অতিস্বচ্ছ এবং প্রসারণযোগ্য গ্রাফিন ইলেক্ট্রোড

গ্রাফিনের মতো দ্বি-মাত্রিক পদার্থগুলো প্রচলিত সেমিকন্ডাক্টর অ্যাপ্লিকেশন এবং ফ্লেক্সিবল ইলেকট্রনিক্সের উদীয়মান অ্যাপ্লিকেশন উভয়ের জন্যই আকর্ষণীয়। তবে, গ্রাফিনের উচ্চ প্রসার্য শক্তির কারণে এটি অল্প স্ট্রেইনেই ভেঙে যায়, ফলে প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রনিক্সে এর অসাধারণ ইলেকট্রনিক বৈশিষ্ট্যগুলোর সুবিধা নেওয়া কঠিন হয়ে পড়ে। স্বচ্ছ গ্রাফিন পরিবাহীর চমৎকার স্ট্রেইন-নির্ভর কর্মক্ষমতা নিশ্চিত করতে, আমরা স্তূপীকৃত গ্রাফিন স্তরগুলোর মধ্যে গ্রাফিন ন্যানোস্ক্রোল তৈরি করেছি, যা মাল্টিলেয়ার গ্রাফিন/গ্রাফিন স্ক্রোল (MGG) নামে পরিচিত। স্ট্রেইনের অধীনে, কিছু স্ক্রোল গ্রাফিনের খণ্ডিত ডোমেইনগুলোকে সংযুক্ত করে একটি পারকোলেটিং নেটওয়ার্ক বজায় রাখে, যা উচ্চ স্ট্রেইনেও চমৎকার পরিবাহিতা নিশ্চিত করে। ইলাস্টোমারের উপর স্থাপিত ট্রাইলেয়ার MGG-গুলো ১০০% স্ট্রেইনে তাদের মূল পরিবাহিতার ৬৫% ধরে রাখে, যা তড়িৎ প্রবাহের দিকের সাথে লম্বভাবে থাকে, যেখানে ন্যানোস্ক্রোল ছাড়া গ্রাফিনের ট্রাইলেয়ার ফিল্মগুলো তাদের প্রাথমিক পরিবাহিতার মাত্র ২৫% ধরে রাখে। ইলেকট্রোড হিসেবে এমজিজি (MGG) ব্যবহার করে নির্মিত একটি প্রসারণযোগ্য সর্ব-কার্বন ট্রানজিস্টর ৯০%-এর বেশি ট্রান্সমিট্যান্স প্রদর্শন করেছে এবং ১২০% স্ট্রেইনে (চার্জ পরিবহনের দিকের সমান্তরালে) এর মূল কারেন্ট আউটপুটের ৬০% ধরে রেখেছে। এই অত্যন্ত প্রসারণযোগ্য ও স্বচ্ছ সর্ব-কার্বন ট্রানজিস্টরগুলো অত্যাধুনিক প্রসারণযোগ্য অপটোইলেকট্রনিক্সকে সম্ভব করে তুলতে পারে।
প্রসারণযোগ্য স্বচ্ছ ইলেকট্রনিক্স একটি ক্রমবর্ধমান ক্ষেত্র, যার উন্নত জৈব-সমন্বিত সিস্টেমে (1, 2) গুরুত্বপূর্ণ প্রয়োগ রয়েছে এবং সেইসাথে অত্যাধুনিক সফট রোবটিক্স ও ডিসপ্লে তৈরির জন্য প্রসারণযোগ্য অপটোইলেকট্রনিক্সের (3, 4) সাথে একীভূত হওয়ার সম্ভাবনাও রয়েছে। গ্রাফিন পারমাণবিক পুরুত্ব, উচ্চ স্বচ্ছতা এবং উচ্চ পরিবাহিতার মতো অত্যন্ত কাঙ্ক্ষিত বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে, কিন্তু সামান্য প্রসারণেই ফেটে যাওয়ার প্রবণতার কারণে প্রসারণযোগ্য প্রয়োগে এর বাস্তবায়ন বাধাগ্রস্ত হয়েছে। গ্রাফিনের যান্ত্রিক সীমাবদ্ধতাগুলো কাটিয়ে উঠলে প্রসারণযোগ্য স্বচ্ছ ডিভাইসগুলোতে নতুন কার্যকারিতা যুক্ত করা সম্ভব হতে পারে।
গ্রাফিনের অনন্য বৈশিষ্ট্য এটিকে পরবর্তী প্রজন্মের স্বচ্ছ পরিবাহী ইলেকট্রোডের জন্য একটি শক্তিশালী প্রার্থী করে তোলে (5, 6)। সবচেয়ে সাধারণভাবে ব্যবহৃত স্বচ্ছ পরিবাহী, ইন্ডিয়াম টিন অক্সাইড [ITO; 90% স্বচ্ছতায় 100 ওহম/বর্গ (sq)] এর তুলনায়, রাসায়নিক বাষ্প জমা (CVD) দ্বারা তৈরি মনোলিয়ার গ্রাফিনের শীট রেজিস্ট্যান্স (125 ওহম/বর্গ) এবং স্বচ্ছতার (97.4%) একটি অনুরূপ সমন্বয় রয়েছে (5)। এছাড়াও, ITO এর তুলনায় গ্রাফিন ফিল্মগুলির অসাধারণ নমনীয়তা রয়েছে (7)। উদাহরণস্বরূপ, একটি প্লাস্টিক সাবস্ট্রেটে, 0.8 মিমি এর মতো ছোট বক্রতার ব্যাসার্ধের জন্যও এর পরিবাহিতা বজায় রাখা যেতে পারে (8)। ​​একটি স্বচ্ছ নমনীয় পরিবাহী হিসাবে এর বৈদ্যুতিক কর্মক্ষমতা আরও বাড়ানোর জন্য, পূর্ববর্তী কাজগুলিতে এক-মাত্রিক (1D) রূপার ন্যানোওয়্যার বা কার্বন ন্যানোটিউব (CNTs) এর সাথে গ্রাফিন হাইব্রিড উপকরণ তৈরি করা হয়েছে (9-11)। অধিকন্তু, গ্রাফিন মিশ্র মাত্রিক হেটেরোস্ট্রাকচারাল সেমিকন্ডাক্টর (যেমন 2D বাল্ক Si, 1D ন্যানোওয়্যার/ন্যানোটিউব, এবং 0D কোয়ান্টাম ডট) (12), নমনীয় ট্রানজিস্টর, সৌর কোষ, এবং আলো-নিঃসরণকারী ডায়োড (LED) (13-23) এর জন্য ইলেক্ট্রোড হিসেবে ব্যবহৃত হয়েছে।
যদিও গ্রাফিন নমনীয় ইলেকট্রনিক্সের জন্য আশাব্যঞ্জক ফলাফল দেখিয়েছে, প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রনিক্সে এর প্রয়োগ এর যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যের কারণে সীমিত (17, 24, 25); গ্রাফিনের ইন-প্লেন স্টিফনেস 340 N/m এবং ইয়ং-এর মডুলাস 0.5 TPa (26)। শক্তিশালী কার্বন-কার্বন নেটওয়ার্ক প্রয়োগকৃত স্ট্রেইনের জন্য কোনো শক্তি অপচয় প্রক্রিয়া প্রদান করে না এবং তাই 5% স্ট্রেইনের কম স্ট্রেইনে সহজেই ফেটে যায়। উদাহরণস্বরূপ, একটি পলিডাইমিথাইলসিলোক্সেন (PDMS) ইলাস্টিক সাবস্ট্রেটে স্থানান্তরিত CVD গ্রাফিন শুধুমাত্র 6% স্ট্রেইনের কম স্ট্রেইনে তার পরিবাহিতা বজায় রাখতে পারে (8)। ​​তাত্ত্বিক গণনা দেখায় যে বিভিন্ন স্তরের মধ্যে মোচড়ানো এবং পারস্পরিক ক্রিয়া স্টিফনেসকে ব্যাপকভাবে হ্রাস করবে (26)। গ্রাফিনকে একাধিক স্তরে সাজিয়ে, এটি রিপোর্ট করা হয়েছে যে এই দ্বি- বা ত্রি-স্তর গ্রাফিন 30% স্ট্রেইন পর্যন্ত প্রসারণযোগ্য, যা একক-স্তর গ্রাফিনের তুলনায় 13 গুণ কম রোধ পরিবর্তন প্রদর্শন করে (27)। যাইহোক, এই প্রসারণযোগ্যতা এখনও অত্যাধুনিক প্রসারণযোগ্য পরিবাহীর তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে নিকৃষ্ট (28, 29)।
