激光诱导石墨烯技术研究进展 
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1 引言
石墨烯是一种单原子层的、碳原子晶格排布成蜂窝状的新型材料,在物理、化学和材料科学中具有重要的应用价值。由于具有独特的晶格和电子结构,石墨烯表现出了一些非常优异的性能,如大比表面积（2630 m2·g-1）[1]、高载流子迁移率（250000 cm2·V-1·s-1）[2]、高热导率（约为3000 W·m-1·K-1）[3]、高透过率（可见光和近红外光的吸收仅为2.3%）[4]、优异的力学性能（杨氏模量为1×1012 Pa,固有强度为130 GPa）[1]、良好的化学稳定性[5]和生物相容性等。这些独特的物理化学性质使得石墨烯在电子信息[6-7]、储能[8-12]、复合结构[13-15]、生物和仿生器件[16-18]等方面具有巨大的应用潜力。
采用化学气相沉积（CVD）和碳化硅热分解等热密集型加工工艺可以生长出高结晶质量且几乎没有缺陷的石墨烯[19-23]。然而,这些工艺所需要的高温条件限制了可以用于直接生长石墨烯的衬底类型,所以通常需要进行额外的转移工艺才能在不耐高温的衬底（例如塑料等）上进行石墨烯的生长[24-25]。相对于石墨烯单晶,三维多孔石墨烯具有独特的物理和化学性质,因此在过去的10年中,包括制造片上石墨烯器件在内的众多应用的出现及发展,令三维多孔墨烯的制备变得非常重要。虽然传统的化学气相沉积法已被广泛用于制造三维多孔石墨烯,但该方法缺乏可扩展性[26]。所以,对官能化的石墨烯溶液进行处理的方法获得了广泛应用,因为它可以通过廉价且可扩展的方式在各种衬底上制备涂层[27]。但是利用这种方法制备的石墨烯需要进行额外的图形化加工才能出制备图形化的结构。因此,开发一种同时包括还原、剥离和图形化过程的方案是十分必要的[28-31]。
激光加工技术已在材料制造、外科病理等领域成为一种强有力的工具[32-35]。激光可以用来诱导光化学和光热反应,其加工精度是传统热方法难以实现的。激光加工技术具有无催化剂、无毒、可控性和非接触性等优点。同时,它还是一种快速、高效地加工任意复杂结构的方法。2014年,Lin等[36]利用CO2红外激光系统直接对商用聚酰亚胺（PI）进行激光烧蚀,成功制备出了多孔三维石墨烯（又称为激光诱导石墨烯）,该石墨烯具有高的比表面积（≈340 m2·g-1）、高的热稳定性（>900 ℃）以及优异的导电性（电导率为5~25 S·cm-1）。整个加工过程可在空气中进行,无需任何溶剂,并且成本低廉。这种通过激光烧蚀PI的方法避免了复杂的湿化学方法,且可以直接制备图案化结构,为石墨烯更广泛的应用打下了良好的基础。
本文综述了激光诱导石墨烯的不同制备方案以及不同方案制备的激光诱导石墨烯的性能,总结了激光诱导石墨烯近年来在超级电容、传感器、自清洁过滤器、摩擦电纳米发电机以及太赫兹调制器件中的应用,并对基于激光诱导石墨烯的吸波材料以及超表面的发展前景进行了展望。
2 激光诱导石墨烯的制备
2.1 制备方法
由于三维多孔石墨烯具有很高的比表面积以及石墨烯固有的优异的化学、物理和电子性能,它的制备方法一直是各领域研究人员关注的热点[37-42]。早期制备三维石墨烯的方法主要是化学气相沉积法（首先在高温下将石墨烯生长在多孔衬底上,然后通过蚀刻将衬底去除）[26, 43-45]和水热法[46-48]。然而,这些方法对产物形状的控制能力不足,而且制备所需要的高温条件、繁琐的合成路线和制备的高成本使这些方法存在明显的不足。
2014年,Lin等[36]发明了一种在大气条件下使用CO2红外激光器于商用PI薄膜上直接写入石墨烯图形结构的新方法,如
在计算机软件的控制下,激光诱导石墨烯可以被图案化成各种形状[如
图 1. PI上的激光诱导石墨烯产物[36]。（a）使用CO2激光器烧蚀PI制备激光诱导石墨烯的加工示意图;(b)激光诱导石墨烯的扫描电镜图像,图案为猫头鹰形状,标尺为1 mm;(c) 图1 (b)中被圈出部分的SEM图像,标尺为10 μm,其中插图为相应的放大倍率更高的SEM图像,标尺为1 μm;(d) PI衬底上激光诱导石墨烯层的截面SEM图像,标尺为20 μm,其中插图显示了激光诱导石墨烯的多孔形态,标尺为1 μm;(e) 激光诱导石墨烯和PI薄膜的拉曼光谱;(f) 从PI薄膜上刮下的激光诱导石墨烯粉末的XRD谱;(g) 在激光诱导石墨烯边缘拍摄的Cs-STEM图像,显示激光诱导石墨烯具有无序晶界的超多晶性质,标尺为2 nm;(h) 图1 （g）图中所选区域的放大图像,它展示了一组由一个七边形晶格与两个五边形晶格组成的局部缺陷晶
