1成果簡介

激光誘導石墨烯（LIG）是一種新出現(xiàn)的三維多孔材料，當激光束照射在某些碳材料上時產(chǎn)生。LIG表現(xiàn)出高孔隙率、優(yōu)異的導電性和良好的機械靈活性。預先設計的LIG圖案可以直接在各種碳材料上制造，其微觀結構、表面特性、導電性、化學成分和雜原子摻雜都是可控的。這種選擇性的、低成本的、無化學成分的、無掩模的圖案技術最大限度地減少了原材料的使用，減少了對環(huán)境的影響，并實現(xiàn)了從學術到工業(yè)的廣泛的應用。 本文，韓國科學技術院Young-Jin Kim等研究人員在《Adv. Funct. Mater》期刊發(fā)表名為“Recent Advances in Laser-Induced Graphene: Mechanism, Fabrication, Properties, and Applications in Flexible Electronics”的綜述，全面總結了3D多孔LIG的最新發(fā)展。首先介紹了LIG形成的機理，重點介紹了激光輻照過程中激光與材料的相互作用和材料的轉變。深入討論了激光類型、制造參數(shù)和激光環(huán)境對LIG結構和性能的影響。還強調了LIG在先進應用中的潛力，包括生物傳感器、物理傳感器、超級電容器、電池、三電納米發(fā)電機等等。最后，討論了LIG研究的當前挑戰(zhàn)和未來展望。

2圖文導讀

圖1、對3D多孔LIG的最新發(fā)展及其新興應用進行了全面而深入的回顧

2.1LIG形成的機理

LIG已成為近年來石墨烯研究最活躍的課題之一。因此，了解石墨烯形成的潛在機制對于制備石墨烯基器件具有重要意義。石墨烯形成的機理很大程度上取決于激光和碳前驅體的特性。脈沖持續(xù)時間和波長是顯著影響激光-材料相互作用的關鍵參數(shù)之一。大多數(shù)類型的激光器產(chǎn)生光熱效應，即目標材料吸收入射光子能量并將其轉換為熱能?？焖俚哪芰砍练e會產(chǎn)生極高的溫度，并觸發(fā)碳化、石墨化和剝落過程以形成 LIG。[值得注意的是，超短脈沖激光器可以誘導與碳前體的非線性相互作用，在環(huán)境空氣中產(chǎn)生任意石墨烯圖案。

圖2、芳香族聚合物的LIG圖示

2.2 LIG合成的激光器和制備參數(shù)

激光特別有利于熱處理，因為它們能夠控制轉移到高度局部區(qū)域的光子能量，從而產(chǎn)生快速加熱過程（加熱速率高達1000°C s?1）并精確調節(jié)產(chǎn)生的溫度。在LIG制造中，緊密聚焦的激光束可以在目標材料上感應出極高的溫度，足以破壞化學鍵并將碳原子重新排列成石墨烯。同時，氣體產(chǎn)物的瞬時產(chǎn)生會產(chǎn)生高壓環(huán)境，有助于形成具有多孔結構的LIG。在本節(jié)中，總結了LIG制造中使用的不同類型的激光器。此外，還討論了關鍵激光參數(shù)的影響，為高效生產(chǎn)具有所需結構和性能的LIG提供有用的信息。

2.3 LIG的制造和改性

石墨烯基材料的制備和改性是材料科學的重要課題?；谝子谡{整的加工參數(shù)，在激光照射下可以生產(chǎn)出具有可控表面形貌、表面性能、化學成分和電性能的 LIG。LIG制造過程中的雜原子摻雜顯著提高了基于LIG的器件的性能。LIG與各種材料的結合造就了具有先進功能的LIG雜化和復合材料。特別是，控制這些特征的空間變化的獨特能力對于各種應用非常有前景。