প্রসারণযোগ্য অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ট্রানজিস্টর গুরুত্বপূর্ণ কারণ এগুলি অত্যাধুনিক সেন্সর রিডআউট এবং সংকেত বিশ্লেষণ সক্ষম করে (30, 31)। PDMS-এর উপর তৈরি ট্রানজিস্টর, যেখানে সোর্স/ড্রেন ইলেক্ট্রোড এবং চ্যানেল উপাদান হিসাবে বহুস্তর গ্রাফিন ব্যবহার করা হয়, তা 5% পর্যন্ত প্রসারণে বৈদ্যুতিক কার্যকারিতা বজায় রাখতে পারে (32), যা পরিধানযোগ্য স্বাস্থ্য-পর্যবেক্ষণ সেন্সর এবং ইলেকট্রনিক ত্বকের জন্য প্রয়োজনীয় ন্যূনতম মান (~50%) থেকে উল্লেখযোগ্যভাবে কম (33, 34)। সম্প্রতি, একটি গ্রাফিন কিরিগামি পদ্ধতি অন্বেষণ করা হয়েছে, এবং একটি তরল ইলেক্ট্রোলাইট দ্বারা গেটেড ট্রানজিস্টরকে 240% পর্যন্ত প্রসারিত করা যেতে পারে (35)। তবে, এই পদ্ধতির জন্য সাসপেন্ডেড গ্রাফিনের প্রয়োজন হয়, যা তৈরির প্রক্রিয়াকে জটিল করে তোলে।
এখানে, আমরা গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে গ্রাফিন স্ক্রোল (~১ থেকে ২০ মাইক্রোমিটার লম্বা, ~০.১ থেকে ১ মাইক্রোমিটার চওড়া এবং ~১০ থেকে ১০০ ন্যানোমিটার উঁচু) সন্নিবেশ করে অত্যন্ত প্রসারণযোগ্য গ্রাফিন ডিভাইস তৈরি করেছি। আমাদের ধারণা, এই গ্রাফিন স্ক্রোলগুলি গ্রাফিন শিটের ফাটলগুলির মধ্যে পরিবাহী পথ তৈরি করতে পারে, যার ফলে চাপের মধ্যেও উচ্চ পরিবাহিতা বজায় থাকে। গ্রাফিন স্ক্রোলগুলির জন্য কোনো অতিরিক্ত সংশ্লেষণ বা প্রক্রিয়ার প্রয়োজন হয় না; ওয়েট ট্রান্সফার পদ্ধতির সময় এগুলি স্বাভাবিকভাবেই তৈরি হয়। মাল্টিলেয়ার জি/জি (গ্রাফিন/গ্রাফিন) স্ক্রোল (MGGs), গ্রাফিন প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রোড (সোর্স/ড্রেন এবং গেট) এবং অর্ধপরিবাহী কার্বন ন্যানোটিউব (CNTs) ব্যবহার করে, আমরা অত্যন্ত স্বচ্ছ এবং অত্যন্ত প্রসারণযোগ্য সম্পূর্ণ-কার্বন ট্রানজিস্টর তৈরি করতে সক্ষম হয়েছি, যা চার্জ পরিবহনের দিকের সমান্তরালে ১২০% পর্যন্ত প্রসারিত করা যায় এবং এর মূল কারেন্ট আউটপুটের ৬০% ধরে রাখে। এটি এখন পর্যন্ত সবচেয়ে প্রসারণযোগ্য স্বচ্ছ কার্বন-ভিত্তিক ট্রানজিস্টর, এবং এটি একটি অজৈব এলইডি (LED) চালানোর জন্য পর্যাপ্ত কারেন্ট সরবরাহ করে।
বৃহৎ-ক্ষেত্রফল বিশিষ্ট স্বচ্ছ প্রসারণযোগ্য গ্রাফিন ইলেকট্রোড তৈরির জন্য, আমরা কপার (Cu) ফয়েলের উপর CVD পদ্ধতিতে উৎপন্ন গ্রাফিন বেছে নিয়েছি। কপার ফয়েলটিকে একটি CVD কোয়ার্টজ টিউবের কেন্দ্রে ঝুলিয়ে রাখা হয়েছিল যাতে এর উভয় দিকে গ্রাফিনের বৃদ্ধি ঘটে এবং G/Cu/G কাঠামো তৈরি হয়। গ্রাফিন স্থানান্তর করার জন্য, আমরা প্রথমে গ্রাফিনের এক পাশকে সুরক্ষিত করতে পলি(মিথাইল মেথাক্রাইলেট) (PMMA)-এর একটি পাতলা স্তর স্পিন-কোটিং করি, যেটিকে আমরা টপসাইড গ্রাফিন নাম দিয়েছি (গ্রাফিনের অন্য পাশের জন্য এর বিপরীত), এবং পরবর্তীতে, কপার ফয়েলটিকে ইচিং করে সরিয়ে ফেলার জন্য সম্পূর্ণ ফিল্মটিকে (PMMA/টপ গ্রাফিন/Cu/বটম গ্রাফিন) (NH4)2S2O8 দ্রবণে ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল। PMMA আবরণ ছাড়া বটম-সাইড গ্রাফিনে অনিবার্যভাবে ফাটল এবং ত্রুটি থাকবে যা একটি ইচ্যান্টকে এর মধ্য দিয়ে প্রবেশ করতে দেয় (36, 37)। চিত্র 1A-তে যেমন দেখানো হয়েছে, পৃষ্ঠটানের প্রভাবে, মুক্ত গ্রাফিন ডোমেইনগুলি স্ক্রলের মতো গুটিয়ে যায় এবং পরবর্তীতে অবশিষ্ট টপ-G/PMMA ফিল্মের সাথে সংযুক্ত হয়। টপ-জি/জি স্ক্রলগুলো যেকোনো সাবস্ট্রেটে, যেমন SiO2/Si, কাচ বা নরম পলিমারে স্থানান্তর করা যেতে পারে। একই সাবস্ট্রেটে এই স্থানান্তর প্রক্রিয়াটি বেশ কয়েকবার পুনরাবৃত্তি করলে MGG কাঠামো তৈরি হয়।
(A) প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রোড হিসেবে MGG তৈরির পদ্ধতির পরিকল্পিত চিত্র। গ্রাফিন স্থানান্তরের সময়, Cu ফয়েলের উপর থাকা গ্রাফিনের পেছনের অংশ সীমানা এবং ত্রুটিতে ভেঙে যায়, ইচ্ছামতো আকারে গুটিয়ে যায় এবং উপরের ফিল্মের সাথে শক্তভাবে সংযুক্ত হয়ে ন্যানোস্ক্রোল তৈরি করে। চতুর্থ কার্টুনটি স্তূপীকৃত MGG কাঠামোটি দেখায়। (B এবং C) একটি মনোলিয়ার MGG-এর উচ্চ-রেজোলিউশন TEM বৈশিষ্ট্য, যেখানে যথাক্রমে মনোলিয়ার গ্রাফিন (B) এবং স্ক্রোল (C) অঞ্চলের উপর আলোকপাত করা হয়েছে। (B)-এর ইনসেটটি একটি কম-বিবর্ধনের ছবি যা TEM গ্রিডের উপর মনোলিয়ার MGG-এর সামগ্রিক গঠন দেখায়। (C)-এর ইনসেটগুলো হলো ছবিতে নির্দেশিত আয়তক্ষেত্রাকার বাক্স বরাবর নেওয়া তীব্রতার প্রোফাইল, যেখানে পারমাণবিক তলগুলোর মধ্যে দূরত্ব হলো ০.৩৪ এবং ০.৪১ ন্যানোমিটার। (D) কার্বন K-এজ EEL স্পেকট্রাম যেখানে বৈশিষ্ট্যসূচক গ্রাফাইটিক π* এবং σ* পিকগুলো চিহ্নিত করা হয়েছে। (E) মনোলিয়ার G/G স্ক্রোলের একটি বিভাগীয় AFM ছবি যেখানে হলুদ ডটেড লাইন বরাবর উচ্চতার প্রোফাইল দেখানো হয়েছে। (F থেকে I) যথাক্রমে ৩০০-ন্যানোমিটার-পুরু SiO2/Si সাবস্ট্রেটের উপর স্ক্রল ছাড়া (F এবং H) এবং স্ক্রল সহ (G এবং I) ট্রাইলেয়ার G-এর অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি এবং AFM চিত্র। তাদের পার্থক্য তুলে ধরার জন্য প্রতিনিধিত্বমূলক স্ক্রল এবং রিঙ্কলগুলোকে চিহ্নিত করা হয়েছে।
