Fabrication of flexible rGO/Fe O hollow nanospheres … on-chip micro-supercapacitors for integrated...

14
Fabrication of flexible rGO/Fe 2 O 3 hollow nanospheres based on-chip micro-supercapacitors for integrated photodetecting applications Shaosong Gu 1,2 , Zheng Lou 2 , Ludong Li 2 , Zhaojun Chen 3 , Xiangdong Ma 1 ( ), and Guozhen Shen 2 ( ) Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-015-0923-7 http://www.thenanoresearch.com on Oct. 14, 2015 © Tsinghua University Press 2015 Just Accepted This is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by the peerreview process and has been accepted for publication. A “Just Accepted” manuscript is published online shortly after its acceptance, which is prior to technical editing and formatting and author proofing. Tsinghua University Press (TUP) provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available to the research community as soon as possible after acceptance. After a manuscript has been technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Please note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), which is identical for all formats of publication. Nano Research DOI 10.1007/s1227401509237

Transcript of Fabrication of flexible rGO/Fe O hollow nanospheres … on-chip micro-supercapacitors for integrated...

63Nano Res.         

Fabrication of flexible rGO/Fe2O3 hollow nanospheres based on-chip micro-supercapacitors for integrated photodetecting applications Shaosong Gu1,2, Zheng Lou2, Ludong Li2, Zhaojun Chen3, Xiangdong Ma1 ( ), and Guozhen Shen2 ( ) Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-015-0923-7 http://www.thenanoresearch.com on Oct. 14, 2015 © Tsinghua University Press 2015

Just Accepted  This  is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by  the peer‐review process and has been accepted  for  publication. A  “Just Accepted” manuscript  is  published  online  shortly  after  its  acceptance, which  is prior  to  technical  editing  and  formatting  and  author proofing. Tsinghua University Press  (TUP) provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available to  the  research  community  as  soon  as possible  after  acceptance. After  a manuscript has  been  technically edited  and  formatted,  it will  be  removed  from  the  “Just Accepted” Web  site  and published  as  an ASAP article.  Please  note  that  technical  editing  may  introduce  minor  changes  to  the  manuscript  text  and/or graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), which is identical for all formats of publication. 

  

Nano Research  DOI 10.1007/s12274‐015‐0923‐7 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

64Nano Res.         

Fabrication of flexible rGO/Fe2O3 hollow nanospheres

based on-chip Micro-Supercapacitors for integrated

photodetecting applications

Shaosong Gu,1,2 Zheng Lou,2 Ludong Li,2 Zhaojun Chen,3

Xiangdong Ma1* and Guozhen Shen2*

1 Department of Material Science and Engineering, China

University of Mining &Technology (Beijing), Beijing,

100083, PR China. 2 State Key Laboratory for Superlattices and

Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese

Academy of Sciences, Beijing 100083, PR China. 3 College of Chemical Science and Engineering, Qingdao

University, Qingdao 266073, PR China

Flexible integrated on-chip Micro-supercapacitors (MSCs) were fabricated with rGO/Fe2O3 hollow nanospheres electrodes, which not only showed superior electrochemical performance, excellent mechanical flexibility, but also can drive nanowire photodetector well, demonstrating the feasibility of the flexible integrated photodetector systems.

Guozhen Shen, http://www.escience.cn/people/gzshen

 

1Nano Res.         

Fabrication of flexible rGO/Fe2O3 hollow nanospheres based on-chip Micro-Supercapacitors for integratedphotodetecting applications Shaosong Gu,1,2 Zheng Lou,2 Ludong Li,2 Zhaojun Chen,3 Xiangdong Ma1 ( ) and Guozhen Shen2 ( ) 1 Department of Material Science and Engineering, China University of Mining &Technology (Beijing), Beijing, 100083, PR China.

2 State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, PR China 3 College of Chemical Science and Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, PR China

Received: day month year Revised: day month year Accepted:  day  month  year (automatically  inserted  by the publisher) © Tsinghua University Press and  Springer‐Verlag  Berlin Heidelberg 2014 KEYWORDS Fe2O3, Microsupercapacitor, Photodetector, Flexible  

  ABSTRACT Micro‐supercapacitors (MSCs) as important on‐chip micro‐power sources have attracted  considerable  attention  owing  to  their  unique  and  advantageous design  for optimized maximum  functionality within a minimized  sized  chipand  excellent  mechanical  flexibility/stability  on  miniaturized  portableelectronic  devices  applications.  In  this  work,  we  report  a  novel,high‐performance  flexible  integrated  on‐chip  MSCs  based  on  hybrid nanostructures  of  reduced  graphene  oxide  (rGO)/Fe2O3  hollow Nanospheres via  a  microelectronic  photo‐lithography  technology  combined  with  plasma etching technique. The unique structural design for on‐chip MSCs enables high performance  enhancements  compared  to  graphene‐only  devices,  exhibiting high  specific  capacitances  of  11.57  F  cm‐3 at  a  scan  rate  of  200  mV/s  and excellent rate capability and robust cycling stability with capacitance retentionof 92.08 % after 32,000  charge/discharge  cycles. Moreover,  the on‐chip MSCs have  superior  flexibility  and  outstanding  stability  even  after  repetition  ofcharge/discharge  cycles  under  different  bending  state.  As‐fabricated  highly flexible  on‐chip  MSCs  can  be  easily  integrated  with  CdS  nanowire‐based photodetector  to  form  into  a  highly  compacted  photodetecting  system,exhibiting  comparable  performance with  the  device  driven  by  conventionalexternal energy storage units. 

