【引言】

石墨烯憑借出色的柔韌性、透明性、導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，已經(jīng)成為制備柔性電子器件的多功能材料。在過去的十年中，多種激光技術(shù)用于石墨烯的加工，如：激光還原氧化石墨烯（LRGO），石墨烯的圖案化、多級結(jié)構(gòu)化、雜原子摻雜、減層、刻蝕、沖擊等，以及激光處理聚酰亞胺（PI）制備石墨烯（LIG）。石墨烯廣泛應(yīng)用于多種電子器件制備，如發(fā)電機(jī)、超級電容器、光電器件、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等。

【成果簡介】

近日，在清華大學(xué)尤政院士和吉林大學(xué)張永來教授、韓冬冬博士團(tuán)隊(duì)（通訊作者）帶領(lǐng)下，與北京大學(xué)尤睿博士（第一作者）合作，綜述石墨烯基柔性電子器件激光制造的工作進(jìn)展。全文總結(jié)用于石墨烯及其衍生物制備、加工和改性的多種激光加工技術(shù)。概述基于典型激光制備的多種石墨烯柔性電子器件。全面綜述利用連續(xù)激光和脈沖激光加工GO、化學(xué)氣相沉積（CVD）生長的石墨烯和激光誘導(dǎo)石墨烯。討論激光處理石墨烯的多種功能，如GO的光還原，無掩模圖案化，多級結(jié)構(gòu)，CVD生長石墨烯的減層、刻蝕、沖擊，以及激光在PI襯底制備石墨烯等。石墨烯的激光加工為石墨烯基柔性電子器件的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。總結(jié)利用激光制備的典型柔性電子器件，如：發(fā)電機(jī)、超級電容器、傳感器、光電子器件、驅(qū)動(dòng)器和智能集成器件等。最后，對當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)和未來的研究方向進(jìn)行展望。相關(guān)成果以題為“Laser Fabrication of Graphene–Based Flexible Electronics”發(fā)表在了Advanced Materials上。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1?激光加工石墨烯及其衍生物在開發(fā)石墨烯基柔性電子器件方面的工作進(jìn)展

圖2?激光還原GO

a）GO的吸收光譜。

b）激光光化學(xué)還原GO的示意圖，AFM圖像，實(shí)物照片（比例尺：1 mm）。

c）GO和LRGO的C 1s XPS譜圖。

d）GO和激光光熱還原制備LRGO的SEM圖像。比例尺：10 μm。

e）電阻可控的LRGO。

圖3?激光處理CVD生長的石墨烯和激光誘導(dǎo)石墨烯

a）激光燒蝕石墨烯的示意圖（左）和金膜上石墨烯氧化的DFT模型（右）。右圖中，O、C和Au原子分別由紅色、棕色和金色球表示。

b）石墨烯的折疊。

c）石墨烯的激光沖擊。

d）c中對應(yīng)的SEM和AFM圖。

e）LIG制備示意圖（左）。實(shí)物照片（右）。

f）LIG的HRTEM圖像。比例尺：5 nm。

g）LIG的拉曼光譜。

圖4圖案化的石墨烯

a）基于LRGO的蜘蛛網(wǎng)和吉林大學(xué)?；請D案。比例尺：10μm。

b）基于LRGO的太極（比例尺：50μm）、熊貓（比例尺：10μm）和石墨烯電路圖案。

c）基于LRGO的三維圖案。

d）基于激光處理CVD石墨烯的圖案。

e）基于LIG的圖案化。

f）基于LIG的三維形狀。

g）基于激光處理CVD石墨烯的三維形狀。

圖5多級結(jié)構(gòu)的石墨烯

a）LRGO多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像。

b）LIG多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像（左圖，比例尺：10 μm；插圖，比例尺：1 μm）和TEM圖像（右圖，比例尺：5 ?）。

c）通過激光干涉技術(shù)獲得的LRGO光柵結(jié)構(gòu)示意圖。

d，e）1維和2維光柵狀結(jié)構(gòu)LRGO的SEM圖像。

f）1維和2維光柵結(jié)構(gòu)LRGO用于光衍射演示。

g）通過CVD方法制備的多級結(jié)構(gòu)石墨烯。

h）多級結(jié)構(gòu)石墨烯的結(jié)構(gòu)顏色。

圖6?雜原子摻雜的石墨烯

a）在NH₃氣氛中制備N摻雜LRGO。

b）N摻雜LRGO作為FETs通道的器件結(jié)構(gòu)。

c）GO和N摻雜LRGO的XPS譜圖。

d）N摻雜LRGO FETs的轉(zhuǎn)移特性曲線。

e）氟化石墨烯。

f）氟化前后石墨烯器件的性能對比。

圖7?石墨烯發(fā)電機(jī)

