 50% ලම්බක වික්‍රියාවකදී ~700 චක්‍රවලින් පසු 7.5 ගුණයකින් පමණ වැඩි වූ අතර සෑම චක්‍රයකම වික්‍රියාව සමඟ වැඩි වෙමින් පැවතුනි. අනෙක් අතට, ද්වි-ස්ථර MGG හි ප්‍රතිරෝධය ~700 චක්‍රවලින් පසු 2.5 ගුණයකින් පමණ වැඩි විය. සමාන්තර දිශාව ඔස්සේ 90% වික්‍රියාව දක්වා යෙදීමෙන්, ත්‍රි-ස්ථර ග්‍රැෆීන්හි ප්‍රතිරෝධය චක්‍ර 1000 කට පසු ~100 ගුණයකින් වැඩි වූ අතර, ත්‍රි-ස්ථර MGG හි එය ~8 ගුණයකින් පමණි (රූපය 2E). චක්‍රීය ප්‍රතිඵල රූපයේ දැක්වේ. S7. සමාන්තර වික්‍රියා දිශාව ඔස්සේ ප්‍රතිරෝධයේ සාපේක්ෂව වේගවත් වැඩිවීමක් සිදුවන්නේ ඉරිතැලීම් දිශානතිය ධාරා ප්‍රවාහයේ දිශාවට ලම්බකව ඇති බැවිනි. වික්‍රියාව පැටවීම සහ බෑම අතරතුර ප්‍රතිරෝධයේ අපගමනය සිදුවන්නේ SEBS ඉලාස්ටෝමර් උපස්ථරයේ දුස්ස්රාවී ප්‍රත්‍යාස්ථතා ප්‍රතිසාධනය නිසාය. චක්‍රීයකරණයේදී MGG තීරු වල වඩාත් ස්ථායී ප්‍රතිරෝධය ඇති වන්නේ ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතලා ඇති කොටස් පාලම් කළ හැකි විශාල ලියවිලි තිබීම නිසාය (AFM මගින් නිරීක්ෂණය කර ඇති පරිදි), එය විනිවිද යාමේ මාර්ගයක් පවත්වා ගැනීමට උපකාරී වේ. ඉලාස්ටෝමර් උපස්ථර මත ඉරිතලා ඇති ලෝහ හෝ අර්ධ සන්නායක පටල සඳහා පෙරාතුව පර්කෝලේටින් මාර්ගයක් මගින් සන්නායකතාවය පවත්වා ගැනීමේ මෙම සංසිද්ධිය වාර්තා වී ඇත (40, 41).
මෙම ග්‍රැෆීන් පාදක පටල දිගු කළ හැකි උපාංගවල ගේට් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස ඇගයීමට, අපි ග්‍රැෆීන් ස්ථරය SEBS පාර විද්‍යුත් ස්ථරයකින් (2 μm ඝනකම) ආවරණය කළ අතර වික්‍රියාවේ ශ්‍රිතයක් ලෙස පාර විද්‍යුත් ධාරණ වෙනස නිරීක්ෂණය කළෙමු (විස්තර සඳහා රූපය 2F සහ අතිරේක ද්‍රව්‍ය බලන්න). ග්‍රැෆීන්හි තලීය සන්නායකතාවය නැතිවීම නිසා සරල ඒකස්ථර සහ ද්විස්ථර ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සහිත ධාරණාවන් ඉක්මනින් අඩු වන බව අපි නිරීක්ෂණය කළෙමු. ඊට වෙනස්ව, MGG මගින් මෙන්ම සරල ත්‍රිස්ථර ග්‍රැෆීන් මගින් ගේට් කරන ලද ධාරණාවන් වික්‍රියා සමඟ ධාරණාව වැඩි වීමක් පෙන්නුම් කළ අතර, වික්‍රියා සමඟ පාර විද්‍යුත් ඝණත්වය අඩු වීම නිසා එය අපේක්ෂා කෙරේ. ධාරිතාවයේ අපේක්ෂිත වැඩිවීම MGG ව්‍යුහය සමඟ ඉතා හොඳින් ගැලපේ (රූපය S8). මෙයින් පෙන්නුම් කරන්නේ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටර සඳහා ද්වාර ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් ලෙස MGG සුදුසු බවයි.
විද්‍යුත් සන්නායකතාවයේ වික්‍රියා ඉවසීම මත 1D ග්‍රැෆීන් අනුචලනයේ කාර්යභාරය තවදුරටත් විමර්ශනය කිරීමට සහ ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර වෙන්වීම වඩා හොඳින් පාලනය කිරීමට, අපි ග්‍රැෆීන් අනුචලන ප්‍රතිස්ථාපනය කිරීමට ඉසින-ආලේපිත CNT භාවිතා කළෙමු (පරිපූරක ද්‍රව්‍ය බලන්න). MGG ව්‍යුහයන් අනුකරණය කිරීම සඳහා, අපි CNT ඝනත්ව තුනක් (එනම්, CNT1) තැන්පත් කළෙමු.
