一篇綜述帶你了解激光誘導(dǎo)石墨烯的最新進(jìn)展！

1成果簡介

激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）是一種新出現(xiàn)的三維多孔材料，當(dāng)激光束照射在某些碳材料上時(shí)產(chǎn)生。LIG表現(xiàn)出高孔隙率、優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的機(jī)械靈活性。預(yù)先設(shè)計(jì)的LIG圖案可以直接在各種碳材料上制造，其微觀結(jié)構(gòu)、表面特性、導(dǎo)電性、化學(xué)成分和雜原子摻雜都是可控的。這種選擇性的、低成本的、無化學(xué)成分的、無掩模的圖案技術(shù)最大限度地減少了原材料的使用，減少了對環(huán)境的影響，并實(shí)現(xiàn)了從學(xué)術(shù)到工業(yè)的廣泛的應(yīng)用。 本文，韓國科學(xué)技術(shù)院Young-Jin Kim等研究人員在《Adv. Funct. Mater》期刊發(fā)表名為“Recent Advances in Laser-Induced Graphene: Mechanism, Fabrication, Properties, and Applications in Flexible Electronics”的綜述，全面總結(jié)了3D多孔LIG的最新發(fā)展。首先介紹了LIG形成的機(jī)理，重點(diǎn)介紹了激光輻照過程中激光與材料的相互作用和材料的轉(zhuǎn)變。深入討論了激光類型、制造參數(shù)和激光環(huán)境對LIG結(jié)構(gòu)和性能的影響。還強(qiáng)調(diào)了LIG在先進(jìn)應(yīng)用中的潛力，包括生物傳感器、物理傳感器、超級電容器、電池、三電納米發(fā)電機(jī)等等。最后，討論了LIG研究的當(dāng)前挑戰(zhàn)和未來展望。

2圖文導(dǎo)讀

圖1、對3D多孔LIG的最新發(fā)展及其新興應(yīng)用進(jìn)行了全面而深入的回顧

2.1LIG形成的機(jī)理

LIG已成為近年來石墨烯研究最活躍的課題之一。因此，了解石墨烯形成的潛在機(jī)制對于制備石墨烯基器件具有重要意義。石墨烯形成的機(jī)理很大程度上取決于激光和碳前驅(qū)體的特性。脈沖持續(xù)時(shí)間和波長是顯著影響激光-材料相互作用的關(guān)鍵參數(shù)之一。大多數(shù)類型的激光器產(chǎn)生光熱效應(yīng)，即目標(biāo)材料吸收入射光子能量并將其轉(zhuǎn)換為熱能?？焖俚哪芰砍练e會(huì)產(chǎn)生極高的溫度，并觸發(fā)碳化、石墨化和剝落過程以形成 LIG。[值得注意的是，超短脈沖激光器可以誘導(dǎo)與碳前體的非線性相互作用，在環(huán)境空氣中產(chǎn)生任意石墨烯圖案。

圖2、芳香族聚合物的LIG圖示

2.2 LIG合成的激光器和制備參數(shù)

激光特別有利于熱處理，因?yàn)樗鼈兡軌蚩刂妻D(zhuǎn)移到高度局部區(qū)域的光子能量，從而產(chǎn)生快速加熱過程（加熱速率高達(dá)1000°C s?1）并精確調(diào)節(jié)產(chǎn)生的溫度。在LIG制造中，緊密聚焦的激光束可以在目標(biāo)材料上感應(yīng)出極高的溫度，足以破壞化學(xué)鍵并將碳原子重新排列成石墨烯。同時(shí)，氣體產(chǎn)物的瞬時(shí)產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生高壓環(huán)境，有助于形成具有多孔結(jié)構(gòu)的LIG。在本節(jié)中，總結(jié)了LIG制造中使用的不同類型的激光器。此外，還討論了關(guān)鍵激光參數(shù)的影響，為高效生產(chǎn)具有所需結(jié)構(gòu)和性能的LIG提供有用的信息。