স্ক্রলগুলো যে প্রকৃতিগতভাবে গড়ানো গ্রাফিন, তা যাচাই করার জন্য আমরা মনোলেয়ার টপ-জি/জি স্ক্রল কাঠামোর উপর উচ্চ-রেজোলিউশন ট্রান্সমিশন ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (টিইএম) এবং ইলেকট্রন এনার্জি লস (ইইএল) স্পেকট্রোস্কোপি গবেষণা পরিচালনা করেছি। চিত্র ১বি-তে একটি মনোলেয়ার গ্রাফিনের ষড়ভুজাকার কাঠামো দেখানো হয়েছে, এবং এর ইনসেটটি হলো টিইএম গ্রিডের একটিমাত্র কার্বন হোলের উপর আবৃত ফিল্মটির সামগ্রিক রূপ। মনোলেয়ার গ্রাফিনটি গ্রিডের বেশিরভাগ অংশ জুড়ে বিস্তৃত, এবং ষড়ভুজাকার বলয়ের একাধিক স্তূপের উপস্থিতিতে কিছু গ্রাফিন ফ্লেক দেখা যায় (চিত্র ১বি)। একটি নির্দিষ্ট স্ক্রলকে জুম করে (চিত্র ১সি), আমরা প্রচুর পরিমাণে গ্রাফিন ল্যাটিস ফ্রিঞ্জ পর্যবেক্ষণ করেছি, যার ল্যাটিস স্পেসিং ০.৩৪ থেকে ০.৪১ ন্যানোমিটারের মধ্যে। এই পরিমাপগুলো থেকে বোঝা যায় যে ফ্লেকগুলো এলোমেলোভাবে গড়ানো এবং এগুলো নিখুঁত গ্রাফাইট নয়, যার “ABAB” লেয়ার স্ট্যাকিং-এ ল্যাটিস স্পেসিং ০.৩৪ ন্যানোমিটার। চিত্র 1D-তে কার্বন K-এজ EEL স্পেকট্রাম দেখানো হয়েছে, যেখানে 285 eV-তে অবস্থিত পিকটি π* অরবিটাল থেকে এবং প্রায় 290 eV-তে অবস্থিত অন্যটি σ* অরবিটালের ট্রানজিশনের কারণে সৃষ্ট। দেখা যায় যে এই কাঠামোতে sp2 বন্ধনের প্রাধান্য রয়েছে, যা প্রমাণ করে যে স্ক্রলগুলো অত্যন্ত গ্রাফাইটিক।
অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি এবং অ্যাটমিক ফোর্স মাইক্রোস্কোপি (AFM) চিত্রগুলি MGG-গুলির মধ্যে গ্রাফিন ন্যানোস্ক্রোলগুলির বিন্যাস সম্পর্কে ধারণা দেয় (চিত্র ১, E থেকে G, এবং চিত্র S1 ও S2)। স্ক্রোলগুলি পৃষ্ঠতলের উপর এলোমেলোভাবে ছড়িয়ে থাকে এবং স্তূপীকৃত স্তরের সংখ্যার সমানুপাতিকভাবে এদের সমতলীয় ঘনত্ব বৃদ্ধি পায়। অনেক স্ক্রোল জট পাকিয়ে গিঁট তৈরি করে এবং এদের উচ্চতা ১০ থেকে ১০০ ন্যানোমিটারের মধ্যে অসম হয়। এদের প্রাথমিক গ্রাফিন ফ্লেকের আকারের উপর নির্ভর করে, এগুলি ১ থেকে ২০ মাইক্রোমিটার লম্বা এবং ০.১ থেকে ১ মাইক্রোমিটার চওড়া হয়। চিত্র ১ (H এবং I)-তে যেমন দেখানো হয়েছে, স্ক্রোলগুলির আকার কুঁচকানো অংশের চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে বড়, যার ফলে গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে একটি অনেক বেশি অমসৃণ ইন্টারফেস তৈরি হয়।
বৈদ্যুতিক বৈশিষ্ট্য পরিমাপ করার জন্য, আমরা ফটোলিথোগ্রাফি ব্যবহার করে স্ক্রোল কাঠামো এবং স্তর বিন্যাস সহ বা ছাড়াই গ্রাফিন ফিল্মগুলিকে ৩০০-μm-চওড়া এবং ২০০০-μm-লম্বা স্ট্রিপে বিন্যস্ত করেছি। পারিপার্শ্বিক অবস্থায় স্ট্রেইনের ফাংশন হিসাবে টু-প্রোব রেজিস্ট্যান্স পরিমাপ করা হয়েছিল। স্ক্রোলের উপস্থিতি মনোলেয়ার গ্রাফিনের রোধ ৮০% কমিয়ে দিয়েছে, যেখানে ট্রান্সমিট্যান্স মাত্র ২.২% হ্রাস পেয়েছে (চিত্র S4)। এটি নিশ্চিত করে যে ন্যানোস্ক্রোল, যার উচ্চ কারেন্ট ঘনত্ব 5 × 107 A/cm2 (38, 39) পর্যন্ত, MGG-গুলিতে একটি অত্যন্ত ইতিবাচক বৈদ্যুতিক অবদান রাখে। সমস্ত মনো-, বাই-, এবং ট্রাইলেয়ার সাধারণ গ্রাফিন এবং MGG-গুলির মধ্যে, ট্রাইলেয়ার MGG-টির পরিবাহিতা সবচেয়ে ভালো এবং এর স্বচ্ছতা প্রায় ৯০%। সাহিত্যে উল্লিখিত গ্রাফিনের অন্যান্য উৎসের সাথে তুলনা করার জন্য, আমরা ফোর-প্রোব শিট রেজিস্ট্যান্সও পরিমাপ করেছি (চিত্র S5) এবং চিত্র 2A-তে 550 nm-এ ট্রান্সমিট্যান্সের ফাংশন হিসাবে সেগুলোকে তালিকাভুক্ত করেছি (চিত্র S6)। কৃত্রিমভাবে স্তূপীকৃত বহুস্তরীয় সাধারণ গ্রাফিন এবং রিডিউসড গ্রাফিন অক্সাইড (RGO) (6, 8, 18) এর তুলনায় MGG তুলনীয় বা উচ্চতর পরিবাহিতা এবং স্বচ্ছতা দেখায়। উল্লেখ্য যে, সাহিত্য থেকে প্রাপ্ত কৃত্রিমভাবে স্তূপীকৃত বহুস্তরীয় সাধারণ গ্রাফিনের শিট রেজিস্ট্যান্স আমাদের MGG-এর চেয়ে সামান্য বেশি, সম্ভবত তাদের অপটিমাইজ না করা গ্রোথ কন্ডিশন এবং ট্রান্সফার পদ্ধতির কারণে।
(A) বিভিন্ন ধরণের গ্রাফিনের জন্য 550 nm-এ ট্রান্সমিট্যান্সের বিপরীতে ফোর-প্রোব শীট রেজিস্ট্যান্স, যেখানে কালো বর্গক্ষেত্রগুলি মনো-, বাই-, এবং ট্রাই-লেয়ার MGG-কে নির্দেশ করে; লাল বৃত্ত এবং নীল ত্রিভুজগুলি যথাক্রমে লি এট আল. (6) এবং কিম এট আল. (8)-এর গবেষণা থেকে Cu এবং Ni-এর উপর জন্মানো এবং পরবর্তীতে SiO2/Si বা কোয়ার্টজে স্থানান্তরিত মাল্টিলেয়ার প্লেইন গ্রাফিনকে নির্দেশ করে; এবং সবুজ ত্রিভুজগুলি বোনাকোরসো এট আল. (18)-এর গবেষণা থেকে বিভিন্ন হ্রাস মাত্রার RGO-এর মান। (B এবং C) কারেন্ট প্রবাহের দিকের সাথে লম্ব (B) এবং সমান্তরাল (C) স্ট্রেইনের ফাংশন হিসাবে মনো-, বাই- এবং ট্রাই-লেয়ার MGG এবং G-এর নর্মালাইজড রেজিস্ট্যান্স পরিবর্তন। (D) 50% লম্ব স্ট্রেইন পর্যন্ত চক্রীয় স্ট্রেইন লোডিংয়ের অধীনে বাইলেয়ার G (লাল) এবং MGG (কালো)-এর নর্মালাইজড রেজিস্ট্যান্স পরিবর্তন। (E) ৯০% সমান্তরাল স্ট্রেইন পর্যন্ত চক্রীয় স্ট্রেইন লোডিং-এর অধীনে ট্রাই-লেয়ার G (লাল) এবং MGG (কালো)-এর নর্মালাইজড রোধের পরিবর্তন। (F) স্ট্রেইনের ফাংশন হিসাবে মনো-, বাই- এবং ট্রাই-লেয়ার G এবং বাই- এবং ট্রাই-লেয়ার MGG-এর নর্মালাইজড ক্যাপাসিট্যান্সের পরিবর্তন। ইনসেটটি হলো ক্যাপাসিটরের গঠন, যেখানে পলিমার সাবস্ট্রেটটি হলো SEBS এবং পলিমার ডাইইলেকট্রিক স্তরটি হলো ২-μm-পুরু SEBS।