(A සිට C දක්වා) CNT වල විවිධ ඝනත්ව තුනක AFM රූප (CNT1)
දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස ඒවායේ හැකියාව තවදුරටත් අවබෝධ කර ගැනීම සඳහා, අපි MGG සහ G-CNT-G වික්‍රියාව යටතේ රූප විද්‍යාව ක්‍රමානුකූලව විමර්ශනය කළෙමු. වර්ණ වෙනස නොමැති නිසා සහ ග්‍රැෆීන් පොලිමර් උපස්ථර මත ඇති විට ඉලෙක්ට්‍රෝන පරිලෝකනය කිරීමේදී SEM රූප කෞතුක වස්තු වලට යටත් වන නිසා දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂය සහ ස්කෑනිං ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂය (SEM) ඵලදායී චරිත නිරූපණ ක්‍රම නොවේ (රූපය S9 සහ S10). වික්‍රියාව යටතේ ග්‍රැෆීන් මතුපිට ස්ථානීයව නිරීක්ෂණය කිරීම සඳහා, ඉතා තුනී (~0.1 මි.මී. ඝනකම) සහ ප්‍රත්‍යාස්ථ SEBS උපස්ථර වෙත මාරු කිරීමෙන් පසු අපි ත්‍රි ස්ථර MGG සහ සරල ග්‍රැෆීන් මත AFM මිනුම් එකතු කළෙමු. CVD ග්‍රැෆීන්හි අභ්‍යන්තර දෝෂ සහ මාරු කිරීමේ ක්‍රියාවලියේදී බාහිර හානි හේතුවෙන්, වික්‍රියාවට ලක් වූ ග්‍රැෆීන් මත ඉරිතැලීම් අනිවාර්යයෙන්ම ජනනය වන අතර, වික්‍රියාව වැඩි වීමත් සමඟ ඉරිතැලීම් ඝනත්වයට පත් විය (රූපය 4, A සිට D දක්වා). කාබන් මත පදනම් වූ ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල ගොඩගැසීමේ ව්‍යුහය මත පදනම්ව, ඉරිතැලීම් විවිධ රූප විද්‍යාවන් ප්‍රදර්ශනය කරයි (රූපය S11) (27). බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශ ඝනත්වය (ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශය/විශ්ලේෂණය කළ ප්‍රදේශය ලෙස අර්ථ දක්වා ඇත) වික්‍රියාවෙන් පසු ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් වලට වඩා අඩුය, එය MGG සඳහා විද්‍යුත් සන්නායකතාවයේ වැඩිවීමට අනුකූල වේ. අනෙක් අතට, ඉරිතැලීම් පාලම් කිරීම සඳහා අනුචලන බොහෝ විට නිරීක්ෂණය කරනු ලැබේ, වික්‍රියා කරන ලද පටලයේ අමතර සන්නායක මාර්ග සපයයි. උදාහරණයක් ලෙස, රූපය 4B හි රූපයේ ලේබල් කර ඇති පරිදි, ත්‍රිස්ථර MGG හි ඉරිතැලීමක් හරහා පුළුල් අනුචලනයක් හරස් කර ඇත, නමුත් සරල ග්‍රැෆීන්හි කිසිදු අනුචලනයක් නිරීක්ෂණය නොවීය (රූපය 4, E සිට H දක්වා). ඒ හා සමානව, CNTs ග්‍රැෆීන්හි ඉරිතැලීම් පාලම් ද කළේය (රූපය S11). ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශ ඝනත්වය, අනුචලන ප්‍රදේශ ඝනත්වය සහ පටලවල රළුබව රූපය 4K හි සාරාංශ කර ඇත.
(A සිට H දක්වා) 0, 20, 60 සහ 100% වික්‍රියාවන්හි ඉතා තුනී SEBS (~0.1 මි.මී. ඝනකම) ඉලාස්ටෝමරයක් මත ත්‍රිස්ථර G/G අනුචලන (A සිට D දක්වා) සහ ත්‍රිස්ථර G ව්‍යුහයන් (E සිට H දක්වා) ස්ථානීය AFM රූප. නියෝජිත ඉරිතැලීම් සහ අනුචලන ඊතල සමඟ යොමු කර ඇත. සියලුම AFM රූප 15 μm × 15 μm ප්‍රදේශයක පිහිටා ඇති අතර, ලේබල් කර ඇති වර්ණ පරිමාණ තීරුව භාවිතා කරයි. (I) SEBS උපස්ථරයේ රටා සහිත ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල සමාකරණ ජ්‍යාමිතිය. (J) ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් සහ SEBS උපස්ථරයේ උපරිම ප්‍රධාන ලඝුගණක වික්‍රියාවේ සමාකරණ සමෝච්ඡ සිතියම 20% බාහිර වික්‍රියාවේදී. (K) විවිධ ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයන් සඳහා ඉරිතැලීම් ප්‍රදේශ ඝනත්වය (රතු තීරුව), අනුචලන ප්‍රදේශ ඝනත්වය (කහ තීරුව) සහ මතුපිට රළුබව (නිල් තීරුව) සංසන්දනය කිරීම.
