单层石墨烯的可逆图案化，采用简单的化学方法

在《The Journal of Physical Chemistry Letters》上发表的一篇论文中，利用几种光学方法与激光直接书写技术相结合，在空间分辨率约为300nm的石墨烯画布上光写和擦除明确定义的化学图案。

研究：全光学和单色可重写化学图案在水下原始石墨烯上。 图片来源：Forance/Shutterstock.com

石墨烯的特性

石墨烯作为一种令人兴奋的二维物质，被广泛用于各种用途，包括电气应用，（光）电子设备和高频设备，以及能量存储和生物设备。这是由于其极薄的结构，出色的机械耐用性和弹性，耐热性，强大的界面电子迁移率，卓越的光学特征和带隙工程适应性。

在扩大石墨烯中的带隙和改变其特殊特性方面的关键作用是通过引入sp来发挥的³-型故障，也称为化学/功能缺陷。

石墨烯的化学，光电子和电学性质可以通过空间分布功能化以特定地点的方式进行定制。这样就可以定制亲水性和润湿性，催化或光电作用，分子附着和电子介电常数，仅举几例。因此，正在创建更先进的方法，用于空间精确的化学功能化和随后在石墨烯片上进行化学图案化。

以前用于化学模式的方法

如果满足特定情况，则sp³-石墨烯单层上的类型缺陷可能转化为sp²碳，而不是其他形式的问题，如空隙，边界和角落缺陷。

石墨烯单层的化学图案化已经在之前的几项研究中有所描述。化学合成的石墨烯的连续脱功能化为石墨烯上的数据的双向调谐提供了一种不同的方法，这在以前是不可用的。然而，在大多数情况下，石墨烯单层上分子缺陷的热和化学修复仅以随机和不受控制的方式进行。

激光直接写入方法与激光诱导的热功能丧失相结合，已被用于在位置上对化学生产的氧化石墨烯层进行去功能化。

到目前为止，还没有这样的全光学技术被记录下来。通过满足结构石墨烯结构的可重写和灵活设计的特殊要求，这种全光学方法可能会开辟新的高级功能。

全光学方法的优势

本文结合激光直写技术，描述了一种采用单色激光诱导光功能化/去功能化的石墨烯单层可重写化学图案化的全光学方法。

在石墨烯单层的简单光功能化方面已经进行了一些先前的工作，这是一种有前途的技术。光氧化是由激光诱导的带正电荷的离子与sp的反应引起的²石墨烯中的碳原子由于电子的强烈激发。

这个简单的过程不需要添加剂或化学试剂，只需要水。在这方面，在水分存在下的光氧化是纯净的，对生态有益的，并且适合于参与的个体。光氧化对于石墨烯化学功能化的空间控制也是廉价的，适应性强且耐人寻味。

通过以分散受限的空间精度将激光精确地集中在任何首选位置的水接触上，在纳米尺度上实现了纯石墨烯上的任意化学图案化。随后使用拉曼映射观察所创建的化学序列，具有类似的刺激光束，但激光强度降低了十倍。

研究成果

本研究提出了一种单层石墨烯化学可逆图案化的简单方法。石墨烯可以通过使用短波长视觉CW激光烧蚀有效快速地氧化。

这是通过将传导电子从石墨烯传递到溶解在水中的氧化剂来实现的。还证明，通过加热同时影响相同点火激光器的强度，该光氧化区域可以选择性地恢复为纯石墨烯。

耦合光氧化和激光直接书写方法允许在石墨烯画布上创建化学功能化图案。这些结构的焦距（300nm）由激光聚焦点大小决定。使用相同的照明激光器进行拉曼测绘，以找出刻在石墨烯画布上的化学设计。

本研究中描述的方法使该领域的人们能够以空间分布的方式准确地调整化学功能化，为石墨烯特性的生产定制的进一步发展铺平了道路。

参考

Toyouchi, S., Wolf, M., Feng, G., Fujita, Y., & Uji-i, H. (2022). All-Optical and One-Color Rewritable Chemical Patterning on Pristine Graphene under Water. The Journal of Physical Chemistry Letters. Available at: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c00446