Introduction 

The  rapid development of miniaturized portable and  wearable  electronic  equipment,  such  as micro‐electromechanical  systems  (MEMS), 

microrobots  and  implantable  medical  devices, has  greatly  increased  the  demand  for 

micro/nanopower  sources  that  can  possibly  be integrated  on  a  chip with  other  electronic  units [1,2]. It is especially important to design efficient, miniaturized  energy‐storage  devices  that  can match or exceed that of the micro‐machine being 

powered  and  integrate  the  microscale  energy storage units as close as possible to the electronic 

Nano Research   DOI (automatically inserted by the publisher)

Address correspondence to Guozhen Shen, E-mail: [email protected]; Xiangdong Ma, E-mail: [email protected].

Research Article 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

2Nano Res.         

circuit  on  a  chip,  in  other  words,  to  build  a self‐powered micro/nanodevice  systems  [3‐5].  In contrast  to  miniaturized  micro‐batteries  whose properties  often  suffer  from  fundamental problems  in  those  redox  reactions  inevitably, such  as  relatively  poor  charge/discharge  rates, and  limited cycle  life  (hundreds  to  thousands of cycles)  [6‐8], micro‐supercapacitors  (MSCs) have better  performance  include  ultrahigh  power density  and  fast  rate  capability  and  long  cycle lifetime  (millions  of  cycles)  and  excellent  safety which  are  very  potential  serve  as miniaturized ultrahigh‐power  devices  that  provide  sufficient peak  power  in  energy  storage  and  harvesting applications  [9‐11]. Therefore, on‐chip MSCs are used to meet the demand for micropower sources with miniaturized  size  and  high  power  density, not only can  fit on‐chip geometries of  integrated circuits by adjustment dimension but also can be compatible with  current MEMS  in manufacture techniques [6,12]. To  date,  many  kinds  of  MSCs  have  been 

fabricated using different electrode materials [13‐17] and among  them graphene  is  the most commonly used  electrode  because  of  its  larger  theoretical surface  area  [18‐20],  faster  electrical  conductivity [21‐23].  For  example,  Ajayan’s  group  developed all‐graphene based monolithic MSCs by direct laser reduction  and  patterning  of  hydrated  graphite oxide (GO) films [11]. ElKady and Kaner reported a scalable  fabrication  method  for  graphene‐based planar MSCs  by direct  laser writing  on GO  films using a standard Light Scribe DVD burner [12]. We also  designed  an  rGO‐based  planar micro‐supercapacitors  with  high  cyclability  and good  flexibility  by  a  simple micro‐manufacturing technology,  and  the  optimized  electrodes  in  the rGO‐based MSCs device were utilized as the source and  drain  electrodes  of  CdS  photodetector  [14]. However,  the  relatively  low  electrochemical capacitance and insufficient energy densities of the graphene‐based MSCs  limits  their  applications  in practical  electronic  utilization  [15‐17].  Thus,  it  is necessary to overcome this restriction and improve the  electrochemical  performance  with  high capacitance  and  good  cycling  stability  by developing new electrode materials. 

To  improve  the  electrochemical  performance  of graphene,  a  general  and  powerful  method  is  to combine  graphene  with  other  high  capacity pseudocapacitive materials  to  form  into composite electrodes.  Many  kinds  of  graphene‐based composite  electrodes  have  been  developed including graphene/NiO [24], graphene/Co3O4 [25], and graphene/Co(OH)2 [26] etc. As expected, these composite  electrodes  do  exhibit  greatly  improved electrochemical  performance  compared  with pristine  graphene  electrodes.  However,  till  now, most  of  the  above  graphene‐based  composite electrodes  are  configured  as  conventional supercapacitor structures and seldom of them were used  as  electrodes  for  on‐chip  MSCs  using  the microelectronic compatable technique. In our work, we  fabricated  a  flexible  integrated 

MSCs  by  using  the  patterned  reduced  graphene oxide  (rGO)/Fe2O3 hollow  nanospheres  composite as the electrodes via a conventional microelectronic photo‐lithography  technology  combined  with plasma  etching  technique.  Fe2O3 hollow nanospheres were selected as the electrode material to  combine with  graphene  nanosheets  because  of its  high  theoretical  specific  capacitance  good stability  in  alkaline  electrolyte,  low  toxicity,  cost effectiveness  and  easy  synthesis[27,28]. As‐fabricated  flexible  on‐chip  MSCs  exhibited excellent  volume  capacitance  of  11.57  F  cm‐3 at  a scan  rate  of  200  mV/s  and  outstanding  cycling stability.  About  92.08%  of  the  initial  value  was remained  after  32,000  charge/discharge  cycles. Moreover,  the MSCs  have  superior  flexibility  and stability  even  after  repetition  of  charge/discharge cycles  with  convex  and  concave  bending  state. As‐fabricated highly  flexible on‐chip MSCs can be easily  integrated  with  CdS  nanowire‐based photodetector  to  form  into  a  highly  compacted photodetecting system. 