MGG පටල දිගු කළ විට, ලියවිලිවලට ග්‍රැෆීන් වල ඉරිතලා ඇති ප්‍රදේශ පාලම් කළ හැකි වැදගත් අතිරේක යාන්ත්‍රණයක් ඇත, එමඟින් විනිවිද යන ජාලයක් පවත්වා ගනී. ග්‍රැෆීන් ලියවිලි පොරොන්දු වන්නේ ඒවා මයික්‍රෝමීටර දස දහස් ගණනක් දිග විය හැකි අතර එම නිසා සාමාන්‍යයෙන් මයික්‍රෝමීටර පරිමාණය දක්වා ඉරිතැලීම් පාලම් කළ හැකි බැවිනි. තවද, ලියවිලි ග්‍රැෆීන් බහු ස්ථර වලින් සමන්විත වන බැවින්, ඒවාට අඩු ප්‍රතිරෝධයක් ඇතැයි අපේක්ෂා කෙරේ. සංසන්දනය කිරීමේදී, සාපේක්ෂව ඝන (අඩු සම්ප්‍රේෂණ) CNT ජාල සංසන්දනාත්මක සන්නායක පාලම් හැකියාව සැපයීමට අවශ්‍ය වේ, මන්ද CNT කුඩා (සාමාන්‍යයෙන් දිග මයික්‍රෝමීටර කිහිපයක්) සහ ලියවිලි වලට වඩා අඩු සන්නායකතාවයකින් යුක්ත වේ. අනෙක් අතට, රූපයේ දැක්වෙන පරිදි. S12, වික්‍රියාවට ඉඩ සැලසීම සඳහා දිගු කිරීමේදී ග්‍රැෆීන් ඉරිතලා යන අතර, ලියවිලි ඉරිතලා නොයන අතර, එයින් පෙන්නුම් කරන්නේ දෙවැන්න යටින් පවතින ග්‍රැෆීන් මත ලිස්සා යා හැකි බවයි. ඒවා ඉරිතලා නොයෑමට හේතුව බොහෝ විට ග්‍රැෆීන් ස්ථර කිහිපයකින් (~1 සිට 2 0 μm දිග, ~0.1 සිට 1 μm පළල සහ ~10 සිට 100 nm උස) සමන්විත රෝල් කරන ලද ව්‍යුහය නිසා විය හැකිය, එය තනි ස්ථර ග්‍රැෆීනයට වඩා ඉහළ ඵලදායී මාපාංකයක් ඇත. ග්‍රීන් සහ හර්සම් (42) විසින් වාර්තා කරන ලද පරිදි, ලෝහමය CNT ජාල (නල විෂ්කම්භය 1.0 nm) CNT අතර විශාල හන්දි ප්‍රතිරෝධයක් තිබියදීත්, අඩු පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් <100 ohms/sq ලබා ගත හැකිය. අපගේ ග්‍රැෆීන් අනුචලනවල පළල 0.1 සිට 1 μm දක්වා වන අතර G/G අනුචලනවල CNT වලට වඩා විශාල සම්බන්ධතා ප්‍රදේශ ඇති බව සලකන විට, ග්‍රැෆීන් සහ ග්‍රැෆීන් අනුචලන අතර සම්බන්ධතා ප්‍රතිරෝධය සහ සම්බන්ධතා ප්‍රදේශය ඉහළ සන්නායකතාවය පවත්වා ගැනීම සඳහා සීමාකාරී සාධක නොවිය යුතුය.
ග්‍රැෆීන් වල SEBS උපස්ථරයට වඩා බොහෝ ඉහළ මාපාංකයක් ඇත. ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩයේ ඵලදායී ඝණකම උපස්ථරයට වඩා බෙහෙවින් අඩු වුවද, ග්‍රැෆීන් වල දෘඪතාව එහි ඝනකමට වඩා බෙහෙවින් අඩු වුවද, උපස්ථරයට (43, 44) වඩා තද බව සැසඳිය හැකි අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස මධ්‍යස්ථ දෘඩ-දූපත් ආචරණයක් ඇති වේ. අපි SEBS උපස්ථරයක් මත 1-nm-ඝන ග්‍රැෆීනයක විරූපණය අනුකරණය කළෙමු (විස්තර සඳහා අතිරේක ද්‍රව්‍ය බලන්න). සමාකරණ ප්‍රතිඵලවලට අනුව, SEBS උපස්ථරයට බාහිරව 20% වික්‍රියා යොදන විට, ග්‍රැෆීනයේ සාමාන්‍ය වික්‍රියාව ~6.6% (රූපය 4J සහ රූපය S13D) වේ, එය පර්යේෂණාත්මක නිරීක්ෂණවලට අනුකූල වේ (රූපය S13 බලන්න). අපි දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂය භාවිතයෙන් රටා සහිත ග්‍රැෆීන් සහ උපස්ථර කලාපවල වික්‍රියාව සංසන්දනය කළ අතර උපස්ථර කලාපයේ වික්‍රියාව ග්‍රැෆීන් කලාපයේ වික්‍රියාව මෙන් අවම වශයෙන් දෙගුණයක් බව සොයා ගත්තෙමු. මෙයින් ඇඟවෙන්නේ ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ රටා මත යොදන වික්‍රියාව සැලකිය යුතු ලෙස සීමා කළ හැකි බවත්, SEBS (26, 43, 44) මත ග්‍රැෆීන් දෘඩ දූපත් සාදමින් ඇති බවත්ය.