MGG-এর স্ট্রেইন-নির্ভর কর্মক্ষমতা মূল্যায়ন করার জন্য, আমরা গ্রাফিনকে থার্মোপ্লাস্টিক ইলাস্টোমার স্টাইরিন-ইথিলিন-বিউটাডাইন-স্টাইরিন (SEBS) সাবস্ট্রেটের (~২ সেমি চওড়া এবং ~৫ সেমি লম্বা) উপর স্থানান্তর করি, এবং সাবস্ট্রেটটিকে তড়িৎ প্রবাহের দিকের সাথে লম্বভাবে ও সমান্তরালে প্রসারিত করার সময় এর পরিবাহিতা পরিমাপ করা হয় (উপকরণ ও পদ্ধতি দেখুন) (চিত্র ২, B এবং C)। ন্যানোস্ক্রোল সংযোজন এবং গ্রাফিন স্তরের সংখ্যা বৃদ্ধির সাথে সাথে স্ট্রেইন-নির্ভর বৈদ্যুতিক আচরণের উন্নতি ঘটে। উদাহরণস্বরূপ, যখন স্ট্রেইন তড়িৎ প্রবাহের দিকের সাথে লম্বভাবে থাকে, তখন মনোলিয়ার গ্রাফিনের ক্ষেত্রে, স্ক্রোল যোগ করার ফলে বৈদ্যুতিক ব্রেকএজের স্ট্রেইন ৫% থেকে ৭০% পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়। মনোলিয়ার গ্রাফিনের তুলনায় ট্রাইলেয়ার গ্রাফিনের স্ট্রেইন সহনশীলতাও উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে। ন্যানোস্ক্রোলসহ, ১০০% লম্ব স্ট্রেইনে, ট্রাইলেয়ার MGG কাঠামোর রোধ মাত্র ৫০% বৃদ্ধি পায়, যেখানে স্ক্রোলবিহীন ট্রাইলেয়ার গ্রাফিনের ক্ষেত্রে এটি ৩০০% বৃদ্ধি পেয়েছিল। চক্রীয় স্ট্রেইন লোডিংয়ের অধীনে রোধের পরিবর্তনও অনুসন্ধান করা হয়েছিল। তুলনার জন্য (চিত্র ২ডি), একটি সাধারণ দ্বিস্তর গ্রাফিন ফিল্মের রোধ প্রায় ৭০০ সাইকেলের পর ৫০% লম্ব স্ট্রেইনে প্রায় ৭.৫ গুণ বৃদ্ধি পায় এবং প্রতিটি সাইকেলে স্ট্রেইনের সাথে সাথে তা বাড়তে থাকে। অন্যদিকে, একটি দ্বিস্তর এমজিজি-র রোধ প্রায় ৭০০ সাইকেলের পর মাত্র প্রায় ২.৫ গুণ বৃদ্ধি পায়। সমান্তরাল দিক বরাবর ৯০% পর্যন্ত স্ট্রেইন প্রয়োগ করলে, ত্রিস্তর গ্রাফিনের রোধ ১০০০ সাইকেলের পর প্রায় ১০০ গুণ বৃদ্ধি পায়, যেখানে একটি ত্রিস্তর এমজিজি-তে তা মাত্র প্রায় ৮ গুণ (চিত্র ২ই)। সাইক্লিং-এর ফলাফল চিত্র এস৭-এ দেখানো হয়েছে। সমান্তরাল স্ট্রেইনের দিক বরাবর রোধের তুলনামূলকভাবে দ্রুত বৃদ্ধির কারণ হলো, ফাটলগুলোর অভিমুখ তড়িৎ প্রবাহের দিকের সাথে লম্বভাবে থাকে। স্ট্রেইন প্রয়োগ ও অপসারণের সময় রোধের এই বিচ্যুতি এসইবিএস ইলাস্টোমার সাবস্ট্রেটের ভিসকোইলাস্টিক পুনরুদ্ধারের কারণে ঘটে। সাইক্লিং চলাকালীন MGG স্ট্রিপগুলির আরও স্থিতিশীল রোধের কারণ হল বড় স্ক্রোলগুলির উপস্থিতি যা গ্রাফিনের ফাটল ধরা অংশগুলিকে সংযুক্ত করতে পারে (যেমন AFM দ্বারা পর্যবেক্ষণ করা হয়েছে), একটি পারকোলেটিং পথ বজায় রাখতে সাহায্য করে। পারকোলেটিং পথের মাধ্যমে পরিবাহিতা বজায় রাখার এই ঘটনাটি ইলাস্টোমার সাবস্ট্রেটের উপর ফাটল ধরা ধাতু বা সেমিকন্ডাক্টর ফিল্মের জন্য পূর্বেও রিপোর্ট করা হয়েছে (40, 41)।
প্রসারযোগ্য ডিভাইসে গেট ইলেকট্রোড হিসেবে এই গ্রাফিন-ভিত্তিক ফিল্মগুলির কার্যকারিতা মূল্যায়ন করার জন্য, আমরা গ্রাফিন স্তরটিকে একটি SEBS ডাইইলেকট্রিক স্তর (২ μm পুরু) দিয়ে ঢেকে দিয়েছিলাম এবং স্ট্রেইনের সাপেক্ষে ডাইইলেকট্রিক ক্যাপাসিট্যান্সের পরিবর্তন পর্যবেক্ষণ করেছিলাম (বিস্তারিত জানার জন্য চিত্র ২এফ এবং পরিপূরক উপকরণ দেখুন)। আমরা লক্ষ্য করেছি যে, গ্রাফিনের ইন-প্লেন পরিবাহিতা হ্রাসের কারণে সাধারণ মনোলেয়ার এবং বাইলেয়ার গ্রাফিন ইলেকট্রোডের ক্যাপাসিট্যান্স দ্রুত হ্রাস পেয়েছে। এর বিপরীতে, MGG এবং সাধারণ ট্রাইলেয়ার গ্রাফিন দ্বারা গেট করা ডিভাইসগুলির ক্যাপাসিট্যান্স স্ট্রেইনের সাথে বৃদ্ধি পেয়েছে, যা স্ট্রেইনের সাথে ডাইইলেকট্রিকের পুরুত্ব হ্রাসের কারণে প্রত্যাশিত। ক্যাপাসিট্যান্সের এই প্রত্যাশিত বৃদ্ধি MGG কাঠামোর সাথে খুব ভালোভাবে মিলে গেছে (চিত্র এস৮)। এটি নির্দেশ করে যে প্রসারযোগ্য ট্রানজিস্টরের জন্য গেট ইলেকট্রোড হিসেবে MGG উপযুক্ত।
বৈদ্যুতিক পরিবাহিতার স্ট্রেইন সহনশীলতার উপর ১ডি গ্রাফিন স্ক্রলের ভূমিকা আরও তদন্ত করতে এবং গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে ব্যবধান আরও ভালোভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে, আমরা গ্রাফিন স্ক্রলগুলিকে প্রতিস্থাপন করার জন্য স্প্রে-কোটেড সিএনটি ব্যবহার করেছি (পরিপূরক উপকরণ দেখুন)। এমজিজি কাঠামো অনুকরণ করতে, আমরা তিনটি ভিন্ন ঘনত্বের সিএনটি জমা করেছি (অর্থাৎ, সিএনটি১, সিএনটি২, সিএনটি৩
(A থেকে C) তিনটি ভিন্ন ঘনত্বের CNT-এর (CNT1) AFM চিত্র।
প্রসারযোগ্য ইলেকট্রনিক্সের জন্য ইলেক্ট্রোড হিসাবে তাদের ক্ষমতা আরও ভালোভাবে বোঝার জন্য, আমরা পীড়নের অধীনে MGG এবং G-CNT-G এর গঠনগত বৈশিষ্ট্য পদ্ধতিগতভাবে তদন্ত করেছি। অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি এবং স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপি (SEM) কার্যকর বৈশিষ্ট্য নিরূপণ পদ্ধতি নয় কারণ উভয়েরই রঙের বৈসাদৃশ্যের অভাব রয়েছে এবং গ্রাফিন যখন পলিমার সাবস্ট্রেটের উপর থাকে তখন ইলেকট্রন স্ক্যানিংয়ের সময় SEM চিত্রে আর্টিফ্যাক্টের শিকার হয় (চিত্র S9 এবং S10)। পীড়নের অধীনে গ্রাফিনের পৃষ্ঠকে ইন সিটু পর্যবেক্ষণ করার জন্য, আমরা খুব পাতলা (~0.1 মিমি পুরু) এবং স্থিতিস্থাপক SEBS সাবস্ট্রেটে স্থানান্তরের পরে ত্রি-স্তর MGG এবং সাধারণ গ্রাফিনের উপর AFM পরিমাপ সংগ্রহ করেছি। CVD গ্রাফিনের অভ্যন্তরীণ ত্রুটি এবং স্থানান্তর প্রক্রিয়ার সময় বাহ্যিক ক্ষতির কারণে, পীড়িত গ্রাফিনে অনিবার্যভাবে ফাটল তৈরি হয় এবং পীড়ন বৃদ্ধির সাথে সাথে ফাটলগুলি আরও ঘন হয়ে ওঠে (চিত্র 4, A থেকে D)। কার্বন-ভিত্তিক