基于激光刻划技术的石墨烯器件

摘要

石墨烯具有优异的电子、热学、光学和力学性能，具有巨大的应用潜力。目前基于微机械剥离、化学气相沉积(CVD)和碳化硅热分解生长的石墨烯器件仍然昂贵和低效。

本文介绍了一种低成本、高效率的石墨烯制备方法——激光刻划技术。石墨烯的图案可以直接在固体和柔性基片上绘制。因此，基于石墨烯的激光刻录器件如应变传感器、声学器件、存储器件等被广泛应用。讨论了激光刻划技术的发展前景和面临的挑战。激光刻划可能是未来制备可穿戴和集成石墨烯系统的一种潜在方法。

引言

石墨烯是一种二维材料，具有超高机动性,导热系数,杨氏模量,透明度,大的表面积,和许多其他独特的properties.等优良性能

因此,关注自发现以来一直专注于石墨烯，由于其出色的性能,石墨烯已被用于制造许多器件

人们提出了许多方法来制备石墨烯。CVD是制备高质量、大面积石墨烯的常用方法。然而，CVD的成本很高，而且包括退火、生长和冷却在内的多步过程的时间很长。此外，CVD生长的石墨烯在后续的图形和蚀刻过程中很脆弱。

其他的方法，如碳化硅的微机械剥离和热分解也是低效的。除了直接生长石墨烯外，还可以通过还原氧化石墨烯(GO)来制备石墨烯，这是一种成本低、效率高的制备石墨烯的方法。氧化石墨烯还原后的杨氏模量可高达0.25 tpa。

氧化石墨烯可以通过热还原、化学还原、和其他方法还原为石墨烯。在这些方法中，激光刻录还原是一种将氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯的新方法。

在本文中，我们将讨论LSG的制备工艺和潜在的应用。到目前为止，整个系统都是用激光刻划来开发的，包括制作、图案化、器件和集成系统的使用，如图1所示。

在第二节中，我们将详细介绍一些基于激光刻划的制造技术。然后，我们将在第3节介绍一些基于LSG的新应用，如应变传感器、声学设备、和存储设备，第4节将讨论LSG系统的挑战和前景。在第五节中，将对LSG进行简要的总结。

2.激光划片技术 Laser scribing technology

实际上，激光刻录还原被认为是热还原。它是一种新颖的加热工艺，有其自身的优点。

自在还原过程中，含氧官能团转移给氧。这种气体从还原氧化石墨烯中释放出来，使得石墨烯层之间的距离变大。因此，形成了许多多孔结构。

2.1基于氧化石墨烯的激光刻划石墨烯

石墨烯可以通过还原氧化石墨烯生成。氧化石墨烯是一种复杂的材料，它含有大量的羟基、羰基、羧基等官能团。由于这些官能团的存在，与石墨烯不同，氧化石墨烯很容易溶于水。氧化石墨烯水溶液通常采用Hummers法生产。

经过多步氧化还原反应，石墨粉转化为氧化石墨烯水溶液。氧含量可通过氧化石墨烯的颜色来判断。氧化石墨烯薄膜的表面润湿性和光学电学性能可以通过紫外光照射进行调节。

Tian等人实现了通过氧化石墨烯的激光划片实现石墨烯电子、光电和电声器件的晶圆级集成

首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜层附着在DVD光盘上。将浓度为2mg mL−1的GO分散液滴注在PETfilm层的表面;

