[논문 리뷰] Reversible electronic and mechanical properties of ripped graphene

J. Henry Hinnefeld, Stephen T. Gill외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 01.

Graphene research and applicationsMaterials Science인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 초기 인장 하중을 가한 에라스토머 기반막 위에서 그래핀에 마이크로 리프가 형성되며, 반복적인 변형 주기 동안 이 리프가 가역적으로 열리고 닫히는 것을 입증한다. 초기 열화에도 불구하고 전기적 운반 특성은 탄성적으로 복원되어 부분적인 기계적 고장이 발생한 후에도 견고하고 가역적인 전자 성능을 유지한다.

ABSTRACT

We examine the mechanical properties of graphene devices stretched on flexible elastomer substrates. Using atomic force microscopy, transport measurements, and mechanics simulations, we show that micro-rips form in the graphene during the initial application of tensile strain; however subsequent applications of the same tensile strain elastically open and close the existing rips. Correspondingly, while the initial tensile strain degrades the devices' transport properties, subsequent strain-relaxation cycles affect transport only moderately, and in a largely reversible fashion, yielding robust electrical transport even after partial mechanical failure.

연구 동기 및 목표

• 탄성 기반막 위에서 반복적인 인장 하중을 가한 그래핀의 기계적 및 전자적 거동을 조사하기 위해.
• 초기 및 이후 변형 주기 동안 그래핀 내 마이크로 리프의 형성 및 진화 과정을 이해하기 위해.
• 기계적 리프 형성 이후 전기적 운반 특성의 가역성을 평가하기 위해.
• 리프 형성 가능한 그래핀을 내구성 있는 유연 전자 장치에 응용할 수 있는지의 가능성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 기계적 변형 하에서 마이크로 리프의 형성 및 진화를 시각화하기 위해 원자력 현미경(AFM)을 사용하였다.
• 변형 주기 동안 전도도 및 장치 성능의 변화를 평가하기 위해 전기적 운반 측정을 수행하였다.
• 그래핀 내 변형 분포 및 리프 역학을 모델링하기 위해 기계적 시뮬레이션을 수행하였다.
• 에라스토머 기반막 위에 고정된 그래핀 장치에 제어된 인장 하중을 가하였다.
• 리프의 열림과 닫힘의 가역성을 시험하기 위해 인장 하중을 반복 주기적으로 가하였다.
• 기계적 리프 형성과 전자 운반 특성 복원 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에라스토머 기반막 위에서 초기 인장 하중이 가해질 때 그래핀 내 마이크로 리프는 어떻게 형성되는가?
• RQ2 반복적인 변형 주기 동안 그래핀의 리프는 어느 정도 가역적으로 열리고 닫히는가?
• RQ3 초기 인장에 의해 유도된 리프 형성은 그래핀 장치의 장기적인 전기적 운반 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기계적 리프 형성이 발생한 후 전기적 운반 특성은 탄성적으로 복원될 수 있는가?

주요 결과

• 에라스토머 기반막 위에서 초기 인장 하중이 가해질 때 그래핀 내 마이크로 리프가 형성된다.
• 이후의 변형 주기 동안 리프는 영구적인 구조적 변화 없이 가역적으로 열리고 닫힌다.
• 초기 인장 하중은 장치의 운반 특성을 열화시켰지만, 이후 주기에서는 중간 정도의 가역적 열화만 발생한다.
• 변형 완화 후 전기적 운반 특성은 탄성적으로 복원되어 높은 가역성을 나타낸다.
• 리프 형성 덕분에 부분적인 기계적 고장이 발생한 후에도 그래핀 장치는 견고한 전기적 성능을 유지한다.
• 리프 형성 능력과 가역적 변형 반응의 조합은 유연 장치에서 내구성 있는 전자 기능을 가능하게 한다.