來(lái)自萊斯大學(xué)，美國(guó)田納西大學(xué)諾克斯維爾分校（ Knoxville (UT Knoxville)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的的科學(xué)家使用一個(gè)非常小的可見(jiàn)光激光束，在顯微鏡下來(lái)燃燒泡沫狀的碳來(lái)誘導(dǎo)生成石墨烯。這一研究將有望促進(jìn)柔性電子的應(yīng)用進(jìn)程.

研究成果的Graphic Abstract

激光誘導(dǎo)石墨烯的示意圖

科學(xué)家使用一個(gè)小型的安裝在掃描電鏡上的激光來(lái)進(jìn)行激光誘導(dǎo)石墨烯實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的信息。

從現(xiàn)在開(kāi)始，你將不再需要一個(gè)大型的激光來(lái)進(jìn)行激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）。來(lái)自萊斯大學(xué)，美國(guó)田納西大學(xué)諾克斯維爾分校（ Knoxville (UT Knoxville)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的的科學(xué)家使用一個(gè)非常小的可見(jiàn)光激光束，在顯微鏡下來(lái)燃燒泡沫狀的碳來(lái)誘導(dǎo)生成石墨烯。

不同激光參數(shù)下激光誘導(dǎo)石墨烯的研究結(jié)果

圖解：(a) 采用405 nm的激光設(shè)備安裝在大角度端口的掃描電鏡上的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。激光誘導(dǎo)石墨烯在掃描電鏡室中原位生成。 (b)激光誘導(dǎo)石墨烯在405 nm波長(zhǎng)的激光，脈沖寬度從2 μs 到100 ms 變化時(shí)得到的光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果。 (c) 在能量為834 kW cm–2，脈沖寬度大于100 μs的時(shí)候，激光誘導(dǎo)石墨烯形成的拉曼光譜 。 (d)在脈沖寬度為1 ms時(shí)得到的激光誘導(dǎo)石墨烯的拉曼光譜的重新標(biāo)度 。 (e) 激光發(fā)射時(shí)固定脈沖寬度為 100 μs時(shí)激光誘導(dǎo)石墨烯所形成的拉曼光譜。

激光誘導(dǎo)石墨烯(Laser-induced graphene (LIG))是一個(gè)多功能的石墨烯泡沫，是一種常見(jiàn)的利用紅外激光在以碳為基礎(chǔ)的前驅(qū)材料中進(jìn)行直寫得到的.在這里，一個(gè)可見(jiàn)的405nm波長(zhǎng)的激光用來(lái)直接將聚合物轉(zhuǎn)換成激光誘導(dǎo)石墨烯.這就使得在空間分辨率大約為12 μm 和厚度<5 μm的激光誘導(dǎo)石墨烯的形成成為可能.這一空間分辨率使得波長(zhǎng)為405nm的激光的聚焦尺寸相對(duì)小，表明激光誘導(dǎo)石墨烯的特征尺寸可以比以前發(fā)表的要減少至少60%.

這一過(guò)程原位發(fā)生在SEM室內(nèi)，使得直接觀察激光誘導(dǎo)石墨烯成為可能，這一減少的激光誘導(dǎo)石墨烯的特征尺寸使得直寫形成肉眼不可見(jiàn)的柔性電子成為可能.采用激光誘導(dǎo)石墨烯制造出的濕度傳感器用來(lái)展示探測(cè)人類的呼吸，呼吸的反應(yīng)速度為250ms.隨著對(duì)激光誘導(dǎo)石墨烯的興趣越來(lái)越濃厚，激光誘導(dǎo)石墨烯制造柔性電子和傳感器成為可能，精細(xì)的特征也可以采用這一辦法來(lái)拓展其應(yīng)用.

萊斯實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家James Tour，在2014年發(fā)現(xiàn)了一個(gè)比較原始的辦法將一個(gè)普通的聚合物轉(zhuǎn)換成石墨烯。萊斯大學(xué)，美國(guó)田納西大學(xué)以及橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)的材料科學(xué)家，Philip Rack等人揭示了，當(dāng)激光誘導(dǎo)石墨烯在掃描電鏡中只有少量 的時(shí)候，他們現(xiàn)在可以觀察導(dǎo)電的材料形式。

一個(gè)替換的辦法，詳細(xì)的在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)的期刊《 ACS Applied Materials & Interfaces》上給予了介紹，創(chuàng)造了一種激光誘導(dǎo)石墨烯的特征，比宏觀的版本要小60%，并且?guī)缀醣鹊湫偷囊郧安捎眉t外激光所獲得的石墨烯要小幾乎10倍。