2.3 LIG的制造和改性

石墨烯基材料的制備和改性是材料科學(xué)的重要課題。基于易于調(diào)整的加工參數(shù)，在激光照射下可以生產(chǎn)出具有可控表面形貌、表面性能、化學(xué)成分和電性能的 LIG。LIG制造過程中的雜原子摻雜顯著提高了基于LIG的器件的性能。LIG與各種材料的結(jié)合造就了具有先進(jìn)功能的LIG雜化和復(fù)合材料。特別是，控制這些特征的空間變化的獨(dú)特能力對于各種應(yīng)用非常有前景。

圖3、表面形貌圖示

2.4 應(yīng)用

2.4.1生物傳感器

大表面積、高電子密度和光學(xué)透明度的獨(dú)特特性使LIG成為生物傳感應(yīng)用的有前途的候選者。LIG材料制造的進(jìn)步，以及它們的低成本和將LIG傳感元件集成到小型化設(shè)備中的可能性，使幾種類型的生物傳感和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用得以開發(fā)。LIG 生物傳感器的常見配置包括薄膜晶體管、阻抗、電化學(xué)和熒光。通常，LIG生物傳感器由兩個(gè)主要元件組成：受體層和轉(zhuǎn)導(dǎo)層。受體層，也稱為生物分子，提供與目標(biāo)分析物或一組分析物的特定化學(xué)相互作用/結(jié)合，允許選擇性生物傳感。轉(zhuǎn)導(dǎo)元件是LIG層，它將化學(xué)信息/相互作用轉(zhuǎn)換為可測量的參數(shù)，例如阻抗，電勢或光學(xué)強(qiáng)度。LIG生物傳感器用于檢測酶材料、脫氧核糖核酸（DNA）/核糖核酸（RNA）和免疫傳感，重點(diǎn)是即時(shí)分析和疾病的早期檢測，這可以提高生活質(zhì)量。

圖4.生物場效應(yīng)晶體管。

2.4.2 物理傳感器

物理變量（例如壓力、應(yīng)變、溫度和濕度）的實(shí)時(shí)監(jiān)控在許多高級應(yīng)用中至關(guān)重要，例如機(jī)器人、電子皮膚、醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)。因此，石墨烯傳感器因其能夠測量廣泛的物理變量而受到廣泛關(guān)注，具有良好的靈敏度，寬檢測范圍，快速響應(yīng)時(shí)間，機(jī)械堅(jiān)固性和長期穩(wěn)定性，由于石墨烯的優(yōu)越性能。然而，石墨烯合成的困難是石墨烯傳感器大規(guī)模生產(chǎn)的主要障礙。在過去的幾年中，3D多孔LIG的發(fā)現(xiàn)為高性能物理傳感器的簡單，高效和低成本制造開辟了新的途徑。在本節(jié)中，總結(jié)了最近報(bào)道的柔性物理傳感器，其中LIG被用作主要功能材料。

圖5、基于 LIG 的柔性物理傳感器。

2.5 儲(chǔ)能與發(fā)電裝置

柔性能源設(shè)備，如SC、電池和納米發(fā)電機(jī)，需要具有高導(dǎo)電性、機(jī)械柔韌性和熱/化學(xué)穩(wěn)定性的薄膜電極。在這方面，通過各種碳基板的激光加工獲得的LIG保證了具有高結(jié)晶度，分層孔隙率，高表面積以及與基板良好界面的3D多孔電極。在儲(chǔ)能設(shè)備（例如SC和電池）中，通過在金屬集電器上涂覆由活性材料，粘合劑和導(dǎo)電劑組成的電極漿料來制造常規(guī)電極?；贚IG的電極不需要粘合劑和導(dǎo)電劑，這簡化了制造過程，減少了化學(xué)廢物，并提高了機(jī)械強(qiáng)度。在以TENG為代表的納米發(fā)電機(jī)中，薄膜電極充當(dāng)導(dǎo)電通道，以移動(dòng)由活性介電材料之間相互作用產(chǎn)生的電荷。因此，必須降低介電材料與電極之間的界面電阻，其中在激光照射下在碳基板上直接形成LIG電極提供了優(yōu)異的鍵合特性。因此，通過定制LIG的物理、化學(xué)和電氣特性，可以輕松制造用于柔性能源器件的高性能電極。在本節(jié)中，總結(jié)了LIG電極在柔性SC，電池和TENG中的制備和應(yīng)用。