ইলেক্ট্রোডগুলির স্ট্যাকিং কাঠামোর উপর নির্ভর করে, ফাটলগুলি বিভিন্ন গঠনগত বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করে (চিত্র S11) (27)। স্ট্রেইন প্রয়োগের পর মাল্টিলেয়ার গ্রাফিনের ফাটলের ক্ষেত্রফল ঘনত্ব (ফাটলের ক্ষেত্রফল/বিশ্লেষিত ক্ষেত্রফল হিসেবে সংজ্ঞায়িত) মনোলেয়ার গ্রাফিনের চেয়ে কম, যা MGG-গুলোর বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা বৃদ্ধির সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ। অন্যদিকে, প্রায়শই দেখা যায় যে স্ক্রলগুলো ফাটলগুলোকে সংযুক্ত করে, যা স্ট্রেইনযুক্ত ফিল্মে অতিরিক্ত পরিবাহী পথ তৈরি করে। উদাহরণস্বরূপ, চিত্র 4B-তে চিহ্নিত ছবিতে যেমন দেখা যাচ্ছে, ট্রাইলেয়ার MGG-তে একটি চওড়া স্ক্রল একটি ফাটলের উপর দিয়ে অতিক্রম করেছে, কিন্তু সাধারণ গ্রাফিনে (চিত্র 4, E থেকে H) কোনো স্ক্রল দেখা যায়নি। একইভাবে, CNT-গুলোও গ্রাফিনের ফাটলগুলোকে সংযুক্ত করেছে (চিত্র S11)। ফিল্মগুলোর ফাটলের ক্ষেত্রফল ঘনত্ব, স্ক্রলের ক্ষেত্রফল ঘনত্ব এবং অমসৃণতা চিত্র 4K-তে সংক্ষিপ্তভাবে তুলে ধরা হয়েছে।
(A থেকে H) একটি খুব পাতলা SEBS (~০.১ মিমি পুরু) ইলাস্টোমারের উপর ০, ২০, ৬০, এবং ১০০% স্ট্রেইনে ট্রাইলেয়ার G/G স্ক্রল (A থেকে D) এবং ট্রাইলেয়ার G কাঠামোর (E থেকে H) ইন সিটু AFM চিত্র। প্রতিনিধিত্বমূলক ফাটল এবং স্ক্রলগুলি তীর চিহ্ন দিয়ে নির্দেশ করা হয়েছে। সমস্ত AFM চিত্রগুলি ১৫ μm × ১৫ μm এলাকার মধ্যে তোলা এবং লেবেল করা একই রঙের স্কেল বার ব্যবহার করা হয়েছে। (I) SEBS সাবস্ট্রেটের উপর প্যাটার্নযুক্ত মনোলিয়ার গ্রাফিন ইলেকট্রোডের সিমুলেশন জ্যামিতি। (J) ২০% বাহ্যিক স্ট্রেইনে মনোলিয়ার গ্রাফিন এবং SEBS সাবস্ট্রেটে সর্বাধিক প্রধান লগারিদমিক স্ট্রেইনের সিমুলেশন কনট্যুর ম্যাপ। (K) বিভিন্ন গ্রাফিন কাঠামোর জন্য ফাটলের ক্ষেত্রফল ঘনত্ব (লাল কলাম), স্ক্রলের ক্ষেত্রফল ঘনত্ব (হলুদ কলাম), এবং পৃষ্ঠের অমসৃণতার (নীল কলাম) তুলনা।
যখন MGG ফিল্মগুলিকে প্রসারিত করা হয়, তখন একটি গুরুত্বপূর্ণ অতিরিক্ত প্রক্রিয়া কাজ করে যার মাধ্যমে স্ক্রলগুলি গ্রাফিনের ফাটল ধরা অঞ্চলগুলিকে সংযুক্ত করে একটি পারকোলেটিং নেটওয়ার্ক বজায় রাখতে পারে। গ্রাফিন স্ক্রলগুলি সম্ভাবনাময় কারণ এগুলি কয়েক দশ মাইক্রোমিটার পর্যন্ত লম্বা হতে পারে এবং তাই সাধারণত মাইক্রোমিটার স্কেল পর্যন্ত ফাটলগুলিকে সংযুক্ত করতে সক্ষম। অধিকন্তু, যেহেতু স্ক্রলগুলি গ্রাফিনের বহুস্তর দ্বারা গঠিত, তাই এগুলির রোধ কম হবে বলে আশা করা যায়। তুলনামূলকভাবে, একই রকম পরিবাহী সংযোগ ক্ষমতা প্রদানের জন্য অপেক্ষাকৃত ঘন (কম সঞ্চালন ক্ষমতাসম্পন্ন) CNT নেটওয়ার্কের প্রয়োজন হয়, কারণ CNT গুলি স্ক্রলের চেয়ে ছোট (সাধারণত কয়েক মাইক্রোমিটার লম্বা) এবং কম পরিবাহী। অন্যদিকে, চিত্র S12-তে যেমন দেখানো হয়েছে, টান সামঞ্জস্য করার জন্য প্রসারিত করার সময় গ্রাফিনে ফাটল ধরলেও স্ক্রলগুলিতে ফাটল ধরে না, যা ইঙ্গিত দেয় যে স্ক্রলগুলি সম্ভবত নীচের গ্রাফিনের উপর দিয়ে পিছলে যাচ্ছে। এগুলোর ফাটল না ধরার কারণ সম্ভবত এর পেঁচানো গঠন, যা গ্রাফিনের অনেকগুলো স্তর (~১ থেকে ২০ μm লম্বা, ~০.১ থেকে ১ μm চওড়া, এবং ~১০ থেকে ১০০ nm উঁচু) দ্বারা গঠিত, যার কার্যকরী মডুলাস একক-স্তর গ্রাফিনের চেয়ে বেশি। গ্রিন এবং হারসাম (42) এর প্রতিবেদন অনুসারে, ধাতব CNT নেটওয়ার্ক (টিউবের ব্যাস ১.০ nm) CNT-গুলোর মধ্যে উচ্চ সংযোগ রোধ থাকা সত্ত্বেও <১০০ ওহম/বর্গ এর কম শীট রোধ অর্জন করতে পারে। যেহেতু আমাদের গ্রাফিন স্ক্রলগুলোর প্রস্থ ০.১ থেকে ১ μm এবং G/G স্ক্রলগুলোর সংযোগ ক্ষেত্র CNT-গুলোর চেয়ে অনেক বড়, তাই গ্রাফিন এবং গ্রাফিন স্ক্রলগুলোর মধ্যে সংযোগ রোধ এবং সংযোগ ক্ষেত্র উচ্চ পরিবাহিতা বজায় রাখার ক্ষেত্রে সীমাবদ্ধকারী উপাদান হওয়া উচিত নয়।
SEBS সাবস্ট্রেটের তুলনায় গ্রাফিনের মডুলাস অনেক বেশি। যদিও গ্রাফিন ইলেকট্রোডের কার্যকর পুরুত্ব সাবস্ট্রেটের তুলনায় অনেক কম, গ্রাফিনের দৃঢ়তা এবং এর পুরুত্বের গুণফল সাবস্ট্রেটের দৃঢ়তার সাথে তুলনীয় (43, 44), যার ফলে একটি মাঝারি দৃঢ়-দ্বীপ প্রভাব তৈরি হয়। আমরা একটি SEBS সাবস্ট্রেটের উপর 1-ন্যানোমিটার-পুরু গ্রাফিনের বিকৃতি সিমুলেট করেছি (বিস্তারিত জানার জন্য পরিপূরক উপকরণ দেখুন)। সিমুলেশনের ফলাফল অনুসারে, যখন SEBS সাবস্ট্রেটে বাইরে থেকে 20% স্ট্রেইন প্রয়োগ করা হয়, তখন গ্রাফিনের গড় স্ট্রেইন হয় প্রায় 6.6% (চিত্র 4J এবং চিত্র S13D), যা পরীক্ষামূলক পর্যবেক্ষণের সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ (চিত্র S13 দেখুন)। আমরা অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি ব্যবহার করে প্যাটার্নযুক্ত গ্রাফিন এবং সাবস্ট্রেট অঞ্চলের স্ট্রেইনের তুলনা করেছি এবং দেখেছি যে সাবস্ট্রেট অঞ্চলের স্ট্রেইন গ্রাফিন অঞ্চলের স্ট্রেইনের অন্তত দ্বিগুণ। এটি নির্দেশ করে যে গ্রাফিন ইলেকট্রোড প্যাটার্নে প্রয়োগ করা স্ট্রেইন উল্লেখযোগ্যভাবে সীমাবদ্ধ হতে পারে, যা SEBS-এর উপরে গ্রাফিনের দৃঢ় দ্বীপ তৈরি করে (26, 43, 44)।