低功率的激光同時(shí)還會(huì)使得加工過(guò)程變得比較便宜。Tour說(shuō)到。這將會(huì)比更為寬泛的柔性電子產(chǎn)品和其他的商業(yè)產(chǎn)品變得更為普遍。

電子產(chǎn)品應(yīng)用的關(guān)鍵在于使得其結(jié)構(gòu)變得足夠的小，以至于使得它具有高的密度，或者讓器件在單位面積上具有更多的數(shù)量，這一辦法使得我們可以將器件的結(jié)構(gòu)比以前制造的器件的密度大至少10倍。

.為了證實(shí)這一概念的正確性，實(shí)驗(yàn)室制造了柔性的濕度傳感器，這一傳感器對(duì)于人眼來(lái)說(shuō)幾乎是不可見(jiàn)的，可以直接在聚合物上實(shí)現(xiàn)制造，這一聚合物是一個(gè)商業(yè)化的產(chǎn)品。這一器件可以對(duì)人類的呼吸在250 ms（毫秒； 即千分之一秒）內(nèi)進(jìn)行一次反應(yīng)。

這一速度比大多數(shù)常見(jiàn)的商業(yè)化的濕度傳感器要快得多，并且可以快速的檢測(cè)由于呼吸造造成的局部的濕度變化。

不同脈沖寬度下的結(jié)果

萊斯大學(xué)和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家使用一個(gè)比較的小的激光安裝在掃描電鏡上，在一個(gè)聚合物上形成導(dǎo)電石墨烯的點(diǎn)和痕跡。這一技術(shù)創(chuàng)造了激光誘導(dǎo)石墨烯具有的特征比宏觀的版本要小60%，同時(shí)比采用紅外激光所獲得的樣品要小10倍多。

一個(gè)比較小的激光泵浦光在波長(zhǎng)為405　ｎｍ的時(shí)候，在藍(lán)色的紫外光譜的范圍內(nèi)。這些低功率的激光比工業(yè)化的激光功率要低，Tour研究小組及其世界范圍內(nèi)的研究人員可以使用在塑料，紙張，木材乃至食物上燃燒石墨烯。

安裝在SEM（掃描電鏡）上的激光不僅可以燃燒頂部的５微米厚度的聚合物，還可以直寫石墨烯的特征小于１２微米（人類的頭發(fā)絲，大約為３０到１００微米的直徑）

同橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的人直接合作，使得斯坦福資本化作用在國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)儀器設(shè)備上，就使得我們的聯(lián)合成果變得更有成效。

利用SEM觀察到的兩道在聚合物上激光誘導(dǎo)石墨烯的痕跡.激光安裝在掃描電鏡上(SEM),來(lái)燃燒薄膜上的圖案

圖解:這一技術(shù)使得柔性電子的發(fā)展變得更為可能

激光誘導(dǎo)石墨烯的特征如此細(xì)小，使得我們可以在下一步有可能找到我們可以采用激光圖案化的辦法在顯微鏡下來(lái)尋找它.

Tour和他的研究小組在最近引入閃光石墨烯來(lái)立即將垃圾和食物垃圾轉(zhuǎn)換成有利用價(jià)值的材料，這一新的激光誘導(dǎo)石墨烯的技術(shù)為直寫電子電路向柔性基材如織物上發(fā)展鋪平了道路.

在閃光的過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生成噸的石墨烯，這一激光誘導(dǎo)石墨烯的過(guò)程將會(huì)使得石墨烯可以直接合成在表面上可以精確應(yīng)用的電子.

采用激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)制造的不可見(jiàn)的濕度傳感器

圖解:(a) 激光誘導(dǎo)石墨烯制造具有微小通道的濕度傳感器的示意圖， (c)在PI制造的柔性濕度傳感器的光學(xué)照片； (b) 激光誘導(dǎo)石墨烯的微通道的光學(xué)照片，在PI上的可見(jiàn)粒子是銀環(huán)氧觸頭； (d) 激光誘導(dǎo)石墨烯傳感器對(duì)人類呼吸的反應(yīng)，結(jié)果顯示反應(yīng)時(shí)間<250 ms

這一研究工作得到了美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室和美國(guó)能源部的支持.

R文章來(lái)源： “High-Resolution Laser-Induced Graphene. Flexible Electronics Beyond the Visible Limit” by Michael G. Stanford, Cheng Zhang, Jason Davidson Fowlkes, Anna Hoffman, Ilia N. Ivanov, Philip D. Rack and James M. Tour, 10 February 2020, ACS Applied Materials & Interfaces.

參考文獻(xiàn)：Accounts of Chemical Research ( IF 20.832 ) ，2018-06-20 00:00:00, Ruquan Ye, Dustin K. James, James M. Tour以及Rice University