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韩科院《AFM》封面:一篇综述带你了解激光诱导石墨烯的最新进展!
出处:材料分析与应用  录入日期:2022-12-01  点击数:327

  1成果简介

 


  激光诱导石墨烯(LIG)是一种新出现的三维多孔材料,当激光束照射在某些碳材料上时产生。LIG表现出高孔隙率、优异的导电性和良好的机械灵活性。预先设计的LIG图案可以直接在各种碳材料上制造,其微观结构、表面特性、导电性、化学成分和杂原子掺杂都  是可控的。这种选择性的、低成本的、无化学成分的、无掩模的图案技术最大限度地减少了原材料的使用,减少了对环境的影响,并实现了从学术到工业的广泛的应用。
  本文,韩国科学技术院Young-Jin Kim等研究人员在《Adv. Funct. Mater》期刊发表名为“Recent Advances in Laser-Induced Graphene: Mechanism, Fabrication, Properties, and Applications in Flexible Electronics”的综述,全面总结了3D多孔LIG的最新  发展。首先介绍了LIG形成的机理,重点介绍了激光辐照过程中激光与材料的相互作用和材料的转变。深入讨论了激光类型、制造参数和激光环境对LIG结构和性能的影响。还强调了LIG在先进应用中的潜力,包括生物传感器、物理传感器、超级电容器、电池、三电  纳米发电机等等。最后,讨论了LIG研究的当前挑战和未来展望。
  2图文导读 

 


  图1、对3D多孔LIG的最新发展及其新兴应用进行了全面而深入的回顾
  2.1 LIG形成的机理
  LIG已成为近年来石墨烯研究最活跃的课题之一。因此,了解石墨烯形成的潜在机制对于制备石墨烯基器件具有重要意义。石墨烯形成的机理很大程度上取决于激光和碳前驱体的特性。脉冲持续时间和波长是显著影响激光-材料相互作用的关键参数之一。大多数类型  的激光器产生光热效应,即目标材料吸收入射光子能量并将其转换为热能。快速的能量沉积会产生极高的温度,并触发碳化、石墨化和剥落过程以形成 LIG。[值得注意的是,超短脉冲激光器可以诱导与碳前体的非线性相互作用,在环境空气中产生任意石墨烯图案。

 

  图2、芳香族聚合物的LIG图示
  2.2 LIG合成的激光器和制备参数
  激光特别有利于热处理,因为它们能够控制转移到高度局部区域的光子能量,从而产生快速加热过程(加热速率高达1000°C s−1)并精确调节产生的温度。在LIG制造中,紧密聚焦的激光束可以在目标材料上感应出极高的温度,足以破坏化学键并将碳原子重新排列  成石墨烯。同时,气体产物的瞬时产生会产生高压环境,有助于形成具有多孔结构的LIG。在本节中,总结了LIG制造中使用的不同类型的激光器。此外,还讨论了关键激光参数的影响,为高效生产具有所需结构和性能的LIG提供有用的信息。
  2.3 LIG的制造和改性
  石墨烯基材料的制备和改性是材料科学的重要课题。基于易于调整的加工参数,在激光照射下可以生产出具有可控表面形貌、表面性能、化学成分和电性能的 LIG。LIG制造过程中的杂原子掺杂显著提高了基于LIG的器件的性能。LIG与各种材料的结合造就了具有先  进功能的LIG杂化和复合材料。特别是,控制这些特征的空间变化的独特能力对于各种应用非常有前景。

 

  图3、表面形貌图示
  2.4 应用
  2.4.1生物传感器
  大表面积、高电子密度和光学透明度的独特特性使LIG成为生物传感应用的有前途的候选者。LIG材料制造的进步,以及它们的低成本和将LIG传感元件集成到小型化设备中的可能性,使几种类型的生物传感和生物医学应用得以开发。LIG 生物传感器的常见配置包括  薄膜晶体管、阻抗、电化学和荧光。通常,LIG生物传感器由两个主要元件组成:受体层和转导层。受体层,也称为生物分子,提供与目标分析物或一组分析物的特定化学相互作用/结合,允许选择性生物传感。转导元件是LIG层,它将化学信息/相互作用转换为可测  量的参数,例如阻抗,电势或光学强度。LIG生物传感器用于检测酶材料、脱氧核糖核酸(DNA)/核糖核酸(RNA)和免疫传感,重点是即时分析和疾病的早期检测,这可以提高生活质量。

 

 