অতএব, উচ্চ স্ট্রেইনের অধীনে MGG ইলেকট্রোডগুলির উচ্চ পরিবাহিতা বজায় রাখার ক্ষমতা সম্ভবত দুটি প্রধান প্রক্রিয়া দ্বারা সক্ষম হয়: (i) স্ক্রলগুলি একটি পরিবাহী পারকোলেশন পথ বজায় রাখার জন্য বিচ্ছিন্ন অঞ্চলগুলিকে সংযুক্ত করতে পারে, এবং (ii) বহুস্তর গ্রাফিন শীট/ইলাস্টোমার একে অপরের উপর দিয়ে স্লাইড করতে পারে, যার ফলে গ্রাফিন ইলেকট্রোডগুলিতে স্ট্রেইন হ্রাস পায়। ইলাস্টোমারের উপর স্থানান্তরিত গ্রাফিনের একাধিক স্তরের ক্ষেত্রে, স্তরগুলি একে অপরের সাথে দৃঢ়ভাবে সংযুক্ত থাকে না, যা স্ট্রেইনের প্রতিক্রিয়ায় স্লাইড করতে পারে (27)। স্ক্রলগুলি গ্রাফিন স্তরগুলির রুক্ষতাও বৃদ্ধি করে, যা গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে ব্যবধান বাড়াতে সাহায্য করতে পারে এবং তাই গ্রাফিন স্তরগুলির স্লাইডিং সক্ষম করে।
কম খরচ এবং উচ্চ থ্রুপুটের কারণে সম্পূর্ণ-কার্বন ডিভাইসগুলো আগ্রহের সাথে অনুসরণ করা হচ্ছে। আমাদের ক্ষেত্রে, একটি নিচের গ্রাফিন গেট, একটি উপরের গ্রাফিন সোর্স/ড্রেন কন্ট্যাক্ট, একটি বাছাই করা CNT সেমিকন্ডাক্টর এবং ডাইইলেকট্রিক হিসেবে SEBS ব্যবহার করে সম্পূর্ণ-কার্বন ট্রানজিস্টর তৈরি করা হয়েছিল (চিত্র 5A)। চিত্র 5B-তে যেমন দেখানো হয়েছে, সোর্স/ড্রেন এবং গেট হিসেবে CNT ব্যবহার করা একটি সম্পূর্ণ-কার্বন ডিভাইস (নিচের ডিভাইস) গ্রাফিন ইলেকট্রোডযুক্ত ডিভাইসের (উপরের ডিভাইস) চেয়ে বেশি অস্বচ্ছ। এর কারণ হলো, গ্রাফিনের মতো শিট রেজিস্ট্যান্স অর্জন করার জন্য CNT নেটওয়ার্কগুলোর বেশি পুরুত্ব এবং ফলস্বরূপ, কম অপটিক্যাল ট্রান্সমিট্যান্সের প্রয়োজন হয় (চিত্র S4)। চিত্র 5 (C এবং D)-তে দ্বিস্তর MGG ইলেকট্রোড দিয়ে তৈরি একটি ট্রানজিস্টরের স্ট্রেইন প্রয়োগের আগের প্রতিনিধিত্বমূলক ট্রান্সফার এবং আউটপুট কার্ভ দেখানো হয়েছে। স্ট্রেইনবিহীন ট্রানজিস্টরটির চ্যানেল প্রস্থ এবং দৈর্ঘ্য ছিল যথাক্রমে 800 এবং 100 μm। পরিমাপকৃত অন/অফ অনুপাত 103-এর বেশি, যেখানে অন এবং অফ কারেন্ট যথাক্রমে 10−5 এবং 10−8 A স্তরে রয়েছে। আউটপুট কার্ভটি স্পষ্ট গেট-ভোল্টেজ নির্ভরতাসহ আদর্শ রৈখিক এবং স্যাচুরেশন পর্যায় প্রদর্শন করে, যা CNT এবং গ্রাফিন ইলেকট্রোডের মধ্যে আদর্শ সংযোগ নির্দেশ করে (45)। গ্রাফিন ইলেকট্রোডের সাথে সংযোগ রোধ বাষ্পীভূত Au ফিল্মের তুলনায় কম পরিলক্ষিত হয়েছে (চিত্র S14 দেখুন)। প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টরের স্যাচুরেশন গতিশীলতা প্রায় 5.6 cm2/Vs, যা 300-nm SiO2 ডাইইলেকট্রিক স্তর হিসাবে ব্যবহৃত অনমনীয় Si সাবস্ট্রেটের উপর একই পলিমার-সাজানো CNT ট্রানজিস্টরের অনুরূপ। অপ্টিমাইজড টিউব ঘনত্ব এবং অন্যান্য ধরণের টিউব ব্যবহার করে গতিশীলতার আরও উন্নতি সম্ভব (46)।
(A) গ্রাফিন-ভিত্তিক প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টরের নকশা। SWNTs, একক-প্রাচীরযুক্ত কার্বন ন্যানোটিউব। (B) গ্রাফিন ইলেকট্রোড (উপরে) এবং CNT ইলেকট্রোড (নীচে) দিয়ে তৈরি প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টরের ছবি। স্বচ্ছতার পার্থক্য স্পষ্টভাবে লক্ষণীয়। (C এবং D) স্ট্রেইন প্রয়োগের পূর্বে SEBS-এর উপর গ্রাফিন-ভিত্তিক ট্রানজিস্টরের ট্রান্সফার এবং আউটপুট কার্ভ। (E এবং F) বিভিন্ন স্ট্রেইনে গ্রাফিন-ভিত্তিক ট্রানজিস্টরের ট্রান্সফার কার্ভ, অন এবং অফ কারেন্ট, অন/অফ অনুপাত এবং গতিশীলতা।
যখন স্বচ্ছ, সম্পূর্ণ-কার্বন ডিভাইসটিকে চার্জ পরিবহনের দিকের সমান্তরালে প্রসারিত করা হয়েছিল, তখন ১২০% স্ট্রেইন পর্যন্ত ন্যূনতম অবক্ষয় পরিলক্ষিত হয়েছিল। প্রসারণের সময়, গতিশীলতা ০% স্ট্রেইনে ৫.৬ cm²/Vs থেকে ১২০% স্ট্রেইনে ২.৫ cm²/Vs পর্যন্ত ক্রমাগত হ্রাস পেয়েছে (চিত্র ৫এফ)। আমরা বিভিন্ন চ্যানেল দৈর্ঘ্যের জন্য ট্রানজিস্টরের কর্মক্ষমতাও তুলনা করেছি (টেবিল S1 দেখুন)। উল্লেখযোগ্যভাবে, ১০৫% এর মতো বড় স্ট্রেইনেও, এই সমস্ত ট্রানজিস্টরগুলি এখনও একটি উচ্চ অন/অফ অনুপাত (>১০³) এবং গতিশীলতা (>৩ cm²/Vs) প্রদর্শন করেছে। এছাড়াও, আমরা সম্পূর্ণ-কার্বন ট্রানজিস্টরের উপর সাম্প্রতিক সমস্ত কাজ সংক্ষিপ্ত করেছি (টেবিল S2 দেখুন) (৪৭-৫২)। ইলাস্টোমারের উপর ডিভাইস তৈরির অপ্টিমাইজেশন এবং কন্টাক্ট হিসাবে MGG ব্যবহার করে, আমাদের সম্পূর্ণ-কার্বন ট্রানজিস্টরগুলি গতিশীলতা এবং হিস্টেরেসিসের দিক থেকে ভাল কর্মক্ষমতা দেখায় এবং সেইসাথে অত্যন্ত প্রসারণযোগ্য।
সম্পূর্ণ স্বচ্ছ এবং প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টরের একটি প্রয়োগ হিসেবে, আমরা এটিকে একটি LED-এর সুইচিং নিয়ন্ত্রণ করতে ব্যবহার করেছি (চিত্র ৬ক)। চিত্র ৬খ-তে যেমন দেখানো হয়েছে, ঠিক উপরে রাখা প্রসারণযোগ্য সর্ব-কার্বন ডিভাইসটির মধ্য দিয়ে সবুজ LED-টি স্পষ্টভাবে দেখা যায়। প্রায় ১০০% পর্যন্ত প্রসারিত করার সময়ও (চিত্র ৬, গ এবং ঘ), LED-এর আলোর তীব্রতার কোনো পরিবর্তন হয় না, যা উপরে বর্ণিত ট্রানজিস্টরের কার্যকারিতার সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ (ভিডিও এস১ দেখুন)। গ্রাফিন ইলেকট্রোড ব্যবহার করে তৈরি প্রসারণযোগ্য নিয়ন্ত্রণ ইউনিটের এটিই প্রথম প্রতিবেদন, যা গ্রাফিন প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রনিক্সের জন্য একটি নতুন সম্ভাবনা প্রদর্শন করে।
