石墨烯具有优良的电学和光学性能，被认为是发展光/电子器件的一种极具竞争力的材料。同时，高精度、反应速度快、可操作性强的激光加工技术被广泛用于快速、简便地制备功能化石墨烯及其相关器件。特别地，它实现了先进石墨烯光电器件的理想性能调控、可编程结构设计、微纳加工和大规模集成，极大地促进了多尺度、多维度电子器件制造技术的发展。
近日，清华大学曲良体教授/北理工赵扬特别研究员团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“Laser-Based Growth and Treatment of Graphene for Advanced Photo- and Electro-Related Device Applications”的综述文章（DOI: 10.1002/adfm.202203164），北京理工大学机械与车辆学院姜澜教授和李欣教授对本文给予了重要的建议和指导。该篇文章对激光制备和处理功能化石墨烯的相互作用原理和加工策略，特别是光学和电学性能的调控进行了全面的介绍。对包括电能存储器件、发电机、传感器、驱动器、光电探测器、光热器件、光伏器件等先进光/电相关器件的最新进展和报告进行了分类和总结。总的来说，这篇综述可以为蓬勃发展的石墨烯光电产业提供积极而有意义的指导。
图1. 基于激光加工的石墨烯及其光/电相关器件示意图。
图2. 石墨烯的激光辅助合成策略示意图。
目前，石墨烯的制备方法已经取得了长足的发展，常见的如机械或化学剥离法、化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）、和氧化石墨烯还原（GO）等，但这些制备技术存在效率低、尺寸不可控、成本高、工艺复杂等不足，仍不能满足工业化的生产要求。此外，化学剥离石墨烯的二维晶格经常被过度修饰，从而削弱了其相关器件的性能。幸运的是，新兴的激光加工技术可以在不同介质（真空、气体、液体）下轻松地将碳源转化为石墨烯，具有快速、灵活和高空间分辨率的优势，为大规模、高质量生产石墨烯提供了可能。目前报道的激光辅助石墨烯生长和处理方法主要分为以下四类：激光剥落或烧蚀、激光辅助化学气相沉积（LCVD）、激光直写和激光辅助外延生长。
图3. 激光调节石墨烯的光学和电学特性示意图。
激光辅助的光学和电学性能调谐是发展先进的石墨烯光电器件的关键，包括脱氧、掺杂、带隙剪裁和复合结构构建等策略。在适当功率和脉冲的激光照射下，靶面通常涉及潜在的光热和光化学过程，如化学键断裂、原子重排、官能团修饰等，从而提高目标产物的电导率和光学利用率。不同于化学处理周期长、反应条件苛刻的传统化学处理方法，该方法具有简单、高效、高精度、可操作性强等优点，在石墨烯基器件的制备和优化中发挥着重要作用。
图4. 激光处理石墨烯的光电器件应用。
如上所述，激光技术在通过多种处理方式协助石墨烯快速制备和物理性能改善方面具有较深的造诣，因而其在石墨烯基电子器件制造方面也显示出了潜在的优势。同时，激光加工系统具有出色的可操作性和普适性，可实现石墨烯器件从一维到三维的可编程设计和大规模集成。更重要的是，非接触加工方式可以严格保证石墨烯基板的清洁度和稳定性，无需复杂的化学环境，适合高质量、绿色、无损的器件制造。在此基础上，激光加工石墨烯基光/电相关器件的研究进展和优势被系统地总结。
此外，协调石墨烯的形成和性能调控策略对于合理设计和开发功能化石墨烯器件至关重要。除了激光辅助的生长和处理石墨烯外，石墨烯基纤维、薄膜、泡沫或分散体的光学和电学性能也可以通过激光辅助的脱氧、掺杂、带隙调谐和异质结构构建来控制。值得注意的是，所有功能化处理都只需通过改变激光处理系统的参数来实现，而无需额外的化学试剂和极端反应条件的参与。该技术在实现石墨烯可控原位合成、优化和结构设计的基础上，还展示出了石墨烯柔性、环保、通用性强的光电器件制造特点。特别地，激光波长与加工目标之间的合理匹配是获得理想器件的关键。由于光束的输出功率大，光热腐蚀小，紫外光源激光在高精度、小尺寸的微纳器件雕刻切割方面具有绝对优势。相反，光热效果好的红外激光器（如CO2激光器）可以在材料表面诱导许多光热/化学反应，适合于器件的增材制造。但由于红外激光的热效应不可控，加工区域周围容易发生碳化或烧蚀，导致加工分辨率较低。
综上所述，我们系统总结了激光处理石墨烯在光/电相关器件领域的发展，并结合实际生产情况合理分析了该领域面临的挑战和不足。总之，本文将石墨烯产业的发展与激光技术有机地联系起来，旨在为激光处理石墨烯产业的发展以及相关领域的研究者提供最前沿的参考。
原文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202203164
作者简介
曲良体，清华大学化学系教授，教育部长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者，“万人计划”科技创新领军人才。团队近年来围绕功能结构与材料制备、先进能源器件、激光微纳制造等方面开展研究，在Science, Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引近万次，单篇论文最高他引2500余次。受邀请在Nature Reviews Materials、Accounts of Chemical Research、Chemical Reviews等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利30余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。主持科技部重点研发计划、国家基金委项目等多项。
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