Fig. 1. LIG formed on PI[36]. (a) Schematic of the preparation of LIG using a CO2 laser to ablate PI; (b) SEM image of LIG, the pattern is owl-shaped and the scale bar is 1 mm; (c) SEM image of the circled part in Fig.1 (b), the scale bar is 10 μm, the inset is the corresponding SEM image with higher magnification and the scale bar is 1 μm; (d) SEM image of the cross-section of the LIG layer on PI substrate,
Chyan等[54]证明了通过优化激光参数和选择合适的气体环境,可以在包括木材、食品、纸张和纸板在内的各种天然材料上制备激光诱导石墨烯结构。此外,利用激光烧蚀掺杂了其他成分的碳前体时,还可以获得掺杂的激光诱导石墨烯。例如：Peng等[55]利用激光烧蚀含硼酸的PI薄膜,得到了掺杂硼元素的激光诱导石墨烯（B-LIG）。通过激光直接烧蚀PI得到的激光诱导石墨烯的厚度在20 μm到数百微米之间,这主要取决于激光的输出功率。
为了获得更大体积的激光诱导石墨烯,Luong等[56]设计了一种叠层物体制造（LOM）的方法,该方法示意图如
图 2. 激光诱导石墨烯的制备与加工[56]。（a）LOM工艺示意图;（b）经过打磨的呈“R”形的三维石墨烯,石墨烯泡沫的高度约为1 mm;（c）激光铣削工艺示意图;（d）LOM和光纤激光铣削相结合制备的三维石墨烯泡沫
Fig. 2. Preparation and processing of LIG[56]. (a) Schematic of LOM process; (b) “R” shaped three-dimensional graphene after polishing, and the height of the graphene foam is about 1 mm; (c) schematic of laser milling process; (d) preparation of three-dimensional graphene foam combined with LOM and fiber laser milling
与传统的二维石墨烯相比,激光诱导石墨烯具有同样优异的导电性、导热性、化学稳定性以及超高的比表面积。同时,激光诱导石墨烯在拉曼光谱测试以及X射线衍射谱中也表现出了与二维石墨烯相似的特性。但不同的是,相比于传统二维石墨烯严格的六边形蜂巢状晶格,激光诱导石墨烯的晶格结构存在着一些明显的缺陷。如
2.2 掺杂对石墨烯产物的影响
杂原子掺杂是一种有效的对材料进行改性的方法。杂原子掺杂已成功地改变了各种材料（包括石墨烯、过渡金属二卤化物和硅[57-61]）的电子学性质。利用石墨烯的高比表面积和高导电性,以及石墨烯与添加剂之间的协同作用,形成基于石墨烯的复合材料,可以极大地提高材料的性能。
激光诱导石墨烯的改性可以通过原位和非原位两种方法实现。原位改性指的是在激光烧蚀过程中,通过操纵激光参数、改变衬底成分和改变激光工作环境,生成不同成分的激光诱导石墨烯。比如,一些课题组通过改变激光功率或激光扫描速度,成功地调节了碳、氮、氧的原子比[36,62-63]。然而,这种方法制备的激光诱导石墨烯中包含的元素仅限于碳、氮、氧。为了形成含有不同成分的激光诱导石墨烯,可以在含有添加剂的PI薄膜上进行激光烧蚀。Peng等[55]采用这种方法,利用激光烧蚀了含有硼酸的PI薄膜,该薄膜的能量色散X射线谱（EDS）如