Experiments 

Synthesis  of  rGO  /Fe2O3 nanocomposites:  In a  typical procedure,  graphene  oxide  (GO)  was  first synthesized via a modified Hummer method using natural  graphite  powder  [29].  rGO/Fe2O3  hollow Nanospheres was synthesized via an easy one‐step hydrothermal process. Briefly, ~40 mg of graphene oxide (GO) was dispersed in 35ml deionized water under ultrasonication for 1 h to form homogeneous solution.  Then,  0.26g  FeCl3  were  added  into  the 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

3Nano Res.         

above  solution  under  ultrasonication  for  0.5  h. Finally,  the mixture was  sealed  in  a  Teflon  lined stainless  steel autoclave  for hydrothermal  reaction at 180 ºC for 12 h. The product was filtered, washed with deionized water  for several  times  resulted  in the  formation  of  rGO  nanosheets/Fe2O3 nanospheres hybrid composites.   The  PVA/KOH  polymer  electrolyte was  prepared as  follows:  in  a  typical  process,  4  g  PVA  was dissolved in 35 mL DI water with stirring at 100 ºC for 2 h. Then, 1.63 g KOH was dissolved in 5 mL DI water. Finally, the above two solutions were mixed together at 60  ºC under vigorous stirring until  the solution became clear. Synthesis and  characterizations of CdS nanowire: CdS nanowires were  synthesized  via  a  simple  vapour transport method  In  a  typical process,  0.01 g CdS powder  (99.999%) was placed on an alumina boat at  the  centre  of  a  tube  furnace  as  the  source material. A silicon wafer coated with ~10 nm thick Au  layer  as  the  catalysts was placed on  the other alumina boat  located downstream, at a distance of 16‐17 cm  from  the  tube centre. After  the  tube was purged with pure Ar at 110  ºC for 2 h, the system was heated to 1000  ºC in 35 min and maintained at that temperature for 2 h. The flow rate of the carrier gas  (Ar)  was  kept  at  300  sccm  (standard  cubic centimeters per minute). After  the  reaction ended, the furnace was cooled down to room temperature naturally.   Fabrication  of  CdS  nanowire  photodetector  on  the rGO/Fe2O3 MSCs:  After  the  CdS  nanowires  being removed  from  the  Si  slice,  10  μL  of CdS  solution (20 mg/mL in isopropanol) was spread in one of the gaps  between  the  square  electrodes.  Nanowires formed  a  dense  film  connecting  the  middle electrode and one of the electrodes of MSCs. After drying, the device was available for testing. Materials characterization: The synthesized products were  characterized  with  an  X‐ray  diffractometer (XRD;  X’Pert  PRO,  PANalytical  B.V.,  the Netherlands) with radiation  from a Cu  target (Kα, λ = 0.15406 nm). The morphologies of the samples were  characterized  using  electron  microscopy (SEM;  NANOSEM  650‐6700F,  15  kV)  and transmission  electron  microscopy  (TEM;  JEOL JEM‐2010HT).  X‐ray  photoelectron  spectra  of  the products were measured by an X‐ray photoelectron spectrometer  (GENESIS, Americaʹs  dax  co.,  LTD). Raman  spectra  were  obtained  on  a  Renishaw RM2000  Raman  spectrometer  with  457.9  nm 

wavelength incident laser light.   The  electrochemical performance of  the  fabricated on‐chip MSCs  were  measured  by  the  CHI  760D electrochemical  work  stations.  Electrochemical impedance spectroscopy  (EIS) measurements were carried out in the frequency range from 0.01 Hz to 100  kHz  at  open  circuit  potential  with  an  ac perturbation of 5 mV.   Calculations: All the on‐chip MSCs were tested in a symmetrical  two  electrode  configuration.  The specific capacitance of each micro‐device obtained through  cyclic  voltammograms was  based  on  the following equation: 

∫=V

0IdV

SVX1

XC                      

(1) Where Cx is the specific capacitance (F cm‐2, F cm‐3; X  stands  for  area  (cm2)  and  volume  (cm3)  of  the electrode,  respectively), S  is  the  scan  rate  in cyclic voltammograms  (V  s‐1), V  represents  the potential window (V), and I stands for current (A). The  energy  density  (E,  in  Wh  cm‐3)  and  power density  (P,  in W  cm‐3)  of  the  micro‐device  were calculated as follows: 

36002V×C

2

V

×=E

                     (2) 

t3600EΔ×

=P                     

(3) where  Cv  is  the  volumetric  capacitance  obtained from  Equation  (1)  (in  F  cm‐3),  V  is  the  operating voltage window (in V), and ∆t is the discharge time of the micro‐device (in second). 

Results and discussion 

Fig.  1a  shows  typical  X‐ray  diffraction  (XRD) patterns of  the as‐prepared rGO/Fe2O3 composites. Obvious evidence indicates that all of the observed peaks position is corresponding well with the pure crystal phase  of  α‐Fe2O3  (JCPDS No:33‐0664)  [30], demonstrating  that Fe2O3 with high purity  can be well  synthesized  on  the  graphene  sheets.  Fig.  1b shows  the  Raman  spectra  of  reduced  graphene oxide  (rGO)  and  the  rGO/Fe2O3  composites.  Both samples display similar two bands at 1348 and 1591 cm‐1, which correspond to the disordered (D) band 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

4Nano Res.         

and  graphitic  (G)  band  of  carbon  materials respectively. The ratios between the intensity of the D band and the G band (ID/IG) were usually taken as a measure of defect concentration. The values of ID/IG  increased  from  0.96  to  1.0,  indicating  the increase  of  surface  disorders  for  the  rGO/Fe2O3 composites.  This  enhancement  of  the  disordered carbon  content  should  be  ascribed  to  the  partial insertion of Fe2O3 nanospheres into graphene layer, which is in accordance with previous reports about graphene‐based  nanocomposites  [31].  In  order  to further  confirm  the  surface  information  of  the obtained  samples,  X‐ray  photoelectron spectroscopy (XPS) was also carried out, as shown in  Fig.  1c.  It  can  be  clearly  seen  that  the  survey spectrum  of  the  rGO/Fe2O3  composites  mainly 

