石墨烯是一種以sp²雜化的碳原子組成的單原子層二維材料，是目前國(guó)際材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。石墨烯獨(dú)特的電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等特性，使其在微電子、儲(chǔ)能、柔性顯示、透明導(dǎo)電電極以及復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯的電子結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、透光率等性能均與其層數(shù)緊密相關(guān)。因此，精確控制石墨烯的層數(shù)成為十分重要的研究?jī)?nèi)容。雖然現(xiàn)有制備石墨烯的方法如化學(xué)氣相沉積法可以得到單層或少數(shù)層的石墨烯，但快速可控得到精確層數(shù)的石墨烯仍然是現(xiàn)階段石墨烯制備的一大瓶頸挑戰(zhàn)。此外，高效制備圖案化石墨烯也是石墨烯應(yīng)用中亟需解決的問(wèn)題。

清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖教授課題組，基于973項(xiàng)目“激光微納制造新方法和尺度極限基礎(chǔ)研究”（2011CB013005），系統(tǒng)研究了超快激光與石墨烯相互作用的機(jī)制和規(guī)律，發(fā)展了一種精確控制石墨烯層數(shù)的新方法。此方法以化學(xué)氣相沉積方法制備的多層石墨烯作為對(duì)象，運(yùn)用超快激光光子與石墨烯的作用實(shí)現(xiàn)石墨烯的減薄，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)了不同層數(shù)石墨烯的激光燒蝕閾值，通過(guò)精確調(diào)控超快激光的能流密度和激光掃描速率，可將多層石墨烯經(jīng)一次掃描減薄至所需要的任意層數(shù)。圖1上部為原始5層厚的石墨烯經(jīng)超快激光分別去除其中1層、2層、3層、4層之后得到的4層石墨烯、3層石墨烯、2層石墨烯和1層石墨烯的照片（石墨烯依附在PDMS膜上），下部為不同厚度石墨烯在光學(xué)顯微鏡下的顏色。不同層數(shù)石墨烯的透光率不同，從石墨烯顏色的深淺可以直觀看出石墨烯的大致層數(shù)。除了光學(xué)對(duì)比度以外，還通過(guò)拉曼光譜、原子力顯微鏡和透過(guò)率等一些列測(cè)試方法驗(yàn)證了激光精確減薄的效果。

圖1 原始5層石墨烯經(jīng)超快激光減薄后得到的4層、3層、2層和1層石墨烯的照片和其對(duì)應(yīng)的光學(xué)顯微鏡顏色照片

圖2超快激光圖案化減薄石墨烯得到的精確層數(shù)的石墨烯圖案 

他們還研究了超快激光減薄石墨烯的機(jī)制，與現(xiàn)有報(bào)道的借助破壞頂層石墨烯進(jìn)而氧化去除石墨烯的減薄機(jī)理不同，超快激光光子能量尚不足以直接破壞石墨烯中的碳-碳鍵使其斷裂，而是作用于石墨烯層片之間以及石墨烯晶界之處等結(jié)合力弱的地方，使原子振動(dòng)加劇，層間距增大，在特定的超快激光能量閾值下產(chǎn)生“剝離”作用。

該研究組還將超快激光減薄后得到的不同層數(shù)石墨烯制成了場(chǎng)效應(yīng)管，其性能的變化與石墨烯層數(shù)相吻合。說(shuō)明這種精確控制石墨烯層數(shù)的新方法在石墨烯器件的制造中有著廣闊的應(yīng)用前景。

超快激光精確減薄控制石墨烯層數(shù)的新方法具有諸多優(yōu)勢(shì)：例如，超快激光為非接觸式加工，避免了石墨烯不必要的破壞和污染；超快激光為冷加工，對(duì)加工環(huán)境和石墨烯基底要求低；加工效率高，一次加工即可將石墨烯減薄至期望的層數(shù)；加工過(guò)程柔性好，易實(shí)現(xiàn)任意圖案化的石墨烯減薄。該方法預(yù)期在高質(zhì)量石墨烯柔性顯示、石墨烯傳感器、石墨烯電子器件等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在英國(guó)自然出版集團(tuán)的《Scientific Reports》, 01/2015, 5:11662, DOI:10.1038/srep11662。