එමනිසා, ඉහළ වික්‍රියා යටතේ ඉහළ සන්නායකතාවක් පවත්වා ගැනීමට MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩවල හැකියාව ප්‍රධාන යාන්ත්‍රණ දෙකක් මගින් සක්‍රීය කර ඇත: (i) සන්නායක විනිවිද යාමේ මාර්ගයක් පවත්වා ගැනීම සඳහා අනුචලනවලට විසන්ධි වූ ප්‍රදේශ පාලම් කළ හැකි අතර (ii) බහු ස්ථර ග්‍රැෆීන් තහඩු/ඉලාස්ටෝමර් එකිනෙක මත ලිස්සා යා හැකි අතර, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ මත වික්‍රියාව අඩු වේ. ඉලාස්ටෝමර් මත මාරු කරන ලද ග්‍රැෆීන් බහු ස්ථර සඳහා, ස්ථර එකිනෙකා සමඟ තදින් බැඳී නොමැති අතර, වික්‍රියාවට ප්‍රතිචාර වශයෙන් ලිස්සා යා හැකිය (27). අනුචලන මගින් ග්‍රැෆීන් ස්ථරවල රළුබව වැඩි කළ අතර, එය ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර වෙන්වීම වැඩි කිරීමට උපකාරී වන අතර එම නිසා ග්‍රැෆීන් ස්ථර ලිස්සා යාමට ඉඩ සලසයි.
අඩු පිරිවැය සහ ඉහළ ප්‍රතිදානය නිසා සියලුම කාබන් උපාංග උද්යෝගයෙන් ලුහුබඳිනු ලැබේ. අපගේ නඩුවේදී, සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර පහළ ග්‍රැෆීන් ගේට්ටුවක්, ඉහළ ග්‍රැෆීන් ප්‍රභව/කාණු සම්බන්ධතාවයක්, වර්ග කළ CNT අර්ධ සන්නායකයක් සහ SEBS පාර විද්‍යුත් ද්‍රව්‍යයක් ලෙස භාවිතා කර නිපදවන ලදී (රූපය 5A). රූපය 5B හි පෙන්වා ඇති පරිදි, CNT ප්‍රභවය/කාණු සහ ගේට්ටුව (පහළ උපාංගය) ලෙස ඇති සියලුම කාබන් උපාංගයක් ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ (ඉහළ උපාංගය) සහිත උපාංගයට වඩා පාරාන්ධ වේ. මෙයට හේතුව CNT ජාලවලට ග්‍රැෆීන් වලට සමාන පත්‍ර ප්‍රතිරෝධයන් ලබා ගැනීම සඳහා විශාල ඝණකම සහ එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස අඩු දෘශ්‍ය සම්ප්‍රේෂණ අවශ්‍ය වීමයි (රූපය S4). රූපය 5 (C සහ D) ද්වි-ස්ථර MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සමඟ සාදන ලද ට්‍රාන්සිස්ටරයක් සඳහා වික්‍රියාවට පෙර නියෝජිත මාරු කිරීම සහ ප්‍රතිදාන වක්‍ර පෙන්වයි. නොකැඩූ ට්‍රාන්සිස්ටරයේ නාලිකා පළල සහ දිග පිළිවෙලින් 800 සහ 100 μm විය. මනින ලද සක්‍රිය/අක්‍රිය අනුපාතය පිළිවෙලින් 10−5 සහ 10−8 A මට්ටම්වල සක්‍රිය සහ අක්‍රිය ධාරා සමඟ 103 ට වඩා වැඩි ය. ප්‍රතිදාන වක්‍රය පැහැදිලි ද්වාර-වෝල්ටීයතා යැපීමක් සහිත කදිම රේඛීය සහ ස්ථායීකරණ තන්ත්‍ර ප්‍රදර්ශනය කරයි, CNT සහ ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ අතර කදිම සම්බන්ධතාවය පෙන්නුම් කරයි (45). ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සමඟ සම්බන්ධතා ප්‍රතිරෝධය වාෂ්පීකරණය වූ Au පටලයට වඩා අඩු බව නිරීක්ෂණය විය (රූපය S14 බලන්න). දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරයේ සන්තෘප්ත සංචලතාව 5.6 cm2/Vs පමණ වන අතර, එය පාර විද්‍යුත් ස්ථරයක් ලෙස 300-nm SiO2 සහිත දෘඩ Si උපස්ථර මත ඇති එකම පොලිමර්-වර්ග කළ CNT ට්‍රාන්සිස්ටරවලට සමාන වේ. ප්‍රශස්ත නල ඝනත්වය සහ අනෙකුත් නල වර්ග සමඟ සංචලතාවයේ තවදුරටත් වැඩිදියුණු කිරීම් කළ හැකිය (46).