shows carbon, oxygen, and  iron species. The peak located at 284.89 eV is assigned to the characteristic peak  of  C1s,  which  can  be  divided  into  several peaks (Fig. S1a). The intensities of all C1s peaks of the  carbon  binding  to  oxygen  are  very  weak indicating  that  the GO  is  reduced  [32]. The Fe  2p XPS spectra of  the sample exhibit  two main peaks at 711.6 and 724.8 eV, corresponding to the Fe 2p3/2 and  Fe  2p1/2  spin‐orbit  peaks  of  Fe2O3  (Fig.  S1b). Moreover,  a  satellite  peak  at  718.9  eV  was  also observed,  which  is  in  accordance  with  the characteristic  of  α‐Fe2O3.  This  result  is  also consistent  with  the  XRD  analysis  as  mentioned above and further identify the existence of Fe2O3 in the composites.   

 Figure 1 (a) XRD patterns, (b) Raman spectra, (c) XPS spectrum, and (d-f) SEM, TEM and HRTEM images of the as-obtained

rGO/Fe2O3 composites.

The morphology and detailed microstructures of the  as‐synthesized  rGO/Fe2O3  composites  were then measured by SEM and TEM, as shown in Fig. 1d‐f.  Fig.  1d  and  1e  are  typical  SEM  image  and TEM image of the rGO/Fe2O3 hollow Nanospheres, where both Fe2O3 nanospheres and rGO nanosheets can  be  clearly  seen,  with  the  Fe2O3  hollow nanospheres well dispersed on  the surface of rGO nanosheets.  As  clearly  shown  in  Fig.  1f,  the HRTEM image of Fe2O3 hollow nanospheres shows the  fringe  spacing  of  ~0.27  nm,  which  is  well consistent with  the  (104)  crystal planes of  α‐Fe2O3 

[30].   On‐chip MSCs were then fabricated by using the 

rGO/Fe2O3  composites  as  the  electrodes.  Fig.  2a shows  the  schematic  illustration  of  a  typical fabrication process of the flexible on‐chip MSCs on PET  substrate.  To  enhance  the  hydrophility  and wettability  of  the  PET  substrate,  its  top  side was first  treated  with  air  plasma  (750V,  45min)  in  a plasma cleaner with 0.6 L/min of air flow. Then, the as‐synthesized  rGO/Fe2O3  hybrid  composites dispersed  in  ethanol  were  spin‐coated  on  the treated PET substrate at 500 revolutions per minute 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

5Nano Res.         

(rpm) for 15 s and 4000 rpm for 30s to produce an uniform  rGO/Fe2O3  film  as  electrodes  material. After spin coating, the substrate was heated at 100 ºC for 4 min to evaporate the water. Subsequently, a thin  Ni  film  (~40  nm)  was  deposited  on  the rGO/Fe2O3  film  to enhance  the conductivity of  the electrodes  by  thermal  evaporation,  followed with the  spin  coating  of  a  thin  layer  of  photoresist. Photolithograph was then performed to pattern the electrodes  with  desired  device  structures. Un‐wanted Ni film and rGO film was removed by 

2 M HNO3 and air plasma, respectively. PVA/KOH gel electrolyte was spread on the MSCs, resulted in the formation of flexible all‐solid‐state devices. Fig. 2b illustrated the three‐dimensional (3‐D) structure of  the  as‐fabricated  symmetric  interdigital  MSCs with  the  rGO/Fe2O3  electrodes.  The  conventional photolithography process is readily scalable for the efficient  fabrication  of  the  MSCs  and  multiple integrated on‐chip MSCs can be easily produced on a flexible PET substrate, as shown in Fig. 2c. 

Figure 2. (a) Schematic illustration of the fabrication process of the flexible on-chip MSCs on PET substrate. (b) 3-D Schematic illustration of the fabricated on-chip MSCs. (c) Digital photograph of integrated on-chip MSCs on a single PET substrate. 

Electrochemical  performance  of  the  rGO/Fe2O3 on‐chip  MSCs  was  firstly  evaluated  by two‐electrode  cyclic  voltammetry  (CV)  and galvanostatic  charge‐discharge measurements. CV curves at various scan rates varying from 0.2 to 3.0 V s‐1 were shown in Fig. 3a. The quasi‐rectangular shapes of CV  loops obviously  indicate  fast  charge transfer  reaction  and  efficient  electrical  double layer (EDL) formation for ideal capacitive behavior [33,34].  Note  that  there  are  no  apparent  redox peaks  observed  at  the  voltage  range  of  0  to  1  V, which  reveals  that  this double‐layer  capacitor‐like CV  behavior  actually  originates  from  the  fast, reversible  successive  surface  redox  reactions  of Fe2O3 by means of surface electro‐adsorption of ion, as well  as  proton  incorporation  [6,18]. Moreover, the  galvanostatic  charge‐discharge  measurements under  different  current  density  (from  60  to  200 μA/cm2)  were  shown  in  Fig.  3b‐c.  Both  the charge/discharge curves display linear and relative symmetric  triangular  shapes,  indicating  excellent double‐layer capacitor performance,  in accordance with the CV curves. Fig. 3d shows the voltage drop of the MSCs at various current densities. The linear 

increase  of  voltage  drop  with  current  densities conformed  to  the  overall  internal  resistance, signifying  the  lower  overall  internal  resistance  of the MSCs. Fig.  3e  shows  the  change  of  the  capacitance 