图 3. 复合物的原位与异位改性。（a)~(d) 由含硼酸的PI合成的激光诱导石墨烯的EDS图像,硼、碳和氧分布均匀,标尺为5 μm[55];（e）在不同的气体环境下制备激光诱导石墨烯的设备方案[65];（f）沉积了MnO2的激光诱导石墨烯的横截面SEM图像[19];（g）LIG-MnO2杂化材料的TEM图像[19]
Fig. 3. In situ and ex situ modification of compounds. (a)-(d) EDS images show that boron, carbon and oxygen are distributed evenly in the LIG synthesized from PI containing boric acid, and the scale bar is 5 μm[55]; (e) equipment scheme for preparing LIG in different gas environments[65]; (f) cross-sectional SEM image of LIG with MnO2 deposited[ 下载图片 查看所有图片
非原位改性是先通过激光诱导PI生成激光诱导石墨烯,然后再采取进一步处理。人们通过将材料电沉积到激光诱导石墨烯内部或电沉积到激光诱导石墨烯表面,成功制备了各种复合材料,如
2.3 激光参数对石墨烯产物特性及质量的影响
2.3.1 对表面特性的影响
材料的表面特性会影响其疏水性、表面积和光物理响应等物理化学性质[69-71]。通过控制激光参数,激光诱导石墨烯的表面结构已从早期的多孔结构演变为各种新颖的形态。材料的孔隙率会影响其在微流控、催化和材料分离等方面的应用[72-77]。为了控制激光诱导石墨烯的孔隙率,人们提出了两种方案：调节激光参数以及控制衬底的结构及成分。孔隙率与激光烧蚀过程中的气体释放有关,增大激光功率通常会增大气体的释放速率,从而导致更大的孔径尺寸和更高的孔隙率[36]。然而,过高的激光功率可能会导致结构破损[78]。控制衬底结构及成分的方法是基于材料对激光照射的不同响应行为而设计的,即一种成分容易烧蚀形成气孔,而另一种成分在照射下转化为石墨烯。Tan等[72]设计了一种通过激光诱导嵌段共聚物与树脂自组装制备薄膜来生成有序介孔结构的方法。
通过对烧蚀PI产生的激光诱导石墨烯进行重复激光照射,可以将其结构从原始的大孔泡沫状转变为波纹瓦片结构,并最终转变为碳纳米管结构,如
图 4. 激光诱导石墨烯的高倍率SEM图像[78-79]。(a)不均匀的大孔径泡沫,标尺为5 μm[78];(b)波纹状,标尺为1 μm[78];(c)管状,标尺为500 nm[78];(d)纤维林,标尺为500 nm[79]
Fig. 4. High magnification SEM image of LIG[78-79]. (a) Non-uniform large pore foam, and the scale bar is 5 μm[78]; (b) corrugation, and the scale bar is 1 μm[78]; (c) tubes, and the scale bar is 500 nm[78]; (d) fiber forest, and the scale bar is 500 nm[
2.3.2 对产物质量的影响
在激光诱导石墨烯制备过程中,一般会采用拉曼光谱作为确定碳化程度的工具。Duy等[50]通过调节激光能量密度对产生不同质量的激光诱导石墨烯所需的参数进行了探究。如
图 5. 扫描电镜图像与拉曼光谱[50]。（a）~（c）激光能量密度分别为4.4,4.9,5.5 J·cm-2时得到的产物的SEM图像,每幅SEM图像中的插图都是同一点的图像,插图的标尺为50 μm;(d)拉曼光谱随激光能量密度的变化
Fig. 5. SEM images and Raman spectra[50]. (a)-(c) SEM images of the products obtained when the laser energy density is 4.4, 4.9 and 5.5 J·cm-2, the insets in each SEM image are images of the same point, and the scale of each inset is 50 μm; (d) variation of Raman spectrum with laser energy density
