北京理工大学郭晓岗副教授团队：激光诱导石墨烯柔性电子器件 | MDPI Biosensors

引言

激光诱导石墨烯 (Laser-Induced Graphene, LIG) 技术在2014年由J. Tour课题组首次提出，无需掩膜和特殊气氛条件，可在PI薄膜上高效制备定制化可导电石墨烯二维图案。在柔性可穿戴电子器件和生物传感器领域具有显著潜力。北京理工大学郭晓岗副教授团队通过对LIG制备和应用的介绍，综述了基于LIG技术的柔性电子器件最新进展，并将研究成果发表于Biosensors 期刊。

LIG的制备

通过红外、紫外和可见激光都可以成功制备LIG。其中，红外激光产生的局部高温可使PI中的C-O、C=O和N-C键断裂重组形成C-C键；紫外激光则是通过光化学反应直接打断化学键实现C-C键的重组；可见激光则兼有上述两种机理。目前已经在多种基底实现了LIG器件的制备 (图1)。

图1. 不同基底上制备LIG。(a) 聚酰亚胺；(b) 芳纶纤维；(c) 纸张；(d) 椰子壳；(e) 木材；(f) 酚醛薄膜；(g) PET/铝纳米颗粒复合材料；(h) 聚酰亚胺纸。

LIG的应用

LIG的良好导电性、多孔结构、可调控疏水性等特点可用于设计多种电阻式传感器、电容式传感器、电生理传感器、电池和超级电容器。独特的焦耳热和光热性能，让LIG具有作为加热器和驱动器的潜力。

将LIG从PI基底转移到可拉伸基底 (如PDMS) 上，将显著扩大传感器能承受的应变范围。图2a、b分别利用硅胶和硅胶海绵转印LIG制备了防水、透气应变传感器。图2c中的高灵敏度LIG人工喉，可以满足对声带微小振动的监测。此外，在LIG人工喉两端加载交流电可以产生周期性焦耳热，致使空气震动而产生声波。图2d是将LIG用于玻璃纤维监测疲劳损伤的装置示意图。卷对卷工艺制备的层压LIG复合材料可用于如图2e所示的穿刺传感阵列。图2f和图2g分别展示了电容式和电阻式LIG压力传感器。图2h中，安装在手指关节处的LIG传感器可以反馈手指当前的运动状态。图2i中，传感器向LIG一侧弯曲，LIG发生压缩，微结构的接触使电阻降低。反向弯曲时，LIG微观导电通路断开，导致电阻增大。因此，该传感器可以用于测量流速和流向。

图2. 基于LIG的力学传感器。(a) 防水LIG应变传感器；(b) 透气LIG应变传感器；(c) LIG人工喉；(d) 嵌入LIG的玻璃纤维疲劳传感系统；(e) 层压式LIG穿刺传感阵列；(f、g) 电容式和电阻式LIG压力传感器；(h) LIG曲率传感器用于手势识别；(i) LIG流速传感器。

LIG电化学传感器可用于检测有机物 (如葡萄糖、多巴胺) 和无机物 (如NO₂) 含量。图3a展示了LIG传感器对用餐前后血糖和汗糖浓度的检测结果。多巴胺是一种神经递质，是临床诊断的关键因素之一。图3b中，LIG微电极经杂原子处理，展现出良好的多巴胺传感性能。图3c对比了红外和紫外激光制备的LIG多巴胺传感器性能，说明红外诱导LIG有利于提高传感器灵敏度，而紫外诱导则利于器件的小型化。图3d、e所示的NO₂传感器在LIG加热作用下有效提高了灵敏度和线性响应。

图3. LIG电化学传感器。(a) LIG葡萄糖传感器；(b) 杂原子掺杂的LIG多巴胺传感器；(c) 红外和紫外激光诱导的LIG多巴胺传感器；(d、e) 含LIG加热器的NO₂传感器。

图4展示了LIG电生理传感器，它们可以贴附在人体的不同部位，记录相应的电生理信号。如图4a所示的肌电电极是LIG嵌入医用级聚氨酯中制成的。该电极可在志愿者前臂上稳定工作72小时，且不影响正常生活。图4b展示了LIG肌电传感器对LIG驱动器的远程控制。图4c通过对LIG电极和商用电极测得心电信号的对比，证明了LIG电极可以满足实际应用。

图4. LIG电生理传感器。(a) 具有长期监测能力的LIG肌电传感器；(b) LIG肌电传感器对多模态LIG驱动器的控制；(c) LIG心电传感器。

总结和展望

目前，大部分LIG器件仍处于实验室测试阶段。在LIG本身和配套技术方面开展深入研究是十分必要的。例如，通过改进激光设备，制备更高分辨率的LIG图案。当前的研究主要集中在均匀LIG结构上，通过编程控制制备参数，获得能够满足某些特定要求的模块化非均质LIG图案。高集成度、无线传输和图像化显示界面是LIG器件的发展趋势。

原文出自Biosensors 期刊

Hao Wang et al. Laser-Induced Graphene Based Flexible Electronic Devices. Biosensors 2022, 12(2), 55