成果简介
激光诱导石墨烯（LIG）是用原位合成法直接在牛皮纸基底上制备的，拟用于制造可生物降解的电子设备。本文，圣保罗州立大学Rogério Miranda Morais等研究人员在《Advanced Sustainable Systems》期刊发表名为“Green, Biodegradable, and Flexible Resistive Heaters-Based Upon a Novel Laser-Induced Graphene Manufacturing Process”的论文，研究探讨了激光功率和扫描速度对 LIG 导电轨迹和高达 0.25 kΩ sq-1 的片状电阻特性的影响。拉曼光谱和显微镜用于分析界面特性，特别是纤维素纤维通过光热分解向碳化石墨烯薄片的转变，从而形成珊瑚状结构。为了证明这种方法的适用性，我们制造了柔性电阻加热器，测试表明加热器加热迅速，分布均匀，最高温度达 145.5 °C。此外，电热转换效率（hr+c）达到 17.05 mW (°C cm2)-1。最后，对基于 FR-4 的电子器件进行了生命周期比较评估，并计算了对环境的影响。影响评估显示，大多数类别对环境的影响低两个量级，这表明该方法在全球生产层面对环境有益。结果表明，使用激光二极管对牛皮纸进行光热热解，可以生产出低影响装置灵活的绿色电子产品。
图文导读
研究牛皮纸上LIG雕刻参数的样品
牛皮纸 （KP） 上 LIG 轨道的生产是通过使用雕刻系统的原位转换进行的。该系统包括一个二极管激光器（Neje 7w，波长450 nm）和一个带有X轴和Y轴的电动平台。轨道雕刻过程包括使用矢量绘图软件创建草图并栅格化生成的图像。该系统的分辨率为每英寸 900 点 （DPI），扫描速度范围为 206 至 297 mm−1.激光输入功率值在 62–160 mW 范围内调整。系统配置如图1a所示。
图1、a） 一张说明自制激光雕刻系统的草图和一张带有说明 FRH 图案的草图的缩放，b） 使用自制雕刻系统制造的一批基于 LIG 的 FRH 的照片，c） 用于向 FRH 施加电压/电流的连接器的照片。
图2、a） 在论文中，为跟踪图案而创建的草图，灰度从30%到100%不等，b）LIG的照片，以及c）功率与速度及其薄层电阻值的视觉图。d） 改变扫描速度的LIG的拉曼光谱，以及e）I2D/IG和IG/ID比率，以及La与扫描速度的关系。
图3、a） 牛皮纸/LIG界面的SEM图像。b） 同一样品的中心区域的SEM图像和其他更大幅度的图像，突出了不同尺寸孔隙的存在。c） 损坏样品的光学显微镜图像，d）连续LIG膜的光学显微镜照片，以及e）确定填充百分比的图像到像素计数。
图4、a） 雕刻面积作为网格尺寸的函数，b）绝对电阻和有效面积相对于网格宽度，以及c）归一化RN、AN和RAN相对于网格宽度。
图5、a） 温度与时间曲线。插图：概念验证照片以及红外热像图。b） 冰融化随时间变化的照片，以及c）相应除冰照片的红外热图像。
小结
激光诱导石墨烯（LIG）是使用商用激光二极管在牛皮纸上通过光热分解形成的。对包括激光功率和扫描速度在内的制造参数进行了系统变化，确定了 LIG 形成的最佳条件，功率范围为 90 < P < 160 mW，速度范围为 245 < v < 297 mm min-1，最有效的组合产生的薄片电阻为 0.25 kΩ.sq-1。形态评估显示，纤维素纤维大量转化为 LIG 的样品孔隙率较高，但仍能形成适合电阻加热器应用的导电轨道。通过保持较低的功率强度，可以获得与牛皮纸粘附性良好的连续 LIG 薄膜，并提高了 IG/ID 比。分析表明，热解区域的 LIG 覆盖率≈91.5%。所获得的结果凸显了 LIG 薄膜在焦耳加热应用中的适用性，因此在牛皮纸上制作了基于 LIG 的 FRH，并对温度与器件几何形状之间的关系进行了分析。加热器在精确控制温度上升和快速瞬态响应方面表现出了有效性。最后，还进行了生命周期评估，结果表明我们的方法大大减少了对环境的影响。
文献：https://doi.org/10.1002/adsu.202400166
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