(A) এলইডি চালনার জন্য একটি ট্রানজিস্টরের সার্কিট। GND, গ্রাউন্ড। (B) একটি সবুজ এলইডি-র উপরে বসানো ০% স্ট্রেইনে থাকা প্রসারণযোগ্য ও স্বচ্ছ সর্ব-কার্বন ট্রানজিস্টরটির ছবি। (C) এলইডি সুইচ করার জন্য ব্যবহৃত সর্ব-কার্বন স্বচ্ছ ও প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টরটিকে এলইডি-র উপরে ০% (বামে) এবং ~১০০% স্ট্রেইনে (ডানে) বসানো হচ্ছে। সাদা তীরচিহ্নগুলো ডিভাইসের উপর থাকা হলুদ মার্কারগুলোকে নির্দেশ করছে, যা প্রসারণের ফলে দূরত্বের পরিবর্তন দেখাচ্ছে। (D) প্রসারিত ট্রানজিস্টরটির পার্শ্ব দৃশ্য, যেখানে এলইডি-টি ইলাস্টোমারের মধ্যে ঢুকে গেছে।
উপসংহারে, আমরা একটি স্বচ্ছ পরিবাহী গ্রাফিন কাঠামো তৈরি করেছি যা প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রোড হিসেবে বৃহৎ পীড়নের অধীনেও উচ্চ পরিবাহিতা বজায় রাখে। এটি সম্ভব হয়েছে স্তূপীকৃত গ্রাফিন স্তরগুলির মধ্যে থাকা গ্রাফিন ন্যানোস্ক্রোলের মাধ্যমে। একটি ইলাস্টোমারের উপর এই দ্বি- এবং ত্রি-স্তরীয় MGG ইলেকট্রোড কাঠামোসমূহ ১০০% পর্যন্ত উচ্চ পীড়নেও তাদের ০% পীড়ন পরিবাহিতার যথাক্রমে ২১% এবং ৬৫% বজায় রাখতে পারে, যেখানে সাধারণ এক-স্তরীয় গ্রাফিন ইলেকট্রোড ৫% পীড়নেই পরিবাহিতার সম্পূর্ণ ক্ষতি করে। গ্রাফিন স্ক্রোলের অতিরিক্ত পরিবাহী পথ এবং স্থানান্তরিত স্তরগুলির মধ্যে দুর্বল মিথস্ক্রিয়া পীড়নের অধীনে এই উন্নত পরিবাহিতা স্থিতিশীলতায় অবদান রাখে। আমরা এই গ্রাফিন কাঠামোটিকে আরও প্রয়োগ করে সম্পূর্ণ-কার্বন প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টর তৈরি করেছি। এখন পর্যন্ত, এটিই বাকলিং ব্যবহার না করে সর্বোত্তম স্বচ্ছতাসহ সবচেয়ে প্রসারণযোগ্য গ্রাফিন-ভিত্তিক ট্রানজিস্টর। যদিও বর্তমান গবেষণাটি প্রসারণযোগ্য ইলেকট্রনিক্সের জন্য গ্রাফিনকে উপযোগী করার উদ্দেশ্যে পরিচালিত হয়েছিল, আমরা বিশ্বাস করি যে এই পদ্ধতিটি অন্যান্য ২ডি উপকরণেও প্রসারণযোগ্য ২ডি ইলেকট্রনিক্স সক্ষম করার জন্য প্রসারিত করা যেতে পারে।
ঝুলন্ত কপার ফয়েলের (৯৯.৯৯৯%; আলফা এইসার) উপর ০.৫ mtorr স্থির চাপে, ৫০-SCCM (স্ট্যান্ডার্ড কিউবিক সেন্টিমিটার প্রতি মিনিট) CH4 এবং ২০-SCCM H2 কে প্রিকার্সর হিসেবে ব্যবহার করে ১০০০°C তাপমাত্রায় বৃহৎ-ক্ষেত্রফল বিশিষ্ট CVD গ্রাফিন তৈরি করা হয়েছিল। কপার ফয়েলের উভয় পাশ একস্তর গ্রাফিন দ্বারা আবৃত ছিল। কপার ফয়েলের এক পাশে PMMA-এর একটি পাতলা স্তর (২০০০ rpm; A4, মাইক্রোকেম) স্পিন-কোটিং করা হয়, যা একটি PMMA/G/Cu ফয়েল/G কাঠামো তৈরি করে। পরবর্তীতে, কপার ফয়েলটি ক্ষয় করার জন্য সম্পূর্ণ ফিল্মটিকে প্রায় ২ ঘন্টার জন্য ০.১ M অ্যামোনিয়াম পারসালফেট [(NH4)2S2O8] দ্রবণে ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল। এই প্রক্রিয়ার সময়, অরক্ষিত পেছনের দিকের গ্রাফিন প্রথমে গ্রেইন বাউন্ডারি বরাবর ছিঁড়ে যায় এবং তারপর পৃষ্ঠটানের কারণে স্ক্রলের মতো গুটিয়ে যায়। স্ক্রলগুলো PMMA-সমর্থিত উপরের গ্রাফিন ফিল্মের সাথে সংযুক্ত হয়ে PMMA/G/G স্ক্রল তৈরি করে। ফিল্মগুলোকে পরবর্তীকালে বেশ কয়েকবার ডিআয়োনাইজড জলে ধুয়ে একটি টার্গেট সাবস্ট্রেটের উপর রাখা হয়েছিল, যেমন একটি অনমনীয় SiO2/Si বা প্লাস্টিক সাবস্ট্রেট। সাবস্ট্রেটের উপর সংযুক্ত ফিল্মটি শুকিয়ে যাওয়ার সাথে সাথেই, PMMA অপসারণের জন্য নমুনাটিকে পর্যায়ক্রমে অ্যাসিটোন, ১:১ অ্যাসিটোন/আইপিএ (আইসোপ্রোপাইল অ্যালকোহল), এবং আইপিএ-তে প্রতিটিতে ৩০ সেকেন্ড করে ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল। এর উপর G/G স্ক্রলের আরেকটি স্তর স্থানান্তর করার আগে, আটকে থাকা জল সম্পূর্ণরূপে অপসারণের জন্য ফিল্মগুলোকে ১০০°C তাপমাত্রায় ১৫ মিনিটের জন্য উত্তপ্ত করা হয়েছিল অথবা সারারাত ভ্যাকুয়ামে রাখা হয়েছিল। এই পদক্ষেপটি নেওয়া হয়েছিল সাবস্ট্রেট থেকে গ্রাফিন ফিল্মের বিচ্ছিন্নতা এড়াতে এবং PMMA ক্যারিয়ার স্তর অপসারণের সময় MGG-গুলোর সম্পূর্ণ আবরণ নিশ্চিত করতে।
একটি অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপ (লাইকা) এবং একটি স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপ (১ কেভি; এফইআই) ব্যবহার করে এমজিজি কাঠামোর রূপবিদ্যা পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল। জি স্ক্রলগুলির বিশদ বিবরণ পর্যবেক্ষণের জন্য একটি অ্যাটমিক ফোর্স মাইক্রোস্কোপ (ন্যানোস্কোপ III, ডিজিটাল ইন্সট্রুমেন্ট) ট্যাপিং মোডে চালনা করা হয়েছিল। একটি অতিবেগুনী-দৃশ্যমান স্পেকট্রোমিটার (অ্যাজিলেন্ট ক্যারি ৬০০০আই) দ্বারা ফিল্মের স্বচ্ছতা পরীক্ষা করা হয়েছিল। যে পরীক্ষাগুলিতে তড়িৎ প্রবাহের লম্ব দিকে পীড়ন ছিল, সেগুলির জন্য গ্রাফিন কাঠামোকে স্ট্রিপে (~৩০০ মাইক্রোমিটার চওড়া এবং ~২০০০ মাইক্রোমিটার লম্বা) প্যাটার্ন করার জন্য ফটোলিথোগ্রাফি এবং O2 প্লাজমা ব্যবহার করা হয়েছিল, এবং লম্বা দিকের উভয় প্রান্তে শ্যাডো মাস্ক ব্যবহার করে তাপীয়ভাবে Au (৫০ ন্যানোমিটার) ইলেকট্রোড জমা করা হয়েছিল। এরপর গ্রাফিন স্ট্রিপগুলোকে একটি SEBS ইলাস্টোমারের (~২ সেমি চওড়া এবং ~৫ সেমি লম্বা) সংস্পর্শে আনা হয়, যেখানে স্ট্রিপগুলোর লম্বা অক্ষ SEBS-এর ছোট দিকের সমান্তরাল ছিল। এরপর BOE (বাফার্ড অক্সাইড এচ) (HF:H2O ১:৬) এচিং এবং বৈদ্যুতিক সংযোগ হিসেবে ইউটেক্টিক গ্যালিয়াম ইন্ডিয়াম (EGaIn) ব্যবহার করা হয়। প্যারালাল স্ট্রেইন পরীক্ষার জন্য, নকশাবিহীন গ্রাফিন কাঠামো (~৫ × ১০ মিমি) SEBS সাবস্ট্রেটের উপর স্থানান্তর করা হয়, যেখানে লম্বা অক্ষগুলো SEBS সাবস্ট্রেটের লম্বা দিকের সমান্তরাল ছিল। উভয় ক্ষেত্রেই, সম্পূর্ণ G (G স্ক্রল ছাড়া)/SEBS-কে একটি ম্যানুয়াল যন্ত্রে ইলাস্টোমারের লম্বা দিক বরাবর প্রসারিত করা হয় এবং ইন সিটু অবস্থায়, আমরা একটি সেমিকন্ডাক্টর অ্যানালাইজার (Keithley 4200-SCS) সহ একটি প্রোব স্টেশনে স্ট্রেইনের অধীনে তাদের রোধের পরিবর্তন পরিমাপ করি।