retention  as  the  number  of  cycles  increase  at  a charge/discharge  current  density  of  100  μA/cm2. The  device  retained  about  92.08%  of  the  initial value  after  32,000  cycles, which  is  comparable  to that  of  other  active  materials  including laser‐scribed  graphene  electrochemical  capacitors (96.5% retention after 10000 cycles) [35], rGO‐CNT micro‐supercapacitors  (95%  retention  after  1000 cycles)  [36],  and  rGO/PANI  composite  (90% retention  after  1700  cycles)  [37].  This  result suggested  an  excellent  long‐term  electrochemical stability, which  can  also be  certificated by  the CV and  Galvanostatic  charge‐discharge  curves  of  the 1st and 32,000th cycles measured as shown  in Fig. S2a‐b.  The  areal  capacitance  and  volume capacitance values of  the  rGO/Fe2O3  electrode  can be  calculated  and  plotted  in  Fig.  3f,  respectively. Clearly,  the  on‐chip  MSCs  achieved  a  volume capacitance of 11.57 F/cm3 and an areal capacitance 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

6Nano Res.         

of 347 μF/cm2 even when applied with a scan rate as  high  as  200 mV/s.  To  our  best  knowledge,  the volume capacitance of our rGO/Fe2O3 based device is  much  higher  than  the  reported  values  of graphene‐based  device  (1.3  F  cm‐3  for  onion‐like carbon/graphene  based  MSCs,  3.1  F  cm‐3  for laser‐written  reduced  graphene  oxide MSCs,  and 3.05  F  cm‐3  for  laser‐scribed  graphene  MSCs) [10‐12].The  great  enhancement  in  the  volume capacitance  of  the  current  on‐chip MSCs  can  be 

contributed  to  the synergistic effect of composites, namely,  Fe2O3  nanospheres  in  this  case  as  a  good pseudocapacitive  candidate material  has  superior capacity,  and  the  large  surface  area  of  rGO nanosheets  in  this  case  leads  to  much  higher loading  of  Fe2O3  nanospheres.  Moreover,  the capacitance is reduced with the increase of the scan rate  in Fig. 3f, owing  to  the efficient  infiltration of ions  in  the  electrolyte  is  step  by  step  reduced  to micro‐electrodes, according to previous report [22]. 

Figure 3. Electrochemical properties of the on-chip MSCs. (a) CV curves at different scan rates varying from 0.2 to 3.0 V s-1. (b-d) Galvanostatic charge-discharge curves at different current density from 60 to 200 µA/cm2 and corresponding voltage drop. (e) Variation of capacitance retention of the MSCs with 32000 cycle number. The inset shows the 10 last cycles of the charge/discharge process. (f) Areal capacitance and volume capacitance of the MSCs at different scan rates.

The  rate  performance  is  another  important characteristic  for  high‐performance  capacitors  in addition  to  large  reversible  capacities  and  good cyclabilities. Fig. 4a shows the rate performance of the  on‐chip MSCs  at varied  current density. After 2500  times  of  continuous  cycling  from  100  to  60 μA/cm2,  respectively,  almost  without  noticeable decrease  for  the  initial  capacitance  further revealing  the  excellent  electrochemical  stability  of the  on‐chip  MSCs.  Typical  Nyquist  plots  in frequencies  ranging  from  100  kHz  to  0.01 Hz  are presented  in  Figure  4b.  The  equivalent  series resistance  (ESR) of  the MSCs was  estimated  to be 200  Ω,  evidencing  that  our  electrodes  have  very small  resistance  values  with  good  ion  response. 

The Nyquist curve displayed a vertical  line  to  the x‐axis in the low frequency region, which indicates that the MSCs acts like an ideal capacitive behavior. Fig. 4c shows the Ragone plot in which the volume energy and power densities of the rGO/Fe2O3 MSCs are  compared  with  other  energy  storage  devices reported  in  the  literatures.  The  on‐chip  MSCs exhibit  a maximum  volumetric  energy  density  of 1.61 mW h cm‐3 and a maximum volumetric power density  of  9.82 W  cm‐3.  Remarkably,  these  values are  higher  than  those  obtained  in  other all‐solid‐state  supercapacitors  [38,39]  and graphene‐based MSCs [14] as well as a commercial lithium thin‐film battery (4 V/500 μA h) [10] and an Al  electrolytic  capacitor  (3  V/300  μF)  [12].  This 

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

7Nano Res. 

result  also  confirms  the  excellent  performance  of  our rGO/Fe2O3 MSCs. 

Figure 4. (a) Cycle performance at progressively varying current densities. (b) Nyquist plots of the on-chip MSCs. The inset shows the high-frequency region. (c) Ragone plots (energy density vs power density) providing a comparison of the current on-chip MSCs (red squares) with other similar devices reported in the literature.

The  flexibility  of  on‐chip MSCs  under  different bending  states  was  further  investigated  in  this work. Fig. 5a demonstrates  the optical  image of a device under bending state, revealing the excellent flexibility  of  the  on‐chip  MSCs.  Fig.  5b  and  5c present  the CV curves  (at a scan  rate of 1V/s) and galvanostatic  charge/discharge  curves  (at  100 μA/cm2)  of  the  on‐chip  MSCs  under  different bending states from the flat state to convex bending (bending  radius = 3.2 mm),  concave bending, and then returning to the flat state again. The total area of  curves  in  both  cases  remained  the  same  shape and  did  not  show  obvious  variations,  further confirming  the  outstanding  flexibility  and mechanical  stability  of  the  fabricated  device. Moreover,  the stable  features of  the on‐chip MSCs can  also  be  displayed  through  long‐term charge/discharge  measurements  under  different bending states, as shown in Fig 5d. Even after 2000 bending  cycles,  the  capacitance  almost  kept  its original value  (~96.6%),  revealing  that  the on‐chip MSCs  device  can  be  strong  enough  to  bear  the 

generated  tensile  force,  which  is  very  useful  in practical  applications  as  flexible  energy  storage units.

