清華&吉大&北大Adv. Mater.綜述：石墨烯基柔性電子器件的激光制造

【引言】

石墨烯憑借出色的柔韌性、透明性、導電性和機械強度，已經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、多級結構化、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）。石墨烯廣泛應用于多種電子器件制備，如發電機、超級電容器、光電器件、傳感器和驅動器等。

【成果簡介】

近日，在清華大學尤政院士和吉林大學張永來教授、韓冬冬博士團隊（通訊作者）帶領下，與北京大學尤睿博士（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展。全文總結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。概述基于典型激光制備的多種石墨烯柔性電子器件。全面綜述利用連續激光和脈沖激光加工GO、化學氣相沉積（CVD）生長的石墨烯和激光誘導石墨烯。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，多級結構，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展做出巨大貢獻。總結利用激光制備的典型柔性電子器件，如：發電機、超級電容器、傳感器、光電子器件、驅動器和智能集成器件等。最后，對當前面臨的挑戰和未來的研究方向進行展望。相關成果以題為“Laser Fabrication of Graphene-Based Flexible Electronics”發表在了Advanced Materials上。

【圖文導讀】

圖1 激光加工石墨烯及其衍生物在開發石墨烯基柔性電子器件方面的工作進展

圖2 激光還原GO

a）GO的吸收光譜。?

b）激光光化學還原GO的示意圖，AFM圖像，實物照片（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中對應的SEM和AFM圖。?

e）LIG制備示意圖（左）。實物照片（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的蜘蛛網和吉林大學校徽圖案。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多級結構的石墨烯

a）LRGO多孔結構的SEM圖像。

b）LIG多孔結構的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）通過激光干涉技術獲得的LRGO光柵結構示意圖。?

d，e）1維和2維光柵狀結構LRGO的SEM圖像。?

f）1維和2維光柵結構LRGO用于光衍射演示。

g）通過CVD方法制備的多級結構石墨烯。?

h）多級結構石墨烯的結構顏色。

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通道的器件結構。?

c）GO和N摻雜LRGO的XPS譜圖。?

d）N摻雜LRGO FETs的轉移特性曲線。?

e）氟化石墨烯。?

f）氟化前后石墨烯器件的性能對比。

圖7 石墨烯發電機

a）濕度-電轉換器件的示意圖。?

b，c）濕度-電轉換器件的性能曲線。?

d）使用濕度-電轉換器件制備的書寫板。?

e）可拉伸的濕度-電轉換器件。?

f）壓力發電機的示意圖。?

g）并聯壓力發電機的實物照片。?

h）短路電流曲線。

圖8 石墨烯超級電容器

a，b）a）面內和b）三明治結構超級電容器的示意圖。?

c）柔性LRGO超級電容器器件結構示意圖與實物照片。?

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 石墨烯應變和壓力傳感器

a）應變傳感器的相對電阻變化與拉伸形變的關系。?

b，c）應變傳感器的b）頻率和c）拉伸2%的循環特性。

d-h）應變傳感器用于d）手指彎曲，e-g）呼吸，h）脈搏檢測。?

i-k）LRGO壓力傳感器的i）器件結構，j）傳感機制，k）電導與壓力關系。

圖10 石墨烯生物傳感器

a）利用LIG生物傳感器監測EEG、ECG和EMG信號的示意圖。?

b）彈性體海綿基底和LIG生物傳感器的實物照片和SEM圖像。

c-e）生物傳感器記錄的c）α節律，d）ECG，e）EMG信號。

圖11 石墨烯換能驅動器

a）離子驅動器的工作原理示意圖。?

b）具有EMI-BF₄電解質的IPGC和IPMC驅動器的耐用性。?

c）電熱驅動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）人工喉嚨的工作機制。

b）人工喉嚨的實物照片。比例尺：1?cm。?

c）人工喉嚨檢測和轉換微弱振動。?

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

【小結】

石墨烯具有優異的柔韌性、導電性、透明性、機械強度和可控導電性，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、加工和應用得到長足的發展，推動石墨烯材料在電子器件中的應用。在柔性石墨烯基電子器件的發展中，激光制造技術發揮非常重要的作用，如：可編程的圖案設計、多級結構、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有如下優點。第一，可以實現無掩模和無化學圖案化。第二，激光處理可以制備微納多級結構。第三，通過調整含氧官能團的含量，調控電學性能。第四，激光還原用于雜原子摻雜。因此，激光還原GO是一個制備柔性電子器件有前景的技術。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。此外，激光輔助蝕刻和沖擊可以促進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。利用激光直寫技術，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，已廣泛應用于多種柔性電子器件的開發。通過激光加工技術，多種石墨烯基柔性電子器件得到開發，如發電機、超級電容器、光電器件、傳感器和驅動器等。

石墨烯的激光加工仍然存在一些局限性。激光直寫技術制造效率較低，在實際應用中，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，并恢復LRGO的導電性。但是，在劇烈的脫氧過程中，sp²碳平面被破壞，產生許多缺陷。對于LIG，與單層平滑的石墨烯相比，形成的LIG具有多孔結構。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。隨著激光加工技術和石墨烯制備方法的快速發展，將會有更多的石墨烯基電子器件通過激光加工技術制備出來。隨著這一領域的不斷發展，激光制備石墨烯電子器件將具有廣闊的應用前景。

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

本文由木文韜翻譯，吉林大學韓冬冬博士修正供稿，材料牛整理編輯。

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