由先前的工作可知,石墨烯的D峰对应缺陷散射的双共振拉曼过程[80],且G峰与D峰的强度之比（IG/ID）经常被用于表征激光诱导石墨烯的纯度[81],所以,在激光诱导石墨烯的加工过程中,激光功率与产物的质量呈正相关。然而,过高的功率也会对激光诱导石墨烯的结构造成损坏,Wang等[49]的工作证实了这一点。
2.3.3 对电导率的影响
由之前的讨论可知,不同的激光功率可以产生不同质量、不同形态的激光诱导石墨烯,这是因为不同的功率会在PI上产生不同的热效应。所以,当PI依附到不同的基底上时,相同的激光功率会因为基底热导率的差别而生成具有不同物理性质的激光诱导石墨烯。Wang等[49]对石墨烯电导率、加工功率以及基底材料之间的关系进行了研究,研究结果如
图 6. 加工在玻璃、PET和铝片基底上的激光诱导石墨烯的IG/ID[49]。（a）IG/ID与电阻率的关系;（b）IG/ID与功率的关系
Fig. 6. IG/ID of LIG processed on glass, PET and aluminum sheet substrates, respectively[49]. (a) Relationship between IG/ID with resistivity; (b) relationship between IG/ID and power
2.4 碳基材料转化为石墨烯
在激光诱导石墨烯发现的早期,只有很少的材料（如PI和聚醚酰亚胺[36]）被成功转化为激光诱导石墨烯。虽然一些其他种类的聚合物,如磺化聚醚醚酮、聚砜和聚醚砜也被报道称适用于激光诱导石墨烯的合成,但实际上这些聚合物与PI、聚醚酰亚胺具有相似的结构。受天然木材转化为激光诱导石墨烯的启发[82],Chyan等[54]开发了一种能够在大气环境条件下用CO2红外激光器将大多数含碳材料转化为激光诱导石墨烯的方法。早期制备激光诱导石墨烯的方法通常是利用聚焦激光进行单次烧蚀[36,55,64]。然而,Chyan等[54]发现,通过在衬底上使用聚焦激光进行多次激光照射,可以将很多种材料（如交联聚苯乙烯、环氧树脂和酚醛树脂）转化为激光诱导石墨烯。在这种方法中,第一次激光烧蚀会将碳前体转化为无定形碳,随后的烧蚀则进一步将无定形碳转变为石墨烯。此外,Chyan等[54]发现,将激光器进行散焦处理也可以获得相同的效果。这是因为激光光束的形状是圆锥形的,通过改变前体材料与焦平面之间的距离,就可以获得不同大小的光斑。对于同一位置来说,离焦光斑的重叠等同于产生了多次照射,如
图 7. 由不同碳前体生成的激光诱导石墨烯[54]。（a)将激光在衬底上进行散焦处理,以增加激光光斑的尺寸,从而对重叠区域进行多次曝光;分别在（b）椰子、(c)土豆、(d)面包和（e）布料上制备的不同图案的激光诱导石墨烯
Fig. 7. LIG from diverse carbon precursors[54]. (a) Defocusing the laser on the substrate to increase the size of the laser spot, thereby exposing the overlapping area multiple times; different patterns of LIG were prepared on (b) coconut, (c) potato, (d) bread and (e) cloth
3 激光诱导石墨烯的应用
传统二维石墨烯特殊的物理化学性质使其具有广阔的应用前景。然而,二维石墨烯制备工艺的复杂性以及高昂的制备成本使得基于二维石墨烯的器件开发具有很大挑战。激光诱导石墨烯的出现为石墨烯的功能化开辟了新途径,为制备基于图形化石墨烯的器件提供了一种可行途径。本节将对激光诱导石墨烯近年来在超级电容[84]、传感器[85-86]、自清洁过滤器[87]、摩擦电纳米发电机[88]以及太赫兹调制器件[49]上的应用进行介绍。