Figure 5. (a) Photograph of the fabricated rGO/Fe2O3 MSCs under the bending states and its (b) CV curves and (c) galvanostatic charge/discharge curves under flat, concavx bending and convex bending states, respectively. (d) Capacitance retention as a function of the cycle number under different bending states.

8Nano Res.         

Figure 6. (a)SEM images, (b) XRD pattern of the as-synthesized CdS nanowires. (c) The schematic illustration of the electric circuit.(d) The self-discharge curve, (e) I-V test result of the device under different power intensities of 470 nm light illumination and in dark. (f) Photocurrent versus time plots of the device under illumination at a bias of 0.24 V supplied by an external power source and driven by the MSCs, respectively. (g) Photoresponse charateristics with different light intensities driven by the MSCs device. (h) The dependence of photocurrent on light intensity. The fitting result is I∼P0.62.

In order to achieve a flexible integrated on‐chip photodetecting applications, CdS nanowires which were produced by conventional chemical vapor deposition method were used as the photoresponsing materials. Fig 6a shows the typical scanning electron microscopy (SEM) image of the as‐grown CdS nanowires, which clearly  have  the  diameter  in  the  range  80‐�200  nm  and  length  of  several  hundreds  of  micrometers, possessing high aspect ratio. Fig. 6b  is  the X‐ray diffraction pattern of CdS nanowires. Obvious evidence indicates that all of the observed peaks position is corresponding well with a hexagonal structure (JCPCD No. 65‐3414). The sharp diffraction peaks in each crystal facets demonstrates the good crystallinity, which is fundamental for an excellent photodetector device. As for the flexible integrated photodetecting system, a complete  integration  should  contain  energy  storage  device  and  the  powering  of  photodetectors,  so we printed  CdS  nanowires  on  the  electrodes  of  the  MSCs  to  get  a  integrated  on‐chip  photodetecting applications,  as  shown  in  Fig  6c.  The  current  collector  of  MSCs  acts  as  one  electrode  of  the  CdS photodetector while the middle square electrode between the MSCs acts as another electrode. Due to the excellent electrochemical performance of our device, the self‐discharge properties of the MSCs 

was  also measured  and  the  corresponding  result was  shown  in  Fig  6d.  It  can  be  seen  that,  after  being charged  to 1.0 V,  the MSCs maintained at 0.24 V  for more  than 21,000 s, demonstrated  the possibility of integrating  the MSCs with a photodetector device. Similarly,  to confirm CdS photoresponsing properties, the I‐V curves of the CdS nanowires assembled film were measured in different power intensities (0.569 to 1.281 cmW/cm2) of the 470 nm light irradiation and in the dark, respectively. We can see that with the light 

64

64Nano Res. 

intensities increased, the light current between source electrode and drain electrode significantly increases at the same voltage, demonstrates that the CdS nanowires photodetector exhibited a high sensitivity, as can be  seen  in  Fig  6e.  Then,  we  studied  the  photoresponse  charateristics  of  the  CdS  nanowire‐based photodetector  in the  integrated photodetecting system. The time dependent photoresponse of the flexible photodetecting system, driven by an external power source with  the  integrated device, was measured by periodically turning the white light on and off, as shown in Fig 6f. From the curve measured by the MSCs and compared with an external bias of 0.24 V, we found that, current on/off ratios of 10.53 and 9.81 were obtained for the two systems, respectively, which indicated the feasibility and stability of the use of MSCs to substitute the conventional energy unit as driven source for a photodetector. In addition, we also found that  the  photoelectric  response  time  and  recover  time  are  1.21  s  and  1.40  s  for  the  self‐powered photodetector, which  is even more sensitive than external power source driven one (1.22 s and 1.41 s). In order to further study the photoresponse characteristics driven by the MSCs, we also measured two cycles of the I‐T curve under different power intensities of 470 nm light illumination as shown in Fig. 6g. It can be seen that the saturated photocurrent increases as the raising of light intensity, and then recovers much the initial  value  as  the  recovery  of  light  intensity,  indicating  the  good  reproducibility  of  the  photodetector driven by  the MSCs. The photocurrent versus  light  intensity  can be described as a power  law  (Fig. 6h), I=APθ [40], which can be interpreted as follows: the photocurrent I, a constant A, the light intensity P and the empirical value θ. As shown in Fig. 6h, the photocurrent and light intensity driven by the MSCs, have a strong  linearly dependence, that the value of the θ  is 0.62 (I~P0.62) which proved the CdS nanowire‐based photodetector  in  the  integrated  photodetecting  system  possessing  an  amazing  photocurrent  capability. From our results, we deduced that, compared with the conventional external energy unit, the MSCs as the driven source not only ensures stable and comparable performance, but also provide new features such as excellent  flexibility, microminiaturization,  and highly  compact  integration of  the  full  systems, which  are believed to be integratable to the update microelectronic technology. 

