[论文解读] Reversible electronic and mechanical properties of ripped graphene

J. Henry Hinnefeld, Stephen T. Gill+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 1, 2014

Graphene research and applicationsMaterials Science被引用 1

一句话总结

本研究证明，当石墨烯最初在弹性体基底上受拉伸时会形成微裂纹，但在重复拉伸循环下，这些裂纹可逆地开合。尽管初始存在退化，电输运性能仍能弹性恢复，即使在部分机械失效后也能实现稳定且可逆的电子性能。

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.

研究动机与目标

• 研究石墨烯在柔性基底上反复拉伸应变下的力学与电子行为。
• 理解石墨烯在初始及后续应变循环中微裂纹的形成与演化机制。
• 评估机械裂纹化后电输运性能的可逆性。
• 建立可裂纹石墨烯在耐用柔性电子器件中应用的可行性。

提出的方法

• 利用原子力显微镜（AFM）观察应变下微裂纹的形成与演化过程。
• 通过电输运测量评估应变循环过程中电导率与器件性能的变化。
• 通过力学模拟建模石墨烯中的应变分布与裂纹动力学。
• 在弹性体基底上对悬浮的石墨烯器件施加受控拉伸应变。
• 循环拉伸应变以测试裂纹开合的可逆性。
• 建立机械裂纹性与电子输运恢复之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弹性体基底上初始施加拉伸应变时，石墨烯中的微裂纹如何形成？
• RQ2 在重复应变循环下，石墨烯中的裂纹在多大程度上可逆地开合？
• RQ3 初始应变诱导的裂纹性对石墨烯器件长期电输运稳定性有何影响？
• RQ4 在发生机械裂纹化后，电输运性能能否弹性恢复？

主要发现

• 在弹性体基底上初始施加拉伸应变时，石墨烯中会形成微裂纹。
• 后续应变循环使裂纹可逆地开合，且无永久性结构变化。
• 初始拉伸应变会降低器件输运性能，但后续循环仅引起中等程度且可逆的退化。
• 应变释放后，电输运性能可弹性恢复，表明具有高度可逆性。
• 尽管存在部分机械失效，石墨烯器件仍能保持稳健的电性能，归因于裂纹性。
• 裂纹性与可逆应变响应的结合，使柔性器件具备耐用的电子功能。