(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 දැකගත හැකිය. (C සහ D) වික්‍රියාවට පෙර SEBS මත ග්‍රැෆීන් මත පදනම් වූ ට්‍රාන්සිස්ටරයේ මාරු කිරීමේ සහ ප්‍රතිදාන වක්‍ර. (E සහ F) විවිධ වික්‍රියා වලදී ග්‍රැෆීන් මත පදනම් වූ ට්‍රාන්සිස්ටරයේ මාරු කිරීමේ වක්‍ර, සක්‍රිය සහ අක්‍රිය ධාරාව, සක්‍රිය/අක්‍රිය අනුපාතය සහ සංචලතාව.
විනිවිද පෙනෙන, සම්පූර්ණ කාබන් උපාංගය ආරෝපණ ප්‍රවාහන දිශාවට සමාන්තරව දිගු කළ විට, අවම පිරිහීම 120% දක්වා නිරීක්ෂණය විය. දිගු කිරීමේදී, සංචලතාව 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). විශේෂයෙන්, 105% තරම් විශාල වික්‍රියාවකදී, මෙම සියලුම ට්‍රාන්සිස්ටර තවමත් ඉහළ සක්‍රිය/අක්‍රිය අනුපාතයක් (>103) සහ සංචලතාව (>3 cm2/Vs) ප්‍රදර්ශනය කළෙමු. ඊට අමතරව, සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටරවල මෑත කාලීන සියලු කාර්යයන් අපි සාරාංශ කළෙමු (වගුව S2 බලන්න) (47–52). ඉලාස්ටෝමර් මත උපාංග නිෂ්පාදනය ප්‍රශස්ත කිරීමෙන් සහ MGG සම්බන්ධතා ලෙස භාවිතා කිරීමෙන්, අපගේ සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර සංචලතාව සහ හිස්ටෙරසිස් අනුව හොඳ කාර්ය සාධනයක් මෙන්ම ඉතා දිගු කළ හැකි බව පෙන්නුම් කරයි.
සම්පූර්ණයෙන්ම විනිවිද පෙනෙන සහ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටරයේ යෙදුමක් ලෙස, LED එකක මාරුවීම පාලනය කිරීමට අපි එය භාවිතා කළෙමු (රූපය 6A). රූපය 6B හි පෙන්වා ඇති පරිදි, හරිත LED එක කෙළින්ම ඉහළින් තබා ඇති දිගු කළ හැකි සියලුම කාබන් උපාංගය හරහා පැහැදිලිව දැකගත හැකිය. ~100% දක්වා දිගු කරන අතරතුර (රූපය 6, C සහ D), LED ආලෝක තීව්‍රතාවය වෙනස් නොවේ, එය ඉහත විස්තර කර ඇති ට්‍රාන්සිස්ටර ක්‍රියාකාරිත්වයට අනුකූල වේ (චිත්‍රපටය S1 බලන්න). ග්‍රැෆීන් දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා නව හැකියාවක් පෙන්නුම් කරමින්, ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ භාවිතයෙන් සාදන ලද දිගු කළ හැකි පාලන ඒකක පිළිබඳ පළමු වාර්තාව මෙයයි.
(A) LED ධාවනය කිරීම සඳහා ට්‍රාන්සිස්ටරයක පරිපථය. GND, බිම්. (B) හරිත LED එකකට ඉහළින් සවිකර ඇති 0% වික්‍රියාවකදී දිගු කළ 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 එකට ඉහළින් 0% (වමේ) සහ ~100% වික්‍රියාවකදී සවිකර ඇත (දකුණේ). දුර වෙනස දිගු වන බව පෙන්වීමට උපාංගයේ කහ සලකුණු ලෙස සුදු ඊතල යොමු කරයි. (D) දිගු කරන ලද ට්‍රාන්සිස්ටරයේ පැති දසුන, LED ඉලාස්ටෝමරයට තල්ලු කර ඇත.
