We have developed a simple approach to high-performance, stretchable, and foldable integrated circuits. The systems integrate inorganic electronic materials, including aligned arrays of nanoribbons of single crystalline silicon, with ultrathin plastic and elastomeric substrates. The designs combine multilayer neutral mechanical plane layouts and “wavy” structural configurations in silicon complementary logic gates, ring oscillators, and differential amplifiers. We performed three-dimensional analytical and computational modeling of the mechanics and the electronic behaviors of these integrated circuits. Collectively, the results represent routes to devices, such as personal health monitors and other biomedical devices, that require extreme mechanical deformations during installation/use and electronic properties approaching those of conventional systems built on brittle semiconductor wafers.

Electronic systems that offer elastic mechanical responses to high-strain deformations are of growing interest because of their ability to enable new biomedical devices and other applications whose requirements are impossible to satisfy with conventional wafer-based technologies or even with those that offer simple bendability. This article introduces materials and mechanical design strategies for classes of electronic circuits that offer extremely high stretchability, enabling them to accommodate even demanding configurations such as corkscrew twists with tight pitch (e.g., 90° in ≈1 cm) and linear stretching to “rubber-band” levels of strain (e.g., up to ≈140%). The use of single crystalline silicon nanomaterials for the semiconductor provides performance in stretchable complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) integrated circuits approaching that of conventional devices with comparable feature sizes formed on silicon wafers. Comprehensive theoretical studies of the mechanics reveal the way in which the structural designs enable these extreme mechanical properties without fracturing the intrinsically brittle active materials or even inducing significant changes in their electrical properties. The results, as demonstrated through electrical measurements of arrays of transistors, CMOS inverters, ring oscillators, and differential amplifiers, suggest a valuable route to high-performance stretchable electronics.

The development of high-performance shielding materials against electromagnetic pollution requires mobile charge carriers and magnetic dipoles. Herein, we meet the challenge by building a three-dimensional (3D) nanostructure consisting of chemically modified graphene/Fe3O4(GF) incorporated polyaniline. Intercalated GF was synthesized by the in situ generation of Fe3O4 nanoparticles in a graphene oxide suspension followed by hydrazine reduction, and further in situ polymerization with aniline to form a polyaniline composite. Spectroscopic analysis demonstrates that the presence of GF hybrid structures facilitates strong polarization due to the formation of a solid-state charge-transfer complex between graphene and polyaniline. This provides proper impedance matching and higher dipole interaction, which leads to the high microwave absorption properties. The higher dielectric loss (ε′′ = 30) and magnetic loss (μ′′ = 0.2) contribute to the microwave absorption value of 26 dB (>99.7% attenuation), which was found to depend on the concentration of GF in the polyaniline matrix. Moreover, the interactions between Fe3O4, graphene and polyaniline are responsible for superior material characteristics, such as excellent environmental (chemical and thermal) degradation stability and good electric conductivity (as high as 260 S m−1).

This Letter introduces a biaxially stretchable form of single crystalline silicon that consists of two dimensionally buckled, or “wavy”, silicon nanomembranes on elastomeric supports. Fabrication procedures for these structures are described, and various aspects of their geometries and responses to uniaxial and biaxial strains along various directions are presented. Analytical models of the mechanics of these systems provide a framework for quantitatively understanding their behavior. These classes of materials might be interesting as a route to high-performance electronics with full, two-dimensional stretchability.

Fully rollable transparent nanogenerators have been developed using chemical vapor deposition-grown large-scale graphene sheets as transparent electrodes and piezoelectric ZnO-nanorod arrays. The electrical and structural stability of the nanogenerators with excellent charge scavenging performance under external mechanical loads such as bending and rolling shows that graphene-based nanogenerators are suitable for self-powered rollable transparent device applications. Detailed facts of importance to specialist readers are published as "Supporting Information". Such documents are peer-reviewed, but not copy-edited or typeset. They are made available as submitted by the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

This article reviews the properties, fabrication and assembly of inorganic semiconductor materials that can be used as active building blocks to form high-performance transistors and circuits for flexible and bendable large-area electronics. Obtaining high performance on low temperature polymeric substrates represents a technical challenge for macroelectronics. Therefore, the fabrication of high quality inorganic materials in the form of wires, ribbons, membranes, sheets, and bars formed by bottom-up and top-down approaches, and the assembly strategies used to deposit these thin films onto plastic substrates will be emphasized. Substantial progress has been made in creating inorganic semiconducting materials that are stretchable and bendable, and the description of the mechanics of these form factors will be presented, including circuits in three-dimensional layouts. Finally, future directions and promising areas of research will be described.

It is essential to control the electronic structure of graphene in order to apply graphene films for use in electrodes. We have introduced chemical dopants that modulate the electronic properties of few-layer graphene films synthesized by chemical vapor deposition. The work function, sheet carrier density, mobility, and sheet resistance of these films were systematically modulated by the reduction potential values of dopants. We further demonstrated that the power generation of a nanogenerator was strongly influenced by the choice of a graphene electrode with a modified work function. The off-current was well quenched in graphene films with high work functions (Au-doped) due to the formation of high Schottky barrier heights, whereas leakage current was observed in graphene films with low work functions (viologen-doped), due to nearly ohmic contact.

In this report, we describe the structure of a robust and highly conductive 3D graphene oxide hydrogel. The reduced graphene oxide hydrogel or rGH is fabricated by a crosslinking reaction with ethylene diamine followed by a hydrazine reduction. The material showed a high electrical conductivity of 1351 S m−1 and a specific surface area of 745 m2 g−1 with 10.3 MPa break strength. When used as electrodes for a supercapacitor, it showed a high specific capacitance of 232 F g−1.