Conclusions In  conclusion,  a  simple  and  scalable  microelectronic  photo‐lithography  technology  combined  with 

plasma  etching  technique  to  fabricate  flexible  rGO/Fe2O3  hollow  nanospheres  based  on‐chip Micro‐Supercapacitors  for  integrated  photodetecting  applications  has  been  reported.  Such  fabricated on‐chip MSCs  on  the  flexible PET  substrate worked  in  the potential  range  of  0  to  1 V,  and  the volume capacitances can reach 11.57 F cm‐3 at a scan rate of 200 mV/s, and about 92.08% of the initial capacitance was  remained  even  after  32,000  cycles.  Moreover,  the  on‐chip  MSCs  have  superior  flexibility  and outstanding  stability  even  after  repetition  of  charge/discharge  cycles with  convex  and  concave  bending states. Furthermore, the MSCs were utilized as the source and drain electrodes of the CdS photodetector, demonstrating  the  feasibility  of  the  flexible  integrated  photodetector  systems which  are  promising  for further large‐scale and integrated applications.  Acknowledgements  This work was supported by the National Natural Science Foundation (61377033).    References  [1] S, C, Yao.; X, D, Tang.; C, C, Hsieh.; Y, Alyousef and C, H, Amon. Micro-electro-mechanical systems (MEMS)-based

micro-scale direct methanol fuel cell development. Energy 2006, 31, 636–649.

[ 2 ] B , P a t t e n . ; I , A , S a a n d B , T a n g n e y . D e s i g n i n g c o l l a b o r a t i v e ,

constructionist and contextual applications for handheld devices. Comput. Educ. 2006, 46, 294-308.

[3] J, Zhang.; K, L, Tan and H, Q, Gong. Characterization of the

polymerization of SU-8 photoresist and its applications in micro-electro-mechanical systems (MEMS). Polym. Test 2001, 20,

65

65Nano Res. 

693–701.

[4] Q, H, Meng.; H, Q, Wu.; Y, N, Meng.; K, Xie.; Z, X, Wei and Z, X, Guo. High-Performance All-Carbon Yarn

Micro-Supercapacitor for an Integrated Energy System. Adv. Mater. 2014, 26, 4100–4106.

[ 5 ] Y , G , Z h u . ; Y , W a n g . ; Y , M , S h i a n d H , Y , Y a n g . C o O

nanoflowers woven by CNT network for high energy density flexible micro-supercapacitor. Nano Energy 2014, 3, 46–54.

[6] A, Sumboja.; C, Y, Foo.; X, Wang and P, S, Lee. Large Areal Mass, Flexible and Free-Standing Reduced Graphene

Oxide/Manganese Dioxide Paper for Asymmetric Supercapacitor Device. Adv. Mater. 2013, 25, 2809–2815.

[7] D, R, Rolison. Multifunctional 3D nanoarchitectures for energy storage and conversion. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 226-252.

[8] Y, Wang.; Y, M, Shi and H, Y, Yang. Printed all-solid flexible microsupercapacitors: towards the general route for high energy

storage devices. Nanotech. 2014, 25, 094010

[9] J, Chmiola.; C, Largeot.; P, L, Taberna.; P, Simon and Y, Gogotsi. Monolithic carbide-derived carbon films for

micro-supercapacitors. Science 2010, 328, 480-483.

[10] D, Pech.; M, Brunet and P, Simon. Ultrahigh-power micrometre-sized supercapacitors based on onion-like carbon. Nat.

Nanotech. 2010, 5, 651-654.

[11] W, Gao.; N, Singh and P, M, Ajayan. Direct laser writing of micro-supercapacitors on hydrated graphite oxide films. Nature

Nanotech. 2011, 6, 496-500.

[12] M, F, El-Kady and R, B, Kaner. Scalable fabrication of high-power grapheme micro-supercapacitors for flexible and on-chip

energy storage. Nat. Comm. 2013, 4, 1475.

[13] Z, S, Wu.; K, Parvez.; X, L, Feng and K, Müllen. Graphene-based in-plane micro-supercapacitors with high power and energy

densities. Nat. Comm. 2013, 4.

[14] J, Xu and G, Z, Shen. A flexible integrated photodetector system driven by on-chip microsupercapacitors. Nano Energy 2015,

13, 131–139.

[15] G, Lee.; D, Kim.; J, Yun.; Y, M, Ko.; J, Chob and J, S, Ha. High-performance all-solid-state flexible microsupercapacitor

arrays with layer-by-layer assembled MWNT/MnOx nanocomposite electrodes. Nanoscale 2014, 6, 9655–9664.

[16] H, Wu.; K, J.; S, Gu.; Z, Lou.; D, Chen and G, Shen. Two-dimensional Ni(OH)2 nanoplates for flexible on-chip

microsupercapacitors. Nano Rasearch DOI 10.1007/s12274-015-0854-3

[17] L, Peng.; X, Peng.; B, R, Liu.; C, Z, Wu.; Y, Xie and G,H Yu. Ultrathin Two-Dimensional MnO2/Graphene Hybrid

Nanostructures for High-Performance, Flexible Planar Supercapacitors. Nano Lett. 2013, 13, 2151−2157.

[18] W, W, Liu.; Y, Q, Feng.; X. B. Yan.; J, T, Chen and Q, J, Xue. Superior Micro-Supercapacitors Based on Graphene Quantum

Dots. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 4111–4122.

[19] Z, K, Wu.; Z, Y, Lin.; L, Y, Li.; B, Song.; K, Moon.; S, L, Bai and C, P, Wong. Flexible micro-supercapacitor based on in-situ

assembled graphene on metal template at room temperature. Nano Energy 2014, 10, 222–228.

[20] P, H, Huang.; D, Pech.; R, Y, Lin and P, Simon. On-chip micro-supercapacitors for operation in a wide temperature range.

Electrochem. Commun. 2013, 36, 53–56.