නිගමනයක් ලෙස, ගොඩගැසූ ග්‍රැෆීන් ස්ථර අතර ඇති ග්‍රැෆීන් නැනෝස්ක්‍රෝල් මගින් සක්‍රීය කරන ලද, දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස විශාල වික්‍රියා යටතේ ඉහළ සන්නායකතාවක් පවත්වා ගන්නා විනිවිද පෙනෙන සන්නායක ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයක් අපි සංවර්ධනය කර ඇත්තෙමු. ඉලාස්ටෝමරයක් මත ඇති මෙම ද්වි- සහ ත්‍රි-ස්ථර MGG ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ව්‍යුහයන්ට, සාමාන්‍ය ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ සඳහා 5% වික්‍රියාවකදී සන්නායකතාවයේ සම්පූර්ණ අලාභයට සාපේක්ෂව, 100%ක් තරම් ඉහළ වික්‍රියාවකදී ඒවායේ 0% වික්‍රියා සන්නායකතාවයෙන් පිළිවෙලින් 21 සහ 65%ක් පවත්වා ගත හැකිය. ග්‍රැෆීන් අනුචලනවල අතිරේක සන්නායක මාර්ග මෙන්ම මාරු කරන ලද ස්ථර අතර දුර්වල අන්තර්ක්‍රියා, වික්‍රියාව යටතේ උසස් සන්නායකතා ස්ථායිතාවයට දායක වේ. සියලුම කාබන් දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටර නිෂ්පාදනය කිරීම සඳහා අපි මෙම ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහය තවදුරටත් යෙදුවෙමු. මෙතෙක්, මෙය බක්ලිං භාවිතා නොකර හොඳම විනිවිදභාවය සහිත වඩාත්ම දිගු කළ හැකි ග්‍රැෆීන්-පාදක ට්‍රාන්සිස්ටරයයි. දිගු කළ හැකි ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සඳහා ග්‍රැෆීන් සක්‍රීය කිරීම සඳහා වර්තමාන අධ්‍යයනය සිදු කරන ලද නමුත්, දිගු කළ හැකි 2D ඉලෙක්ට්‍රොනික උපකරණ සක්‍රීය කිරීම සඳහා මෙම ප්‍රවේශය අනෙකුත් 2D ද්‍රව්‍ය වෙත ව්‍යාප්ත කළ හැකි බව අපි විශ්වාස කරමු.
විශාල ප්‍රදේශයක CVD ග්‍රැෆීන්, 1000°C දී පූර්වගාමීන් ලෙස 50–SCCM (සම්මත ඝන සෙන්ටිමීටරයකට මිනිත්තුවකට) CH4 සහ 20–SCCM H2 සමඟ 0.5 mtorr නියත පීඩනයක් යටතේ අත්හිටුවන ලද Cu තීරු (99.999%; Alfa Aesar) මත වගා කරන ලදී. Cu තීරුවේ දෙපැත්තම ඒකස්ථර ග්‍රැෆීන් මගින් ආවරණය කරන ලදී. PMMA (2000 rpm; A4, මයික්‍රොකෙම්) තුනී ස්ථරයක් Cu තීරුවේ එක් පැත්තක භ්‍රමණය-ආලේප කර, PMMA/G/Cu තීරු/G ව්‍යුහයක් සාදයි. පසුව, Cu තීරුව ඉවත් කිරීම සඳහා මුළු පටලයම පැය 2 ක් පමණ 0.1 M ඇමෝනියම් පර්සල්ෆේට් [(NH4)2S2O8] ද්‍රාවණයක පොඟවා ඇත. මෙම ක්‍රියාවලියේදී, අනාරක්ෂිත පිටුපස ග්‍රැෆීන් මුලින්ම ධාන්‍ය මායිම් දිගේ ඉරා දැමූ අතර පසුව මතුපිට ආතතිය නිසා අනුචලනවලට පෙරළන ලදී. අනුචලන PMMA-සහාය දක්වන ඉහළ ග්‍රැෆීන් පටලයට සවි කර, PMMA/G/G අනුචලන සාදයි. පසුව පටල කිහිප වතාවක් අයනීකරණය කළ ජලයෙන් සෝදා දෘඩ SiO2/Si හෝ ප්ලාස්ටික් උපස්ථරයක් වැනි ඉලක්ක උපස්ථරයක් මත තබන ලදී. අමුණා ඇති පටලය උපස්ථරය මත වියළී ගිය වහාම, PMMA ඉවත් කිරීම සඳහා සාම්පලය අනුපිළිවෙලින් ඇසිටෝන්, 1:1 ඇසිටෝන්/IPA (අයිසොප්‍රොපයිල් මධ්‍යසාර) සහ IPA තත්පර 30 බැගින් පොඟවා ඇත. පටල 100°C දී මිනිත්තු 15ක් රත් කර හෝ G/G අනුචලනයේ තවත් තට්ටුවක් එයට මාරු කිරීමට පෙර සිරවී ඇති ජලය සම්පූර්ණයෙන්ම ඉවත් කිරීම සඳහා එක රැයකින් රික්තයක් තුළ තබා ඇත. මෙම පියවර වූයේ උපස්ථරයෙන් ග්‍රැෆීන් පටලය වෙන්වීම වැළැක්වීම සහ PMMA වාහක ස්ථරය මුදා හැරීමේදී MGGs සම්පූර්ණ ආවරණය සහතික කිරීමයි.
