Small Methods: 紫外激光致聚酰亚胺-石墨烯的转变：模拟、加工及应用

在过去的十年，石墨烯不论是在基础理论研究还是实际应用中都展示出了非比寻常的价值。但是，尽管有大量的研究致力于探索低温、无化学试剂制备高质量石墨烯的方法，但是直接在基底上加工出石墨烯的经济可行地的途径仍然亟待突破。

激光致石墨烯（Laser-induced graphene，LIG）是近年来发展的一种直接在富碳材料上加工石墨烯的新方法。该方法避免了使用昂贵的化学前驱体，可以快速地在目标基底上一次成型加工出石墨烯，极大地简化了加工步骤、降低了加工成本，具有极大的发展前景。但是，其加工机理仍不够清晰，且由于采用CO₂激光器波长过长，严重制约了所加工的石墨烯质量及所形成的图案的加工精度。

广东工业大学精密电子制造技术与装备国家重点实验室陈新教授团队联合香港中文大学汪正平院士/赵铌教授团队组建课题组，通过理论预测与实验相结合，系统地研究了激光致石墨烯加工过程中的光与物质之间的相互作用，采用短波长的皮秒紫外激光，成功地在工业上常见的聚酰亚胺薄膜上加工出高质量的石墨烯及其图案，极大地提高了石墨烯的质量及图案化精度。首先，课题组开发了激光致石墨烯的反应分子动力学模型，研究了激光致石墨烯的瞬态转变过程，揭示了控制石墨烯转变过程及其影响石墨烯质量的相关规律，发现：温度及保温时间是主导激光致石墨烯转变过程的最关键因素；通过多次激光扫描可提高石墨烯的加工质量，但是加热和冷却速率对石墨烯的质量影响不大。基于理论预测，课题组开发了皮秒紫外激光加工装备，在常温、常压、无惰性气体保护的情况下，成功地在聚酰亚胺薄膜上加工出高质量石墨烯。通过系统地研究激光加工参数对石墨烯质量/层数的影响规律，优化了相关工艺参数，获得了高质量激光致石墨烯及其图案的系统解决方案。为了展示所加工的图案化石墨烯应用前景，首次开发了基于图案化激光致石墨烯的接近传感器。所开发的接近传感器响应/恢复时间仅为0.34秒和0.23秒，且经过大曲率弯折、大量测试后，仍能保持高度不变性，表现出极高地稳定性。与所报道的基于还原氧化石墨烯的接近传感器相比，所开发的激光致石墨烯接近传感器有更大的感应距离(50 mm)、更好的线性度(~0.99)和更高的灵敏度(0.2083 V/mm)。

本文中的理论模型和所开发的激光致石墨烯加工装备与工艺，将为加工和研究高质量图案化石墨烯提供新途径，也将为工业上批量生产各种石墨烯器件提供了一种经济可行的加工方法。研究成果发表在Wiley出版社旗下Small Methods上（DOI: 10.1002/smtd.201900208）。广东工业大学陈云副教授为论文第一作者。该工作得到了国家自然基金、香江学者计划、广东省自然基金/重大研究计划、广州科创委和香港研究计划的支持。