成果简介
氧化石墨烯和贵金属纳米颗粒的混合物已广泛应用于柔性多功能传感器。飞秒激光被认为是通过直接刻蚀制造传感器的有用工具。通常，通过调节激光功率来优化传感性能。然而，激光与样品之间的过程可以通过脉冲的时间分布和激光波长来有效改变。本文，北京理工大学王素梅 教授、王猛猛 教授等研究人员在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Controllable Photoreduction of Graphene Oxide/Gold Composite Using a Shaped Femtosecond Laser for Multifunctional Sensors”的论文，研究提出了一种利用成形飞秒激光对氧化石墨烯/金复合材料进行可控光还原的方法，并将其应用于多功能传感器。
与光诱导过程对激光能量的强烈依赖不同，飞秒激光整形扩大了光诱导程度的可控范围。将光通量、时间分布、激光波长、湿度和应变等参数结合起来，就能通过控制激光还原度来优化多功能传感器。应变传感器在 28.2% 的应变范围内表现出良好的线性，测量系数达到 67.2；湿度传感器的灵敏度提高了 68.4%。湿度传感器在 28 天后仍能保持性能，应变传感器在拉伸 5000 次后仍能保持稳定。该多功能传感器可用于检测人体呼吸和脉搏，在人体健康监测方面具有重要价值。
图文导读
图1.多功能传感器的制造示意图。
图2:传感器样品的（a–c）C1s和（d–f）Au 4f XPS峰：（a，d）未处理；（b，e）使用0.477J/cm2飞秒激光进行还原；（c，f）使用0.716J/cm2飞秒激光还原。
图3.时间频率整形激光器的可控性
图4.飞秒激光制造的湿度传感器在不同制造条件下的灵敏度和响应时间变化
图5.湿度传感器性能和应用测试
图6.多功能传感器独立测试
小结
本文分析了 GO 和 HAuCl4 光还原过程中的自发氧化还原反应、激光诱导光还原和局部表面等离子体共振增强光还原过程，发现光还原过程对激光通量有很强的线性依赖性。因此，诱导时频飞秒激光来控制 GO 和 HAuCl4 的光致还原过程。由于改变了电子激发、电子密度分布和化学键断裂，时频脉冲能有效控制 GO 的还原，而对 HAuCl4 的还原没有明显影响。由于改变了光吸收和 LSPR 效应，频率形飞秒脉冲能有效控制 HAuCl4 的光还原。时间和频率整形的结合可以扩大光致还原度的可控范围。
通过控制 HAuCl4 和 GO 的激光还原度，可以优化湿度和应变多功能传感器。湿度传感器是在 0.477 J/cm2 的通量下用双脉冲制造的，脉冲间延迟为 1 ps，波长为 515 nm。CC/CO 比率优化为 1.6，而 Au0/Au3+ 比率从 0.31 增加到 8.47。湿度传感器的灵敏度提高了 68.4%，响应时间缩短了 72.3%。应变传感器是在 0.716 J/cm2 的通量下，利用 515 nm 波长、2 ps 脉冲间延迟的双脉冲序列制造的。CC/CO 比率优化为 2.2，而 Au0/Au3+ 比率则从 10.76 升至 18.26。应变传感器在 28.2% 的应变范围内表现出良好的线性度，测量系数为 67.2。湿度-应变多功能传感器被用于检测人体呼吸和脉搏，结果符合典型的人体特征。该传感器的制作方法还可应用于不同的基底和不同的传感器功能。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.3c10511
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