MGG ව්‍යුහයේ රූප විද්‍යාව දෘශ්‍ය අන්වීක්ෂයක් (ලයිකා) සහ ස්කෑනිං ඉලෙක්ට්‍රෝන අන්වීක්ෂයක් (1 kV; FEI) භාවිතයෙන් නිරීක්ෂණය කරන ලදී. G අනුචලනවල විස්තර නිරීක්ෂණය කිරීම සඳහා පරමාණුක බල අන්වීක්ෂයක් (නැනෝස්කෝප් III, ඩිජිටල් උපකරණය) ටැපිං මාදිලියේ ක්‍රියාත්මක කරන ලදී. පාරජම්බුල-දෘශ්‍ය වර්ණාවලීක්ෂයක් (Agilent Cary 6000i) මගින් පටල විනිවිදභාවය පරීක්ෂා කරන ලදී. වික්‍රියාව ධාරා ප්‍රවාහයේ ලම්බක දිශාව ඔස්සේ සිදු කරන ලද පරීක්ෂණ සඳහා, ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයන් තීරු (~300 μm පළල සහ ~2000 μm දිග) බවට රටා කිරීමට ෆොටෝලිතෝග්‍රැෆි සහ O2 ප්ලාස්මා භාවිතා කරන ලද අතර, දිගු පැත්තේ කෙළවර දෙකෙහිම සෙවනැලි ආවරණ භාවිතයෙන් Au (50 nm) ඉලෙක්ට්‍රෝඩ තාපජව තැන්පත් කරන ලදී. ඉන්පසු ග්‍රැෆීන් තීරු SEBS ඉලාස්ටෝමරයක් (~2 cm පළල සහ ~5 cm දිග) සමඟ ස්පර්ශ කරන ලද අතර, තීරු වල දිගු අක්ෂය SEBS හි කෙටි පැත්තට සමාන්තරව BOE (බෆර් කරන ලද ඔක්සයිඩ් එච්) (HF:H2O 1:6) කැටයම් කිරීම සහ යුටෙක්ටික් ගැලියම් ඉන්ඩියම් (EGaIn) විද්‍යුත් සම්බන්ධතා ලෙස අනුගමනය කරන ලදී. සමාන්තර වික්‍රියා පරීක්ෂණ සඳහා, රටා නොකළ ග්‍රැෆීන් ව්‍යුහයන් (~5 × 10 mm) SEBS උපස්ථර වෙත මාරු කරන ලද අතර, දිගු අක්ෂ SEBS උපස්ථරයේ දිගු පැත්තට සමාන්තරව ඇත. අවස්ථා දෙකෙහිම, සම්පූර්ණ G (G අනුචලන නොමැතිව)/SEBS ඉලාස්ටෝමරයේ දිගු පැත්ත දිගේ අතින් උපකරණයක දිගු කරන ලද අතර, ස්ථානීය වශයෙන්, අපි අර්ධ සන්නායක විශ්ලේෂකයක් (Keithley 4200-SCS) සහිත පරීක්ෂණ ස්ථානයක වික්‍රියාව යටතේ ඒවායේ ප්‍රතිරෝධක වෙනස්කම් මැන බැලුවෙමු.