  图4.生物场效应晶体管。
  2.4.2 物理传感器
  物理变量(例如压力、应变、温度和湿度)的实时监控在许多高级应用中至关重要,例如机器人、电子皮肤、医疗保健和物联网。因此,石墨烯传感器因其能够测量广泛的物理变量而受到广泛关注,具有良好的灵敏度,宽检测范围,快速响应时间,机械坚固性和长期稳定性,由于石墨烯的优越性能。然而,石墨烯合成的困难是石墨烯传感器大规模生产的主要障碍。在过去的几年中,3D多孔LIG的发现为高性能物理传感器的简单,高效和低成本制造开辟了新的途径。在本节中,总结了最近报道的柔性物理传感器,其中LIG被用作主要功能材料。

 

  图5、基于 LIG 的柔性物理传感器。
  2.5 储能与发电装置
  柔性能源设备,如SC、电池和纳米发电机,需要具有高导电性、机械柔韧性和热/化学稳定性的薄膜电极。在这方面,通过各种碳基板的激光加工获得的LIG保证了具有高结晶度,分层孔隙率,高表面积以及与基板良好界面的3D多孔电极。在储能设备(例如SC和电  池)中,通过在金属集电器上涂覆由活性材料,粘合剂和导电剂组成的电极浆料来制造常规电极。基于LIG的电极不需要粘合剂和导电剂,这简化了制造过程,减少了化学废物,并提高了机械强度。在以TENG为代表的纳米发电机中,薄膜电极充当导电通道,以移动  由活性介电材料之间相互作用产生的电荷。因此,必须降低介电材料与电极之间的界面电阻,其中在激光照射下在碳基板上直接形成LIG电极提供了优异的键合特性。因此,通过定制LIG的物理、化学和电气特性,可以轻松制造用于柔性能源器件的高性能电极。在本  节中,总结了LIG电极在柔性SC,电池和TENG中的制备和应用。

 

  图6、使用木质素作为低成本前体的激光光刻工艺流程及性能图示

 


  图7、用于电池的基于 LIG 的电极。
  2.6 其他应用
  2.6.1 化学传感器
  基于LIG的传感器广泛用于检测化学品并量化其浓度。LIG多孔网络中的大表面积为表面化学反应提供了更多的活性位点,从而实现了高灵敏度和快速响应时间。已经开发了各种类型的基于LIG的化学传感器来检测各种化学品。
  2.6.2 气体传感器
  基于LIG的传感器可用于检测各种气体并提供必要的环境信息。LIG具有在柔软和低成本基板上制造的能力,为可拉伸的可穿戴气体传感网络开辟了有希望的道路,该网络可以检测人体产生的气态生物标志物以及其他环境危害。
  2.6.3 光电探测器
  光电探测器在广泛的应用中非常重要,包括光通信、光谱仪和荧光显微镜。传统的光电探测器体积庞大、易碎且价格昂贵,这限制了它们在可穿戴应用中的使用。
  2.6.4 电热致动器
  电热致动器可以根据热双晶片效应改变其形状。在对齐的LIG图案在PI薄膜上制造,并夹在聚偏氟乙烯(PVDF)层和PI薄膜之间,形成PVDF/LIG/PI(PLP)致动器。PVDF作为活性层,因为它的热膨胀系数比PI大得多。此外,PLP致动器可以将光转换为热能以扩展  PVDF层,从而赋予自变形致动器。
  2.6.5热声换能器
  由于其高导电性、低热容量和高导热性,LIG是热声换能器的绝佳材料。
  3小结
  本文综述了LIG研究从基础到应用的研究进展。直接激光制备已被证明是一种简单有效的方法,可以在恶劣条件下低成本和可扩展地生产复杂的石墨烯电极,无需掩模。LIG继承了石墨烯的优异性能,但其独特的优势、可控的性能和易于生产,推动了其向众多应用的过渡。迄今为止,已经报道了各种基于LIG的高性能传感器和能量设备。
  从应用的角度来看,作者预计在不久的将来会开发出更多基于LIG的多功能设备。此外,将针对一步制造的便携式/可穿戴电子产品实施包含所有LIG组件(例如传感器,SC和TENG)的集成系统。目前,基于全LIG的集成系统实施和商业化的主要障碍是能量收集装置仍然无法产生足够的能量来长时间连续运行整个系统。因此,基于高效和多刺激LIG的能量收集器件、无线电力传输器件和低能耗的小型化电子设备对于未来基于LIG的集成系统的发展是必要的。此外,尽管许多基于LIG的设备已经证明了其可行性和可靠性,但需要长期运行和稳定的性能,而不是在实验室中,以证明其实际用途。最后,应仔细评估吸入LIG颗粒的可能性及其在人体细胞/组织中的毒性,以用于可穿戴和植入式应用。
  考虑到该领域的研究仍处于起步阶段并且正在迅速发展,因此在材料、性能和应用方面有很大的进一步发展空间。近年来,已经预见到LIG从实验室到商业产品的转移。LIG研究的成就旨在为可持续发展的社会铺平道路。
  文献:

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