在室温条件下干燥一夜后，使用商业DVD刻录机产生的最大功率为5mw的788 nm激光脉冲将GOfilm转化为石墨烯。

通过改变还原氧化石墨烯的氧含量来调节电导率。因此，随着激光刻划次数的增加，电阻逐渐减小。

例如，GOfilm的初始电阻为580 MΩ。经过1、2、3次激光刻划后，rGO薄膜的电阻分别为8.2、4.8和2.3 kΩ。

从图2(d) -2 (f)所示的扫描电镜(SEM)图像来看，氧化石墨烯的原始厚度为1µm，划线后还原氧化石墨烯的厚度约为10µm，说明膜厚增加了10倍。

而激光在氧化石墨烯表面产生焦耳热，形成向下的热梯度。焦耳热量随着向下扩散而减少，因此焦耳热量不足以将底部氧化石墨烯转化为还原氧化石墨烯。只有氧化石墨烯表面(约20层)被转化为还原氧化石墨烯，而不是整个1- μ m厚的氧化石墨烯体系。

邓等人报道一个通用方法基于一步激光划片技术的快速合成和模式大规模多层 石墨烯 薄膜

首先在任意底物上滴入浓度为2 mg mL−1的G O分散体，包括树叶、笔记、聚酰亚胺(PI)薄膜、甚至是蝴蝶翅膀，如图3所示。

然后，采用无掩模可编程激光刻划技术，在空气中直接对制备的氧化石墨烯薄膜进行处理。激光功率从低到高变化，产生三个不同的区域:生长区、过渡区和蚀刻区。

在生长区域，随着厚度的增加，氧化石墨烯转化为LSG。在过渡区，LSG的生长和刻蚀同时发生。最终的厚度几乎与初始氧化石墨烯的厚度相同。在腐蚀区域，由于高激光功率引起的氧和碳的气化，LSG层被完全腐蚀。

该技术在石墨烯应用的可扩展制造方面很有前景。Zhou等人也发现在激光切割石英衬底时可以蚀刻氧化石墨烯。然而，由于上述的热梯度，只能蚀刻顶部的氧化石墨烯层。因此，衬底在激光刻划中可能发挥重要作用。LSG器件的常用衬底及应用如表1所示。

3.基于激光刻划技术的石墨烯器件

由于石墨烯的优异性能和激光刻划技术的高效率，近年来制造了许多LSG器件。

3.1 LSG应变传感器

石墨烯的杨氏模量为1 TPa，固有强度为130 GPa，这使它成为应变传感器的理想材料。但由于CVD石墨烯的超薄特性，不适合用于应变传感器。传统的应变传感器很少同时具有高应变系数和大应变范围。

Tao等人基于模式LSG制造了传感器，可以同时满足微弱和剧烈运动情况下的需求。制造过程如图5(a)所示。

首先，选用了一种名为Ecoflex的弹性硅树脂作为衬底，因为它具有超高的拉伸能力。
然后将氧化石墨烯溶液与四氢呋喃(THF)的混合物滴在基材上，四氢呋喃挥发后，形成均匀的氧化石墨烯膜，形成整膜。

没有四氢呋喃，gof薄膜就不能在Ecoflex表面均匀形成

为了防止在拉伸过程中对石墨烯造成不可修复的损伤，激光诱导的石墨烯被封装在另一层Ecoflex中。通过调整石墨烯的模式，可以很容易地调节应变传感器的性能。高网格密度传感器阵列包含6 × 16网格;每个方格网的宽度为0.05 cm，灵敏度较高。无网格的应变传感器具有较大的应变范围。图5(b) -5 (i)表明LSG应变传感器可以用于手势检测和控制。

后将应变传感器切成小块，他们显示出高达100%的优良应变范围和超高的GF （457）。

Wang等人制作了一种自锁重叠石墨烯片(SOGS)应变传感器，在高灵敏度和大幅度应变之间实现了良好的平衡。在2%应变下GF为34.4，5%应变下GF为99.9，7.5%应变下GFs为402.3。由于其灵敏度高，SOGS应变传感器可以检测各种人声。石墨烯的微结构由SOGS组成，传感器的电阻仅由其重叠电阻决定。石墨烯在不同应变下的重叠形式不同，因此其抗性也不同。

由理论方程得到的GFs在2%应变下为33.4，在5%应变下为85.1，在7%应变下为387.4，与之前的结果接近。

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