3.1 超级电容
为了满足便携式和可穿戴电子设备等现代微电子系统的需求,开发小型化的储能器件是非常必要的[89-92]。与微电池相比,微型超级电容器（MSCs）具有功率密度高、充放电速率快、可长期循环等优点[93-95]。传统的微型超级电容器是通过光刻或激光还原氧化石墨烯制备的[96]。
第一个基于激光诱导石墨烯的微型超级电容器是在环境大气中用CO2激光器于PI薄膜上直接写入交插指图案来制造的[84],其结构示意图如
图 8. 基于激光诱导石墨烯的超级电容器[84]。(a)微型超级电容器的结构示意图;(b)(c)采用串联和并联结构制造的超级电容器;（d)(e)电流密度为0.5 mA·cm-2时相应的充放电曲线
Fig. 8. Supercapacitor based on LIG[84]. (a) Schematic of micro-supercapacitors structure; (b)(c) supercapacitors manufactured using series and parallel structures; (d)(e) corresponding charge and discharge curves when the current density is 0.5 mA·cm-2
3.2 传感器
随着世界范围内研究人员的挖掘,各种各样基于激光诱导石墨烯或改性激光诱导石墨烯材料的传感器件已被开发出来[86,100-101]。利用激光诱导石墨烯制造各种传感器具有工艺简单且成本低的特点,与传统光刻方法相比具有明显优势。
3.2.1 声传感器
很多人由于疾病或意外事故而不能正常讲话,虽然研究人员已开发了一些相关技术来帮助他们以其他的方式进行表达,但这些技术比较复杂,而且产品比较昂贵,使得这些技术没有得到广泛应用。所以,研制一种简单易用且能将含意不清的声音转换成可控、准确的语言声音的人工喉咙具有重要意义。这意味着人工喉咙应该同时具有探测和发声的能力。然而,能够做到这一点的声学换能器通常工作在超声波范围内,并且具有很窄的带宽。Tao等[86]开发了一种可穿戴的低成本的激光诱导石墨烯人工喉咙,如
图 9. 激光诱导石墨烯在传感设备中的应用[86]。(a)佩戴激光诱导石墨烯人工喉咙的测试者;(b) 激光诱导石墨烯对连续两次咳嗽、哼唱、尖叫、吞咽和点头的测试者的喉咙振动产生响应
Fig. 9. Application of LIG in sensing equipment[86]. (a) Tester wearing LIG artificial throat; (b) LIG responds to the throat vibration of the tester who coughed, hummed, screamed, swallowed and nodded twice in a row
3.2.2 气体探测器
激光诱导石墨烯由于具有三维多孔结构和超高的比表面积,为气固相互作用提供了充足的表面位置,并且它可以非常方便、灵活地利用碳基材料进行制备,因此,激光诱导石墨烯是一种很有前途的气敏应用材料。Stanford等[85]提出的基于激光诱导石墨烯的气体参测器[如
图 10. 基于激光诱导石墨烯的气体探测器示意图[85]。（a）灵活柔软的LIG-PI气体探测器;（b）嵌入到水泥中的耐火气体探测器;（c）基于激光诱导石墨烯的气体探测器对不同种类的气体会产生不同的、快速的响应
Fig. 10. Schematic of LIG-based gas sensor[85]. (a) Flexible LIG-PI gas sensor; (b) refractory gas detector embedded in cement; (c) LIG-based gas detector produces different and fast responses to different types of gases
3.3 自清洁过滤器
