基于激光诱导石墨烯（LIG）的柔性传感器广泛应用于可穿戴个人设备，LIG的形貌和晶格排列是影响其在各种应用中性能的关键因素。北京信息技术大学尤睿、梁密生及华中科技大学王博等人利用飞秒激光诱导的MXene复合石墨烯（LIMG）用于通过将具有高自由电子浓度的2D材料MXene掺入LIG结构中来提高石墨烯的电导率。
通过结合泵浦探测、激光诱导击穿光谱（LIBS）和密度泛函理论（DFT）计算，探索了LIMG的形态形成和晶格结构原理，结果表明MXene材料成功嵌入石墨烯晶格中，改变了其形貌和电性能。与LIG相比，LIMG复合材料的结构稀疏性和电导率（高达3187Sm-1）显着增强。基于这些发现，LIMG已用于可穿戴电子产品。LIMG电极用于检测尿酸，最低检测限为2.48 µM。此外，基于LIMG的压力和弯曲传感器已成功用于监测人体肢体运动和脉搏。LIMG的直接原位飞秒激光图案化合成对于开发柔性可穿戴电子传感器具有重要意义。
相关研究成果以“High-Performance Sensing Platform Based on Morphology/Lattice Collaborative Control of Femtosecond-Laser-Induced MXene-Composited Graphene”为题发表于《Advanced Science》。
可穿戴传感器是一种小型设备，通常佩戴在皮肤附近或直接贴在皮肤上，用于监测和收集人体生理和生化参数的实时数据，在远程健康监测、身体活动跟踪、人机交互和实时生理信号监测方面具有巨大潜力。多功能、高性能的柔性可穿戴传感器的发展增加了对敏感材料的需求。在涉及监测多种生理信号的场景中，对物理变化（如压力和应变）和生化信号（如疾病标志物和蛋白质分子）都敏感非常重要。响应物理刺激需要改变材料的微观形貌和孔隙率。响应生化信号需要改善材料的电性能并集成特定的敏感物质。因此，对敏感单元形貌及其电性能的协同调控和优化对于多功能可穿戴传感器具有重要意义。
近年来，激光诱导石墨烯（LIG）因其快速图案化、无掩模制造、原位合成和石墨烯基材料的经济高效生产而被广泛应用于柔性传感器。因此，LIG显示出巨大的前景，特别是在多信号传感方面。LIG的3D多孔结构为化学反应和物理相互作用提供了大量的表面位点。此外，LIG与电解质、代谢物、激素和其他化学标记物相互作用会触发电位、电流和电阻率的变化，从而能够基于这些改变对分析物进行检测和分析。特别是，可以通过调节激光加工条件来控制LIG的表面形貌、内部结构和孔隙率，为调节基于LIG的敏感单元的微形貌和电性能提供了一种直接可行的方法。
LIG用于各种传感器，包括电化学传感器和压力传感器。然而，由于LIG的晶格不规则和层间结构不连续，其电导率和载流子迁移率仍需改进。研究人员尝试了各种策略，例如旋涂高导电性的MXene和银纳米线、电沉积纳米颗粒以及激光诱导金属前体溶液的二次还原，以制备复合LIG。然而，这些掺杂方法作为二次生产工艺，仅将掺杂材料沉积在LIG表面，并未穿透晶格，而且LIG的结合相对不稳定，为材料制备过程带来了额外的不确定性。之前的LIG生产方法涉及长脉冲或连续激光辐照，由于聚合物薄膜在热效应下高度不稳定，限制了微观形貌和图案分辨率的可控性。
飞秒激光诱导的MXene复合石墨烯(LIMG)的制造和表征
在本研究中，将MXene掺入聚酰亚胺前体溶液中，得到MXene混合聚酰亚胺薄膜。利用飞秒激光直写工艺，制备了嵌入MXene晶格的多孔石墨烯。利用飞秒激光的低热影响，成功通过在聚合物薄膜上直接激光写入制备了最小线宽为1 µm的飞秒激光诱导MXene复合石墨烯（LIMG）。这种独特的前体掺杂技术使MXene能够在LIG的晶格内均匀掺杂，为载流子在缺陷密布的LIG晶格中的传输创造了稳定的环境。与原始LIG相比，LIMG显示出增强的载流子迁移率和显著改善的电导率，提高了两个数量级，达到3187 Sm−1。
此外，还使用泵浦探测和LIBS技术研究了飞秒激光对LIMG微形貌的影响和控制。通过晶格掺杂和微观形貌的协同优化，建立了具有出色电化学、压力和应变传感能力的LIMG材料平台。成功开发了一种用于检测尿酸的高灵敏度电化学传感器，其最低检测限为2.48 µM。压力传感器具有宽检测范围（0-200 kPa）、高灵敏度（0.15 kPa−1）和良好的耐用性（能够承受1000次循环测试），而弯曲传感器则表现出最佳检测范围和超过1000次循环的耐用性。这些传感器可以监测各种生理信号，例如语音、脉搏、手指运动和膝关节运动，使其有望用于人体健康监测和人机交互应用。
原文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202404889
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