成果简介
激光诱导石墨烯（LIG）是一种极具前景的技术，可用于组装具有微型化表面图案的薄膜电子器件，但难以同时保证原材料的高质量形成和特征尺寸的高分辨率。本文，北京航空航天大学罗斯达教授团队在《Carbon》期刊发表名为“Combined Laser-induced Graphene and Microcontact Printing for Processing Scalable and Stackable Micro-stripe Patterns toward Multifunctional Electronic Devices”的论文，研究创造性地将微接触印刷（μCP）和LIG protocol相结合，制造出具有高度有序微条纹阵列的超薄石墨烯薄膜。除了实现具有独特的可扩展和可堆叠特性的各种图案结构外，还系统地研究了 PAA 浓度（4 – 8 wt%）这一关键参数，以精确控制辐照前后微图案的特征尺寸，包括线宽（辐照前：5.37 – 22.44 μm；辐照后：4.83 – 22.32 μm）和平均高度（辐照前：69.81 – 187.39 nm；辐照后：5.72 – 48.61 nm）。
通过进一步探索散焦多重激光策略，石墨烯阵列的片电阻可从 634.1 kΩ/sq 大幅优化至 1.9 kΩ/sq，同时保持低烧蚀率（45.38% 孔隙率）和高含碳量（84.2 wt%）。最后，还展示了该工艺可组装不同尺寸的石墨烯电子器件，包括灵敏度为 0.81% μL 的液体传感器，以及温度升温速率高达 24.7 °C/s 和工作温度高达 248 °C 的电热加热器。
图文导读
图 1. 组合式 μCP和LIG protocol的制造过程。(a) 制造过程示意图。(b) 经过光刻处理的硅晶片、(c) 经过分割的 PDMS 印章和 (e) 在石英基底上转移的 μPI 的照片（比例尺 = 2 厘米）。(e) 四种不同加工设计的激光照射 μLIG 结构（比例尺 = 1 厘米）。
图2. μPI 和 μLIG 图案的可扩展和可堆叠制造。(a-c）分别为 1 号、3 号和 6 号的各种 PDMS 印章的光学显微照片（比例尺 =25 μm）。(d-f）分别使用 1 号、3 号和 6 号印章转移的各种 μPI 图案的光学显微照片（比例尺 = 25 μm）。(g-i）分别使用 1 号、3 号和 6 号印章处理μPI 后照射的各种μLIG 图案的光学显微照片（比例尺 = 25 μm）。多层μLIG图案的光学显微照片，具有(j)横杆状、(k)桥岛状和(l)棋盘状结构（比例尺 = 100 μm）。
图3. μPI的可控微线结构。(a) 在不同加热温度下处理的 μPI 微线的光学图像（比例尺 = 50 μm）。(b) 在不同 PAA 浓度下处理的 μPI 微线光学图像（比例尺 = 50 μm）。(c) 各种 μPI 微线的三维重建原子力显微镜图像。(d) 在不同 PAA 浓度下处理的 μPI 微线的高度曲线。(e) 使用不同特征宽度的 PDMS 印章时，μPI 微线宽度与 PAA 浓度之间的相关性。(f) PI 微线的平均或最大高度与 PAA 浓度之间的相关性。
图4 μLIG的可控微线结构。
图5. μLIG的可控电特性。
图6. μLIG组装电子设备演示。
小结
综上所述，本文展示了一种结合μCP和LIG工艺构建具有高度有序微条纹阵列的超薄石墨烯薄膜的高精度制造方案。通过微尺寸晶片和 PDMS 印章，我们成功地合成了具有可控微纳图案的μPI和μLIG。通过调节 PAA 的浓度（4-8 wt%），由于 PAA 在微条纹阵列上的累积和浓缩，微图案的特征尺寸可从宽度 5.36 μm 逐渐增加到 22.44 μm，高度从 69.81 nm 增加到 187.39 nm，从而制造出各种可调微纳尺寸的图案结构。同时，作为激光能量输入的关键变量，通过散焦水平和激光功率调整的激光通量在微图案中发挥了关键作用，从而实现了高度（5.72 – 48.61 μm）和薄片电阻（634.1 – 1.9 kΩ/sq）的可控，有利于微型电子器件的发展。
因此，μLIG 被应用于灵敏度为 0.81% μL-1的液体传感器和温度升降速率高达 24.7 °C/s 的电热加热器，工作温度高达 248 °C，这表明了μLIG 高精度微纳结构的优点。总之，这种制造方法展示了一种具有可编程微纳结构的高成本效益、高效率和可定制的精确石墨烯调整方法，可进一步应用于任何其他电子设备，包括微型传感器和致动器。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119148
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