通过空气、飞沫、气溶胶和颗粒物传播的病毒、细菌给患者和医护人员带来了很大的感染风险。目前生活中常用的的消毒方法,包括基于紫外C波段（UV-C）的系统,并不能破坏微生物死亡后遗留的许多副产物,如生物毒素等,它们会以持久性污染物的形式积累[105]。内毒素、外毒素和真菌毒素会引起人体的不良反应,如高烧、感染性休克、肺损伤、自身免疫性疾病,甚至死亡[106-109]。这些化合物很难去除,且具有高达250 ℃的热稳定性,其含量即使在皮摩尔浓度或纳克/每千克时也具有令人难以置信的危害。Stanford等[87]展示了一种由激光诱导石墨烯组成的自清洁过滤器,如
图 11. 细菌过滤以及通过焦耳加热进行灭菌的示意图[87]。(a)空气过滤示意图,激光诱导石墨烯过滤器被安装在带有聚醚砜（PES）测试过滤器的真空过滤系统上,图中标出了细菌和内毒素;(b)过滤和(c)焦耳加热杀菌示意图;(d)焦耳加热装置示意图,该装置通过对过滤器施加电压来进行焦耳加热;(e)加热至380 °C时的激光诱导石墨烯过滤器的红外图像,标尺为2 cm,激光诱导石墨烯滤波器的轮廓由黑色虚线表示
Fig. 11. Schematics of bacterial filtration and sterilization by Joule heating[87]. (a) Schematic of air filtration, the LIG filter is installed on a vacuum filtration system with PES test filter, and bacteria and endotoxins are marked in the figure; (b) schematics of filtration and (c) Joule heating sterilization; (d) schematic of a Joule heating device in which Joule heating is performed by applying a voltage to a filter; (e) infrared image of LIG filte
3.4 摩擦电纳米发电机
摩擦电纳米发电机（TENG）在将浪费的机械能转化为电能方面展示出了非凡的前景,它提供了一种利用摩擦电效应将机械能转化为电能的方法[110-113]。因为当两种材料相互接触时,由于材料的电负性、成分、环境条件和接触过程等因素的影响,电子可以从摩擦正极材料交换到摩擦负极材料上。到目前为止,通过贵金属真空镀膜技术已可将许多材料应用于摩擦电纳米发电机的电极上,但这种沉积镀膜技术的成本十分昂贵,所以它们通常被用在高端设备中。
PI是一种常见的摩擦负极材料,但是金属在PI上的附着力很差[114-115],这为加工带来了很大困难,因为摩擦电纳米发电机需要能够承受数千次机械弯曲而不能有明显的性能损失。由碳基摩擦电材料和激光诱导石墨烯组成的复合膜是一类具有广阔应用前景的耐久材料。Stanford等[88]采用激光诱导石墨烯复合材料设计制作了摩擦电纳米发电机,他们将PI[如
图 12. 基于激光诱导石墨烯复合材料的摩擦电纳米发电机[88]。(a)由LIG/PI双层复合材料组成的摩擦电纳米发电机的操作示意图;（b）由LIG/软木双层复合材料组成的摩擦电纳米发电机的操作示意图;(c)LIG/PI复合材料截面的扫描电镜图像;(d)LIG/PI复合材料的开路电压;(e)LIG/软木复合材料的横截面扫描电镜图像;(f)LIG/软木复合材料的开路电压
Fig. 12. Triboelectric nanogenerator based on LIG composite material[88]. (a) Operation diagram of triboelectric nanogenerator composed of LIG/PI double-layer composite material; (b) operation diagram of triboelectric nanogenerator composed of LIG/cork; (c) SEM image of the cross section of LIG/PI composite material; (d) open circuit voltage of LIG/PI composite material; (e) SEM image of the cross-section of LIG/cork composite; (f) open circuit voltage of
