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Small Methods: 紫外激光致聚酰亞胺-石墨烯的轉變:模擬、加工及應用

在過去的十年,石墨烯不論是在基礎理論研究還是實際應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量石墨烯的方法,但是直接在基底上加工出石墨烯的經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量及所形成的圖案的加工精度。

Small Methods: 紫外激光致聚酰亞胺-石墨烯的轉變:模擬、加工及應用

廣東工業大學精密電子制造技術與裝備國家重點實驗室陳新教授團隊聯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合,系統地研究了激光致石墨烯加工過程中的光與物質之間的相互作用,采用短波長的皮秒紫外激光,成功地在工業上常見的聚酰亞胺薄膜上加工出高質量的石墨烯及其圖案,極大地提高了石墨烯的質量及圖案化精度。首先,課題組開發了激光致石墨烯的反應分子動力學模型,研究了激光致石墨烯的瞬態轉變過程,揭示了控制石墨烯轉變過程及其影響石墨烯質量的相關規律,發現:溫度及保溫時間是主導激光致石墨烯轉變過程的最關鍵因素;通過多次激光掃描可提高石墨烯的加工質量,但是加熱和冷卻速率對石墨烯的質量影響不大。基于理論預測,課題組開發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量石墨烯。通過系統地研究激光加工參數對石墨烯質量/層數的影響規律,優化了相關工藝參數,獲得了高質量激光致石墨烯及其圖案的系統解決方案。為了展示所加工的圖案化石墨烯應用前景,首次開發了基于圖案化激光致石墨烯的接近傳感器。所開發的接近傳感器響應/恢復時間僅為0.34秒和0.23秒,且經過大曲率彎折、大量測試后,仍能保持高度不變性,表現出極高地穩定性。與所報道的基于還原氧化石墨烯的接近傳感器相比,所開發的激光致石墨烯接近傳感器有更大的感應距離(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的激光致石墨烯加工裝備與工藝,將為加工和研究高質量圖案化石墨烯提供新途徑,也將為工業上批量生產各種石墨烯器件提供了一種經濟可行的加工方法。研究成果發表在Wiley出版社旗下Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900208)。廣東工業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、廣州科創委和香港研究計劃的支持。

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