圖6、使用木質(zhì)素作為低成本前體的激光光刻工藝流程及性能圖示

圖7、用于電池的基于 LIG 的電極。

2.6其他應(yīng)用

2.6.1 化學(xué)傳感器

基于LIG的傳感器廣泛用于檢測化學(xué)品并量化其濃度。LIG多孔網(wǎng)絡(luò)中的大表面積為表面化學(xué)反應(yīng)提供了更多的活性位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間。已經(jīng)開發(fā)了各種類型的基于LIG的化學(xué)傳感器來檢測各種化學(xué)品。

2.6.2 氣體傳感器

基于LIG的傳感器可用于檢測各種氣體并提供必要的環(huán)境信息。LIG具有在柔軟和低成本基板上制造的能力，為可拉伸的可穿戴氣體傳感網(wǎng)絡(luò)開辟了有希望的道路，該網(wǎng)絡(luò)可以檢測人體產(chǎn)生的氣態(tài)生物標(biāo)志物以及其他環(huán)境危害。

2.6.3 光電探測器

光電探測器在廣泛的應(yīng)用中非常重要，包括光通信、光譜儀和熒光顯微鏡。傳統(tǒng)的光電探測器體積龐大、易碎且價(jià)格昂貴，這限制了它們在可穿戴應(yīng)用中的使用。

2.6.4 電熱致動(dòng)器

電熱致動(dòng)器可以根據(jù)熱雙晶片效應(yīng)改變其形狀。在對齊的LIG圖案在PI薄膜上制造，并夾在聚偏氟乙烯（PVDF）層和PI薄膜之間，形成PVDF/LIG/PI（PLP）致動(dòng)器。PVDF作為活性層，因?yàn)樗臒崤蛎浵禂?shù)比PI大得多。此外，PLP致動(dòng)器可以將光轉(zhuǎn)換為熱能以擴(kuò)展PVDF層，從而賦予自變形致動(dòng)器。

2.6.5熱聲換能器

由于其高導(dǎo)電性、低熱容量和高導(dǎo)熱性，LIG是熱聲換能器的絕佳材料。

3小結(jié)

本文綜述了LIG研究從基礎(chǔ)到應(yīng)用的研究進(jìn)展。直接激光制備已被證明是一種簡單有效的方法，可以在惡劣條件下低成本和可擴(kuò)展地生產(chǎn)復(fù)雜的石墨烯電極，無需掩模。LIG繼承了石墨烯的優(yōu)異性能，但其獨(dú)特的優(yōu)勢、可控的性能和易于生產(chǎn)，推動(dòng)了其向眾多應(yīng)用的過渡。迄今為止，已經(jīng)報(bào)道了各種基于LIG的高性能傳感器和能量設(shè)備。

從應(yīng)用的角度來看，作者預(yù)計(jì)在不久的將來會(huì)開發(fā)出更多基于LIG的多功能設(shè)備。此外，將針對一步制造的便攜式/可穿戴電子產(chǎn)品實(shí)施包含所有LIG組件（例如傳感器，SC和TENG）的集成系統(tǒng)。目前，基于全LIG的集成系統(tǒng)實(shí)施和商業(yè)化的主要障礙是能量收集裝置仍然無法產(chǎn)生足夠的能量來長時(shí)間連續(xù)運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)。因此，基于高效和多刺激LIG的能量收集器件、無線電力傳輸器件和低能耗的小型化電子設(shè)備對于未來基于LIG的集成系統(tǒng)的發(fā)展是必要的。此外，盡管許多基于LIG的設(shè)備已經(jīng)證明了其可行性和可靠性，但需要長期運(yùn)行和穩(wěn)定的性能，而不是在實(shí)驗(yàn)室中，以證明其實(shí)際用途。最后，應(yīng)仔細(xì)評估吸入LIG顆粒的可能性及其在人體細(xì)胞/組織中的毒性，以用于可穿戴和植入式應(yīng)用。

考慮到該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段并且正在迅速發(fā)展，因此在材料、性能和應(yīng)用方面有很大的進(jìn)一步發(fā)展空間。近年來，已經(jīng)預(yù)見到LIG從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)移。LIG研究的成就旨在為可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)鋪平道路。

文獻(xiàn)：

https://doi.org/10.1002/adfm.202270276

審核編輯 ：李倩