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深度解读

高分辨的激光诱导石墨烯可制造出超过人类视觉极限的柔性电子

星之球科技 来源:江苏激光产业创新联盟2021-01-12 我要评论(0 )   

来自莱斯大学,美国田纳西大学诺克斯维尔分校( Knoxville (UT Knoxville)和橡树岭国家实验室的的科学家使用一个非常小的可见光激光束,在显微镜下来燃烧泡沫状的碳来诱...

来自莱斯大学,美国田纳西大学诺克斯维尔分校( Knoxville (UT Knoxville)和橡树岭国家实验室的的科学家使用一个非常小的可见光激光束,在显微镜下来燃烧泡沫状的碳来诱导生成石墨烯。这一研究将有望促进柔性电子的应用进程.

研究成果的Graphic Abstract

激光诱导石墨烯的示意图

科学家使用一个小型的安装在扫描电镜上的激光来进行激光诱导石墨烯实现了创纪录的信息。

从现在开始,你将不再需要一个大型的激光来进行激光诱导石墨烯(LIG)。来自莱斯大学,美国田纳西大学诺克斯维尔分校( Knoxville (UT Knoxville)和橡树岭国家实验室的的科学家使用一个非常小的可见光激光束,在显微镜下来燃烧泡沫状的碳来诱导生成石墨烯。

不同激光参数下激光诱导石墨烯的研究结果

图解:(a) 采用405 nm的激光设备安装在大角度端口的扫描电镜上的实验装置的示意图。激光诱导石墨烯在扫描电镜室中原位生成。 (b)激光诱导石墨烯在405 nm波长的激光,脉冲宽度从2 μs 到100 ms 变化时得到的光学显微镜观察结果。 (c) 在能量为834 kW cm–2,脉冲宽度大于100 μs的时候,激光诱导石墨烯形成的拉曼光谱 。 (d)在脉冲宽度为1 ms时得到的激光诱导石墨烯的拉曼光谱的重新标度 。 (e) 激光发射时固定脉冲宽度为 100 μs时激光诱导石墨烯所形成的拉曼光谱。

激光诱导石墨烯(Laser-induced graphene (LIG))是一个多功能的石墨烯泡沫,是一种常见的利用红外激光在以碳为基础的前驱材料中进行直写得到的.在这里,一个可见的405nm波长的激光用来直接将聚合物转换成激光诱导石墨烯.这就使得在空间分辨率大约为12 μm 和厚度<5 μm的激光诱导石墨烯的形成成为可能.这一空间分辨率使得波长为405nm的激光的聚焦尺寸相对小,表明激光诱导石墨烯的特征尺寸可以比以前发表的要减少至少60%.

这一过程原位发生在SEM室内,使得直接观察激光诱导石墨烯成为可能,这一减少的激光诱导石墨烯的特征尺寸使得直写形成肉眼不可见的柔性电子成为可能.采用激光诱导石墨烯制造出的湿度传感器用来展示探测人类的呼吸,呼吸的反应速度为250ms.随着对激光诱导石墨烯的兴趣越来越浓厚,激光诱导石墨烯制造柔性电子和传感器成为可能,精细的特征也可以采用这一办法来拓展其应用.

莱斯实验室的化学家James Tour,在2014年发现了一个比较原始的办法将一个普通的聚合物转换成石墨烯。莱斯大学,美国田纳西大学以及橡树岭国家实验的材料科学家,Philip Rack等人揭示了,当激光诱导石墨烯在扫描电镜中只有少量 的时候,他们现在可以观察导电的材料形式。

一个替换的办法,详细的在美国化学学会的期刊《 ACS Applied Materials & Interfaces》上给予了介绍,创造了一种激光诱导石墨烯的特征,比宏观的版本要小60%,并且几乎比典型的以前采用红外激光所获得的石墨烯要小几乎10倍。

低功率的激光同时还会使得加工过程变得比较便宜。Tour说到。这将会比更为宽泛的柔性电子产品和其他的商业产品变得更为普遍。

电子产品应用的关键在于使得其结构变得足够的小,以至于使得它具有高的密度,或者让器件在单位面积上具有更多的数量,这一办法使得我们可以将器件的结构比以前制造的器件的密度大至少10倍。

.为了证实这一概念的正确性,实验室制造了柔性的湿度传感器,这一传感器对于人眼来说几乎是不可见的,可以直接在聚合物上实现制造,这一聚合物是一个商业化的产品。这一器件可以对人类的呼吸在250 ms(毫秒; 即千分之一秒)内进行一次反应。

这一速度比大多数常见的商业化的湿度传感器要快得多,并且可以快速的检测由于呼吸造造成的局部的湿度变化。

不同脉冲宽度下的结果

莱斯大学和橡树岭国家实验室的科学家使用一个比较的小的激光安装在扫描电镜上,在一个聚合物上形成导电石墨烯的点和痕迹。这一技术创造了激光诱导石墨烯具有的特征比宏观的版本要小60%,同时比采用红外激光所获得的样品要小10倍多。

一个比较小的激光泵浦光在波长为405 nm的时候,在蓝色的紫外光谱的范围内。这些低功率的激光比工业化的激光功率要低,Tour研究小组及其世界范围内的研究人员可以使用在塑料,纸张,木材乃至食物上燃烧石墨烯。

安装在SEM(扫描电镜)上的激光不仅可以燃烧顶部的5微米厚度的聚合物,还可以直写石墨烯的特征小于12微米(人类的头发丝,大约为30到100微米的直径)

同橡树岭国家实验室的人直接合作,使得斯坦福资本化作用在国家实验室的先进仪器设备上,就使得我们的联合成果变得更有成效。

利用SEM观察到的两道在聚合物上激光诱导石墨烯的痕迹.激光安装在扫描电镜上(SEM),来燃烧薄膜上的图案

图解:这一技术使得柔性电子的发展变得更为可能

激光诱导石墨烯的特征如此细小,使得我们可以在下一步有可能找到我们可以采用激光图案化的办法在显微镜下来寻找它.

Tour和他的研究小组在最近引入闪光石墨烯来立即将垃圾和食物垃圾转换成有利用价值的材料,这一新的激光诱导石墨烯的技术为直写电子电路向柔性基材如织物上发展铺平了道路.

在闪光的过程中将会产生成吨的石墨烯,这一激光诱导石墨烯的过程将会使得石墨烯可以直接合成在表面上可以精确应用的电子.

采用激光诱导石墨烯技术制造的不可见的湿度传感器

图解:(a) 激光诱导石墨烯制造具有微小通道的湿度传感器的示意图, (c)在PI制造的柔性湿度传感器的光学照片; (b) 激光诱导石墨烯的微通道的光学照片,在PI上的可见粒子是银环氧触头; (d) 激光诱导石墨烯传感器对人类呼吸的反应,结果显示反应时间<250 ms

这一研究工作得到了美国空军科学研究办公室和美国能源部的支持.

R文章来源: “High-Resolution Laser-Induced Graphene. Flexible Electronics Beyond the Visible Limit” by Michael G. Stanford, Cheng Zhang, Jason Davidson Fowlkes, Anna Hoffman, Ilia N. Ivanov, Philip D. Rack and James M. Tour, 10 February 2020, ACS Applied Materials & Interfaces.

参考文献:Accounts of Chemical Research ( IF 20.832 ) ,2018-06-20 00:00:00, Ruquan Ye, Dustin K. James, James M. Tour以及Rice University


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