在過去的十年，石墨烯不論是在基礎(chǔ)理論研究還是實際應(yīng)用中都展示出了非比尋常的價值。但是，盡管有大量的研究致力于探索低溫、無化學試劑制備高質(zhì)量石墨烯的方法，但是直接在基底上加工出石墨烯的經(jīng)濟可行地的途徑仍然亟待突破。

激光致石墨烯（Laser-induced graphene，LIG）是近年來發(fā)展的一種直接在富碳材料上加工石墨烯的新方法。該方法避免了使用昂貴的化學前驅(qū)體，可以快速地在目標基底上一次成型加工出石墨烯，極大地簡化了加工步驟、降低了加工成本，具有極大的發(fā)展前景。但是，其加工機理仍不夠清晰，且由于采用CO₂激光器波長過長，嚴重制約了所加工的石墨烯質(zhì)量及所形成的圖案的加工精度。

廣東工業(yè)大學精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點實驗室陳新教授團隊聯(lián)合香港中文大學汪正平院士/趙鈮教授團隊組建課題組，通過理論預測與實驗相結(jié)合，系統(tǒng)地研究了激光致石墨烯加工過程中的光與物質(zhì)之間的相互作用，采用短波長的皮秒紫外激光，成功地在工業(yè)上常見的聚酰亞胺薄膜上加工出高質(zhì)量的石墨烯及其圖案，極大地提高了石墨烯的質(zhì)量及圖案化精度。首先，課題組開發(fā)了激光致石墨烯的反應(yīng)分子動力學模型，研究了激光致石墨烯的瞬態(tài)轉(zhuǎn)變過程，揭示了控制石墨烯轉(zhuǎn)變過程及其影響石墨烯質(zhì)量的相關(guān)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)：溫度及保溫時間是主導激光致石墨烯轉(zhuǎn)變過程的最關(guān)鍵因素；通過多次激光掃描可提高石墨烯的加工質(zhì)量，但是加熱和冷卻速率對石墨烯的質(zhì)量影響不大?；诶碚擃A測，課題組開發(fā)了皮秒紫外激光加工裝備，在常溫、常壓、無惰性氣體保護的情況下，成功地在聚酰亞胺薄膜上加工出高質(zhì)量石墨烯。通過系統(tǒng)地研究激光加工參數(shù)對石墨烯質(zhì)量/層數(shù)的影響規(guī)律，優(yōu)化了相關(guān)工藝參數(shù)，獲得了高質(zhì)量激光致石墨烯及其圖案的系統(tǒng)解決方案。為了展示所加工的圖案化石墨烯應(yīng)用前景，首次開發(fā)了基于圖案化激光致石墨烯的接近傳感器。所開發(fā)的接近傳感器響應(yīng)/恢復時間僅為0.34秒和0.23秒，且經(jīng)過大曲率彎折、大量測試后，仍能保持高度不變性，表現(xiàn)出極高地穩(wěn)定性。與所報道的基于還原氧化石墨烯的接近傳感器相比，所開發(fā)的激光致石墨烯接近傳感器有更大的感應(yīng)距離(50 mm)、更好的線性度(~0.99)和更高的靈敏度(0.2083 V/mm)。

本文中的理論模型和所開發(fā)的激光致石墨烯加工裝備與工藝，將為加工和研究高質(zhì)量圖案化石墨烯提供新途徑，也將為工業(yè)上批量生產(chǎn)各種石墨烯器件提供了一種經(jīng)濟可行的加工方法。研究成果發(fā)表在Wiley出版社旗下Small Methods上（DOI: 10.1002/smtd.201900208）。廣東工業(yè)大學陳云副教授為論文第一作者。該工作得到了國家自然基金、香江學者計劃、廣東省自然基金/重大研究計劃、廣州科創(chuàng)委和香港研究計劃的支持。