ප්‍රත්‍යාස්ථ උපස්ථරයක් මත ඇති ඉතා දිගු කළ හැකි සහ විනිවිද පෙනෙන සියලුම කාබන් ට්‍රාන්සිස්ටර, පොලිමර් පාර විද්‍යුත් ද්‍රව්‍ය සහ උපස්ථරයේ කාබනික ද්‍රාවක හානිය වළක්වා ගැනීම සඳහා පහත ක්‍රියා පටිපාටි මගින් නිෂ්පාදනය කරන ලදී. MGG ව්‍යුහයන් SEBS වෙත ගේට් ඉලෙක්ට්‍රෝඩ ලෙස මාරු කරන ලදී. ඒකාකාර තුනී පටල පොලිමර් පාර විද්‍යුත් ස්ථරයක් (2 μm ඝනකම) ලබා ගැනීම සඳහා, SEBS ටොලුයින් (80 mg/ml) ද්‍රාවණයක් ඔක්ටඩෙසිල්ට්‍රික්ලෝරොසිලේන් (OTS)–නවීකරණය කරන ලද SiO2/Si උපස්ථරයක් මත මිනිත්තු 1 ක් සඳහා 1000 rpm හි භ්‍රමණය-ආලේප කරන ලදී. තුනී පාර විද්‍යුත් පටලය ජලභීතික OTS මතුපිට සිට සකස් කළ ග්‍රැෆීන් වලින් ආවරණය කර ඇති SEBS උපස්ථරයට පහසුවෙන් මාරු කළ හැකිය. LCR (ප්‍රේරණය, ධාරිතාව, ප්‍රතිරෝධය) මීටරයක් (Agilent) භාවිතා කරමින් වික්‍රියා ශ්‍රිතයක් ලෙස ධාරිතාව තීරණය කිරීම සඳහා ද්‍රව-ලෝහයක් (EGaIn; සිග්මා-ඇල්ඩ්රිච්) ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝඩයක් තැන්පත් කිරීමෙන් ධාරිත්‍රකයක් සෑදිය හැකිය. ට්‍රාන්සිස්ටරයේ අනෙක් කොටස, කලින් වාර්තා කරන ලද ක්‍රියා පටිපාටි අනුගමනය කරමින් (53) පොලිමර්-වර්ග කළ අර්ධ සන්නායක CNT වලින් සමන්විත විය. රටා කරන ලද ප්‍රභව/කාණු ඉලෙක්ට්‍රෝඩ දෘඩ SiO2/Si උපස්ථර මත නිපදවා ඇත. පසුව, ද්වි විද ත්/G/SEBS සහ CNTs/රටාව සහිත G/SiO2/Si යන කොටස් දෙක එකිනෙකට ලැමිෙන්ට් කර, දෘඩ SiO2/Si උපස්ථරය ඉවත් කිරීම සඳහා BOE හි පොඟවා ඇත. මේ අනුව, සම්පූර්ණයෙන්ම විනිවිද පෙනෙන සහ දිගු කළ හැකි ට්‍රාන්සිස්ටර නිපදවා ඇත. ඉහත සඳහන් කළ ක්‍රමය ලෙස අතින් දිගු කිරීමේ සැකසුමක් මත ආතතිය යටතේ විද්‍යුත් පරීක්ෂාව 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 @ මොනෝ-, ද්වි- සහ ත්‍රි-ස්ථර සරල ග්‍රැෆීන් (කළු කොටු), MGG (රතු කව) සහ CNT (නිල් ත්‍රිකෝණය) සංසන්දනය කිරීම.
රූපය. S7. ~1000 චක්‍රීය වික්‍රියාව යටතේ ඒක- සහ ද්වි-ස්ථර MGGs (කළු) සහ G (රතු) වල සාමාන්‍යකරණය කරන ලද ප්‍රතිරෝධක වෙනස පිළිවෙලින් 40 සහ 90% සමාන්තර වික්‍රියාව දක්වා පැටවීම.
රූපය. S10. SEBS ඉලාස්ටෝමරයේ ත්‍රි-ස්ථර MGG හි SEM රූපය, ඉරිතැලීම් කිහිපයක් මත දිගු අනුචලන කුරුසයක් පෙන්වයි.
රූපය. S12. ඉතා තුනී SEBS ඉලාස්ටෝමරයක් මත 20% වික්‍රියාවකින් යුත් ත්‍රි-ස්ථර MGG හි AFM රූපය, ඉරිතැලීමක් හරහා අනුචලනයක් හරස් කර ඇති බව පෙන්වයි.
වගුව S1. වික්‍රියාවට පෙර සහ පසු විවිධ නාලිකා දිගෙහි ද්වි ස්ථර MGG–තනි බිත්ති සහිත කාබන් නැනෝ ටියුබ් ට්‍රාන්සිස්ටරවල සංචලතා.
මෙය Creative Commons Attribution-NonCommercial බලපත්‍රයේ නියමයන් යටතේ බෙදා හරින ලද විවෘත ප්‍රවේශ ලිපියකි, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස භාවිතය වාණිජමය වාසියක් සඳහා නොවන තාක් සහ මුල් කෘතිය නිසි ලෙස උපුටා දක්වා ඇති තාක් කල්, ඕනෑම මාධ්‍යයකින් භාවිතය, බෙදා හැරීම සහ ප්‍රතිනිෂ්පාදනය කිරීමට අවසර ඇත.
සටහන: අපි ඔබගේ විද්‍යුත් තැපැල් ලිපිනය ඉල්ලා සිටින්නේ ඔබ පිටුව නිර්දේශ කරන පුද්ගලයාට එය දැකීමට අවශ්‍ය බව දැන ගැනීමට සහ එය කුණු තැපෑලක් නොවන බව දැන ගැනීමට පමණි. අපි කිසිදු විද්‍යුත් තැපැල් ලිපිනයක් ග්‍රහණය නොකරමු.
මෙම ප්‍රශ්නය ඔබ මිනිස් අමුත්තෙකුද නැද්ද යන්න පරීක්ෂා කිරීමට සහ ස්වයංක්‍රීය ස්පෑම් ඉදිරිපත් කිරීම් වැළැක්වීමට ය.
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.
පළ කිරීමේ කාලය: ජනවාරි-28-2021