3.5 太赫兹调制器件
太赫兹（THz）波是指频率在0.1~10 THz范围内的电磁波,其在信息通信、医学和安全领域具有巨大优势,受到了研究人员的广泛关注[116]。但在这个频率范围内缺乏天然的材料[117],所以到目前为止THz技术仍然受制于体积庞大的光学元件。因此,人们提出了用于THz调制的人造结构,这种结构通常由金属天线阵列组成[118-123]。太赫兹波与金属中电子的相互作用,可以用来实现强度、相位和偏振的调制。然而,这种器件的加工需要光刻技术,从而增加了制造过程的复杂性和成本。激光诱导石墨烯的高电导率和易于图案化制作的特点使其成为一种潜在的THz应用材料。
虽然先前的研究表明石墨烯泡沫在微波和太赫兹波段是一种良好的吸波材料[124],但由于激光诱导石墨烯具有不同于传统石墨烯泡沫的更紧密、更清晰的层状结构,因此可以在太赫兹波段测得强烈的反射效果。这说明激光诱导石墨烯在这个波段具有良好的金属性。Wang等[49]利用激光诱导石墨烯制作了THz光栅和菲涅耳波带片（FZP）,如
图 13. 基于激光诱导石墨烯菲涅耳波带片（LIG-FZPs）在THz波段的成像实验[49]。(a)焦距为20 mm和5 mm的LIG-FZP样品;(b)未加激光诱导石墨烯样品时(仅玻璃衬底和PI)相距5 mm的平面上的THz场分布;(c)~(f)焦平面上的THz场分布,分别对应焦距为5,10,15,20 mm的菲涅耳波带片;(g)~(j) 焦平面上x轴方向的场强分布,分别对应焦距为5,10,15,20 mm的菲涅耳波带片
Fig. 13. THz imaging for LIG-FZPs[49]. (a) Photographs of LIG-FZPs with focal lengths of 20 mm and 5 mm; (b) measured THz field distribution on the plane with a distance of 5 mm from the sample without LIG (only glass substrate and PI); (c)-(f) measured THz field distributions on the focal plane, corresponding to the FZPs with focal lengths of 5, 10, 15, and 20 mm; (g)-(j) measured field-intensity distribution of the x axis on the focal plane, corr
4 结束语
本文总结了激光诱导石墨烯的发现过程。从最开始的一项基础材料学研究,到如今在众多领域源源不断的新应用,激光诱导石墨烯展示了其在解决现有技术局限性方面拥有巨大的潜力。相比于传统的湿化学方法,激光直写单步加工方法具有方便、快捷、成本低廉等优势,这对于商业化器件具有十分重要的意义。通过精密控制激光诱导石墨烯的孔隙率、组成、形状和导电性,激光诱导石墨烯的应用已从超级电容、传感器扩展到纳米发电机以及太赫兹器件等更广阔的领域。
未来,当激光诱导石墨烯与高精度激光加工技术相结合时,基于激光诱导石墨烯的超表面器件也是可能实现的。通过控制激光诱导石墨烯的形态以及加工方式,激光诱导石墨烯还可能在吸波材料等领域承担起重要角色。此外,电子产品是日常生活中不可缺少的,但电子垃圾的快速增长引起了人们对环境的关注[125]。用PI作为碳前体制备激光诱导石墨烯并没有缓解这些环境问题,因为PI具有很强的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性,很难回收。但是随着天然木材、棉花、纸张、纸板等材料被成功地转化为激光诱导石墨烯[54,82],从环境友好的碳前体中开发出可生物降解或生物兼容的电子产品是可预见的。激光诱导石墨烯为先进器件的制造开辟了一条切实可行的方案,预计会在不久的将来引发各个领域更广泛的应用。
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