a）濕度-電轉(zhuǎn)換器件的示意圖。

b，c）濕度-電轉(zhuǎn)換器件的性能曲線。

d）使用濕度-電轉(zhuǎn)換器件制備的書寫板。

e）可拉伸的濕度-電轉(zhuǎn)換器件。

f）壓力發(fā)電機(jī)的示意圖。

g）并聯(lián)壓力發(fā)電機(jī)的實(shí)物照片。

h）短路電流曲線。

圖8?石墨烯超級電容器

a，b）a）面內(nèi)和b）三明治結(jié)構(gòu)超級電容器的示意圖。

c）柔性LRGO超級電容器器件結(jié)構(gòu)示意圖與實(shí)物照片。

d）LRGO超級電容器不同彎曲角度的器件性能測試。

e）超級電容器-傳感器集成和集成裝置的漏電流曲線。

f）集成裝置的充放電曲線。

圖9?石墨烯應(yīng)變和壓力傳感器

a）應(yīng)變傳感器的相對電阻變化與拉伸形變的關(guān)系。

b，c）應(yīng)變傳感器的b）頻率和c）拉伸2%的循環(huán)特性。

d-h）應(yīng)變傳感器用于d）手指彎曲，e-g）呼吸，h）脈搏檢測。

i-k）LRGO壓力傳感器的i）器件結(jié)構(gòu)，j）傳感機(jī)制，k）電導(dǎo)與壓力關(guān)系。

圖10?石墨烯生物傳感器

a）利用LIG生物傳感器監(jiān)測EEG、ECG和EMG信號(hào)的示意圖。

b）彈性體海綿基底和LIG生物傳感器的實(shí)物照片和SEM圖像。

c-e）生物傳感器記錄的c）α節(jié)律，d）ECG，e）EMG信號(hào)。

圖11?石墨烯換能驅(qū)動(dòng)器

a）離子驅(qū)動(dòng)器的工作原理示意圖。

b）具有EMI-BF₄電解質(zhì)的IPGC和IPMC驅(qū)動(dòng)器的耐用性。

c）電熱驅(qū)動(dòng)器的工作原理示意圖。

d）電熱仿生捕蠅草。

圖12?石墨烯人工喉嚨

a）人工喉嚨的工作機(jī)制。

b）人工喉嚨的實(shí)物照片。比例尺：1?cm。

c）人工喉嚨檢測和轉(zhuǎn)換微弱振動(dòng)。

d-f）聲音信號(hào)：d）高音量10 kHz，e）低音量10 kHz，f）低音量5 kHz。

【小結(jié)】

石墨烯具有優(yōu)異的柔韌性、導(dǎo)電性、透明性、機(jī)械強(qiáng)度和可控導(dǎo)電性，已成為制備柔性電子器件的多功能材料。在過去的十年中，石墨烯的制備、加工和應(yīng)用得到長足的發(fā)展，推動(dòng)石墨烯材料在電子器件中的應(yīng)用。在柔性石墨烯基電子器件的發(fā)展中，激光制造技術(shù)發(fā)揮非常重要的作用，如：可編程的圖案設(shè)計(jì)、多級結(jié)構(gòu)、器件的制造和集成。多種石墨烯源已成功用于激光加工，如：GO、CVD石墨烯和LIG。激光還原GO有如下優(yōu)點(diǎn)。第一，可以實(shí)現(xiàn)無掩模和無化學(xué)圖案化。第二，激光處理可以制備微納多級結(jié)構(gòu)。第三，通過調(diào)整含氧官能團(tuán)的含量，調(diào)控電學(xué)性能。第四，激光還原用于雜原子摻雜。因此，激光還原GO是一個(gè)制備柔性電子器件有前景的技術(shù)。對于CVD石墨烯而言，激光燒蝕可用于CVD石墨烯圖案化。激光減薄處理可精確控制石墨烯的層數(shù)。此外，激光輔助蝕刻和沖擊可以促進(jìn)石墨烯改性和形貌成型。近期，激光輻照PI襯底制備LIG成為石墨烯基柔性電子器件的研究熱點(diǎn)。利用激光直寫技術(shù)，任何需要的石墨烯圖案都可以直接在柔性PI襯底上制備。該方法簡單、成本低，已廣泛應(yīng)用于多種柔性電子器件的開發(fā)。通過激光加工技術(shù)，多種石墨烯基柔性電子器件得到開發(fā)，如發(fā)電機(jī)、超級電容器、光電器件、傳感器和驅(qū)動(dòng)器等。

石墨烯的激光加工仍然存在一些局限性。激光直寫技術(shù)制造效率較低，在實(shí)際應(yīng)用中，可以采取并行加工方式解決效率問題，如：采用空間光調(diào)制器或全息激光處理等。對于GO的光還原，激光處理可以去除大部分的含氧官能團(tuán)，并恢復(fù)LRGO的導(dǎo)電性。但是，在劇烈的脫氧過程中，sp²碳平面被破壞，產(chǎn)生許多缺陷。對于LIG，與單層平滑的石墨烯相比，形成的LIG具有多孔結(jié)構(gòu)。因此，LIG適合制備傳感器和超級電容器，不適合用于需要光滑電極的光電器件，如OLED。隨著激光加工技術(shù)和石墨烯制備方法的快速發(fā)展，將會(huì)有更多的石墨烯基電子器件通過激光加工技術(shù)制備出來。隨著這一領(lǐng)域的不斷發(fā)展，激光制備石墨烯電子器件將具有廣闊的應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)鏈接：Laser Fabrication of Graphene–Based Flexible Electronics（Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201901981）

本文由木文韜翻譯，吉林大學(xué)韓冬冬博士修正供稿，材料牛整理編輯。

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