[21] G, P, Xiong.; C, Z, Meng.; R, G, Reifenberger.; P, P, Irazoqui and T, S, Fisher. A Review of Graphene-Based Electrochemical

M i c r o s u p e r c a p a c i t o r s . E l e c t r o a n a l .

2014, 26, 30-51.

[22] Z, Q, Niu.; L, Zhang.; L, L, Liu and X, D, Chen. All-Solid-State Flexible Ultrathin Micro-Supercapacitors Based on Graphene.

Adv. Mater. 2013, 25, 4035–4042.

[23] J, Lin.; C, G, Zhang and J, M, Tour. 3-Dimensional Graphene Carbon Nanotube Carpet-Based Microsupercapacitors with

High Electrochemical Performance. Nano Lett. 2013, 13, 72−78.

[24] W, Lv.; F, Sun.; D, M, Tang.; H, T, Fang.; C, Liu.; Q, H, Yang and H, M, Cheng. A sandwich structure of graphene and nickel

oxide with excellent supercapacitive performance, J. Mater. Chem. 2011, 21, 9014–9019.

[25] J, Yan.; T, Wei.; W, M, Qiao.; B, Shao.; Q, K, Zhao.; L, J, Zhang and Z, J, Fan. Rapid microwave-assisted synthesis of

66

66Nano Res. 

graphene nanosheet/Co3O4 composite for supercapacitors, Electrochim. Acta. 2010 55 6973-6978.

[26] M, Beidaghi and C, L, Wang. Design, fabrication, and evaluation of on-chip micro-supercapacitors. Electrochem. Acta. 2011,

56, 9508-9514.

[27] S, Chen.; J, Zhu and X, Wang. One-step synthesis of graphene cobalt hydroxide nanocomposites and their electrochemical

properties. J Phy. Chem. C. 2010, 114, 11829-11834.

[28] N, Mahdi.; M, A, Golozar and G, Rashed. Nano iron oxide (Fe2O3)/carbon black electrodes for electrochemical capacitors,

Mater. Lett. 2012, 85, 40-43.

[29] M, B, Sassin.; A, N, Mansour.; K, A, Pettigrew.; D, R, Rolison and J, W, Long. Electroless deposition of conformal nanoscale

iron oxide on carbon nanoarchitectures for electrochemical charge storage, ACS Nano 2010, 4, 4505-4514.

[30] W, Hummers and R, Offeman. Preparation of graphitic oxide, J. Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339.

[31] L, Wang.; Z, Lou.; J, Deng.; R, Zhang and T, Zhang, Ethanol Gas Detection Using a Yolk-Shell (Core-Shell) α-Fe2O3

Nanospheres as Sensing Material. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2015, 7 , 13098-13104.

[32] Y, Q, Zou and Y, Wang, NiO nanosheets grown on graphene nanosheets as superior anode materials for Li-ion batteries.

Nanoscale 2011,3, 2615-2620.

[33] L, Q, Lu and Y, Wang, Sheet-like and fusiform CuO nanostructures grown on graphene by rapid microwave heating for high

Li-ion storage capacities. J. Mater. Chem. 2011, 21, 17916-17921.

[34] J, Han.; Y, C, Lin.; L, Chen.; Y, C, Tsai.; Y, Ito.; X, Guo.; A, Hirata.; T, Fujita.; M, Esashi.; T, Gessner and M, Chen, On-chip

micro-pseudocapacitors for ultrahigh energy and power delivery. Adv. Sci. 2015, 1500067.

[ 3 5 ] Q , F , W a n g . ; X , F , W a n g a n d G , Z , S h e n . F l e x i b l e

coaxial-type fiber supercapacitor based on NiCo2O4 nanosheets electrodes. Nano Energy 2014, 8, 44-51.

[36] X, Zhang.; L, Gong.; K, Liu.; Y, Cao.; X, Xiao.; W, Sun.; X, Hu.;Y, Gao.; J, Chen.; J, Zhou and Z, L, Wang. Tungsten oxide

nanowires grown on carbon cloth as a flexible cold cathode. Adv. Mater. 2010 ,22, 5292-5296

[37] S, J, Zhu.; J, H, Zhang.; C, Y, Qiao.; S, J, Tang.; Y, F, Li. W, J, Yuan.; B, Li.; L, Tian.; F, Liu.; R, Hu.; H, N, Gao.; H, T, Wei.;

H, Zhang,; H, C, Sun and B, Yang. Strongly green-photoluminescent graphene quantum dots for bioimaging applications.

Chem. Commun. 2011, 47, 6858.

[38] M, Q, Xue.; F, W, Li.; J, Zhu.; H, Song.; M, N, Zhang and T, B, Cao. Structure-Based Enhanced Capacitance: In Situ Growth

of Highly Ordered Polyaniline Nanorods on Reduced Graphene Oxide Patterns. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1284.

[39] X, Lu.; M, Yu.; G, Wang.; T, Zhai.; S, Xie.; Y, Ling.; Y, Tong and Y, Li. H-TiO2@ MnO2//H-TiO2 @C Core-Shell Nanowires

for High Performance and Flexible Asymmetric Supercapacitors. Adv. Mater. 2013, 25, 267-272.

[40] M, F, El-Kady.; V, Strong.; S. Dubin and R, B, Kaner. Laser scribing of high-performance and flexible graphene-based

electrochemical capacitors. Science, 2012, 335, 1326-1330.

[41] G, Chen.; X, Xie and G, Shen. Flexible organic-norganic hybrid photodetectors with n-type phenyl-C61-butyric acid methyl

ester (PCBM) and p-type pearl-like GaP nanowires. Nano Research 2014, 7(12), 1777-1787.

67

67Nano Res.