পলিমার ডাইইলেকট্রিক এবং সাবস্ট্রেটের জৈব দ্রাবকের ক্ষতি এড়ানোর জন্য নিম্নলিখিত পদ্ধতি অনুসরণ করে একটি স্থিতিস্থাপক সাবস্ট্রেটের উপর অত্যন্ত প্রসারণযোগ্য এবং স্বচ্ছ সর্ব-কার্বন ট্রানজিস্টর তৈরি করা হয়েছিল। গেট ইলেকট্রোড হিসেবে MGG কাঠামো SEBS-এর উপর স্থানান্তর করা হয়েছিল। একটি অভিন্ন পাতলা-ফিল্ম পলিমার ডাইইলেকট্রিক স্তর (২ μm পুরু) পাওয়ার জন্য, একটি SEBS টলুইন (৮০ mg/ml) দ্রবণকে অক্টাডেসিলট্রাইক্লোরোসিলেন (OTS) দ্বারা পরিবর্তিত SiO2/Si সাবস্ট্রেটের উপর ১০০০ rpm গতিতে ১ মিনিটের জন্য স্পিন-কোটেড করা হয়েছিল। পাতলা ডাইইলেকট্রিক ফিল্মটি হাইড্রোফোবিক OTS পৃষ্ঠ থেকে সহজেই প্রস্তুতকৃত গ্রাফিন দ্বারা আবৃত SEBS সাবস্ট্রেটের উপর স্থানান্তর করা যায়। একটি LCR (ইন্ডাকট্যান্স, ক্যাপাসিট্যান্স, রেজিস্ট্যান্স) মিটার (Agilent) ব্যবহার করে স্ট্রেইনের ফাংশন হিসেবে ক্যাপাসিট্যান্স নির্ণয় করার জন্য একটি লিকুইড-মেটাল (EGaIn; Sigma-Aldrich) টপ ইলেকট্রোড স্থাপন করে একটি ক্যাপাসিটর তৈরি করা যেতে পারে। ট্রানজিস্টরের অপর অংশটি পলিমার-সাজানো অর্ধপরিবাহী CNTs দ্বারা গঠিত ছিল, যা পূর্বে রিপোর্ট করা পদ্ধতি (53) অনুসরণ করে তৈরি করা হয়েছিল। প্যাটার্নযুক্ত সোর্স/ড্রেন ইলেকট্রোডগুলি অনমনীয় SiO2/Si সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি করা হয়েছিল। পরবর্তীতে, ডাইইলেকট্রিক/G/SEBS এবং CNTs/প্যাটার্নযুক্ত G/SiO2/Si, এই দুটি অংশকে একে অপরের সাথে ল্যামিনেট করা হয়েছিল এবং অনমনীয় SiO2/Si সাবস্ট্রেটটি অপসারণের জন্য BOE-তে ভিজিয়ে রাখা হয়েছিল। এইভাবে, সম্পূর্ণ স্বচ্ছ এবং প্রসারণযোগ্য ট্রানজিস্টর তৈরি করা হয়েছিল। পূর্বোক্ত পদ্ধতি অনুসারে একটি ম্যানুয়াল স্ট্রেচিং সেটআপে টানের অধীনে বৈদ্যুতিক পরীক্ষা করা হয়েছিল।
এই নিবন্ধটির সম্পূরক উপাদান http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/3/9/e1700159/DC1 -এ পাওয়া যাবে।
চিত্র এস১। বিভিন্ন বিবর্ধনে SiO2/Si সাবস্ট্রেটের উপর একস্তরীয় MGG-এর অপটিক্যাল মাইক্রোস্কোপি চিত্র।
চিত্র এস৪। একক, দ্বি ও ত্রিস্তরীয় সাধারণ গ্রাফিন (কালো বর্গক্ষেত্র), এমজিজি (লাল বৃত্ত) এবং সিএনটি (নীল ত্রিভুজ)-এর টু-প্রোব শিট রেজিস্ট্যান্স এবং ৫৫০ nm-এ ট্রান্সমিট্যান্সের তুলনা।
চিত্র এস৭। যথাক্রমে ৪০% এবং ৯০% সমান্তরাল স্ট্রেইন পর্যন্ত প্রায় ১০০০ চক্রীয় স্ট্রেইন লোডিং-এর অধীনে মনো- এবং বাইলেয়ার এমজিজি (কালো) এবং জি (লাল)-এর স্বাভাবিককৃত রোধের পরিবর্তন।
চিত্র এস১০। টান প্রয়োগের পর এসইবিএস ইলাস্টোমারের উপর ত্রিস্তর এমজিজি-র এসইএম চিত্র, যেখানে কয়েকটি ফাটলের উপর দিয়ে একটি দীর্ঘ স্ক্রল ক্রস দেখা যাচ্ছে।
চিত্র এস১২। ২০% স্ট্রেইনে অত্যন্ত পাতলা এসইবিএস ইলাস্টোমারের উপর ত্রিস্তর এমজিজি-র এএফএম চিত্র, যেখানে দেখা যাচ্ছে যে একটি স্ক্রল একটি ফাটলের উপর দিয়ে অতিক্রম করেছে।
সারণি S1. স্ট্রেইন প্রয়োগের আগে ও পরে বিভিন্ন চ্যানেল দৈর্ঘ্যে দ্বিস্তর MGG–একক-প্রাচীরযুক্ত কার্বন ন্যানোটিউব ট্রানজিস্টরের গতিশীলতা।
এটি ক্রিয়েটিভ কমন্স অ্যাট্রিবিউশন-ননকমার্শিয়াল লাইসেন্সের শর্তাবলীর অধীনে বিতরণ করা একটি উন্মুক্ত-অ্যাক্সেস নিবন্ধ, যা যেকোনো মাধ্যমে এর ব্যবহার, বিতরণ এবং পুনরুৎপাদনের অনুমতি দেয়, যতক্ষণ পর্যন্ত এর ফলে সৃষ্ট ব্যবহার বাণিজ্যিক সুবিধার জন্য না হয় এবং মূল কাজটি যথাযথভাবে উদ্ধৃত করা হয়।
দ্রষ্টব্য: আমরা আপনার ইমেল ঠিকানাটি শুধুমাত্র এই কারণে অনুরোধ করি, যাতে আপনি যাকে পৃষ্ঠাটি সুপারিশ করছেন তিনি জানতে পারেন যে আপনিই তাকে এটি দেখাতে চেয়েছিলেন এবং এটি কোনো জাঙ্ক মেইল ​​নয়। আমরা কোনো ইমেল ঠিকানা সংগ্রহ করি না।
এই প্রশ্নটি আপনি একজন মানুষ পরিদর্শক কিনা তা যাচাই করার জন্য এবং স্বয়ংক্রিয় স্প্যাম জমা দেওয়া প্রতিরোধ করার জন্য।
নান লিউ, অ্যালেক্স চোরতোস, টিং লেই, লিহুয়া জিন, তাইহো রয় কিম, ওয়ান-গিউ বে, চেনজিন ঝু, সিহং ওয়াং, রাফেল প্যাটনার, জিয়ুয়ান চেন, রবার্ট সিনক্লেয়ার, জেনান বাও লিখেছেন
নান লিউ, অ্যালেক্স চোরতোস, টিং লেই, লিহুয়া জিন, তাইহো রয় কিম, ওয়ান-গিউ বে, চেনজিন ঝু, সিহং ওয়াং, রাফেল প্যাটনার, জিয়ুয়ান চেন, রবার্ট সিনক্লেয়ার, জেনান বাও লিখেছেন
© 2021 আমেরিকান অ্যাসোসিয়েশন ফর দ্য অ্যাডভান্সমেন্ট অফ সায়েন্স। সর্বস্বত্ব সংরক্ষিত AAAS হল HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef এবং COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548 এর অংশীদার।