圖3、表面形貌圖示

2.4 應用

2.4.1生物傳感器

大表面積、高電子密度和光學透明度的獨特特性使LIG成為生物傳感應用的有前途的候選者。LIG材料制造的進步，以及它們的低成本和將LIG傳感元件集成到小型化設備中的可能性，使幾種類型的生物傳感和生物醫(yī)學應用得以開發(fā)。LIG 生物傳感器的常見配置包括薄膜晶體管、阻抗、電化學和熒光。通常，LIG生物傳感器由兩個主要元件組成：受體層和轉導層。受體層，也稱為生物分子，提供與目標分析物或一組分析物的特定化學相互作用/結合，允許選擇性生物傳感。轉導元件是LIG層，它將化學信息/相互作用轉換為可測量的參數(shù)，例如阻抗，電勢或光學強度。LIG生物傳感器用于檢測酶材料、脫氧核糖核酸（DNA）/核糖核酸（RNA）和免疫傳感，重點是即時分析和疾病的早期檢測，這可以提高生活質量。

圖4.生物場效應晶體管。

2.4.2 物理傳感器

物理變量（例如壓力、應變、溫度和濕度）的實時監(jiān)控在許多高級應用中至關重要，例如機器人、電子皮膚、醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)。因此，石墨烯傳感器因其能夠測量廣泛的物理變量而受到廣泛關注，具有良好的靈敏度，寬檢測范圍，快速響應時間，機械堅固性和長期穩(wěn)定性，由于石墨烯的優(yōu)越性能。然而，石墨烯合成的困難是石墨烯傳感器大規(guī)模生產(chǎn)的主要障礙。在過去的幾年中，3D多孔LIG的發(fā)現(xiàn)為高性能物理傳感器的簡單，高效和低成本制造開辟了新的途徑。在本節(jié)中，總結了最近報道的柔性物理傳感器，其中LIG被用作主要功能材料。

圖5、基于 LIG 的柔性物理傳感器。

2.5 儲能與發(fā)電裝置

柔性能源設備，如SC、電池和納米發(fā)電機，需要具有高導電性、機械柔韌性和熱/化學穩(wěn)定性的薄膜電極。在這方面，通過各種碳基板的激光加工獲得的LIG保證了具有高結晶度，分層孔隙率，高表面積以及與基板良好界面的3D多孔電極。在儲能設備（例如SC和電池）中，通過在金屬集電器上涂覆由活性材料，粘合劑和導電劑組成的電極漿料來制造常規(guī)電極?；贚IG的電極不需要粘合劑和導電劑，這簡化了制造過程，減少了化學廢物，并提高了機械強度。在以TENG為代表的納米發(fā)電機中，薄膜電極充當導電通道，以移動由活性介電材料之間相互作用產(chǎn)生的電荷。因此，必須降低介電材料與電極之間的界面電阻，其中在激光照射下在碳基板上直接形成LIG電極提供了優(yōu)異的鍵合特性。因此，通過定制LIG的物理、化學和電氣特性，可以輕松制造用于柔性能源器件的高性能電極。在本節(jié)中，總結了LIG電極在柔性SC，電池和TENG中的制備和應用。

圖6、使用木質素作為低成本前體的激光光刻工藝流程及性能圖示

圖7、用于電池的基于 LIG 的電極。

2.6其他應用

2.6.1 化學傳感器

基于LIG的傳感器廣泛用于檢測化學品并量化其濃度。LIG多孔網(wǎng)絡中的大表面積為表面化學反應提供了更多的活性位點，從而實現(xiàn)了高靈敏度和快速響應時間。已經(jīng)開發(fā)了各種類型的基于LIG的化學傳感器來檢測各種化學品。

2.6.2 氣體傳感器

基于LIG的傳感器可用于檢測各種氣體并提供必要的環(huán)境信息。LIG具有在柔軟和低成本基板上制造的能力，為可拉伸的可穿戴氣體傳感網(wǎng)絡開辟了有希望的道路，該網(wǎng)絡可以檢測人體產(chǎn)生的氣態(tài)生物標志物以及其他環(huán)境危害。

2.6.3 光電探測器

光電探測器在廣泛的應用中非常重要，包括光通信、光譜儀和熒光顯微鏡。傳統(tǒng)的光電探測器體積龐大、易碎且價格昂貴，這限制了它們在可穿戴應用中的使用。

2.6.4 電熱致動器

電熱致動器可以根據(jù)熱雙晶片效應改變其形狀。在對齊的LIG圖案在PI薄膜上制造，并夾在聚偏氟乙烯（PVDF）層和PI薄膜之間，形成PVDF/LIG/PI（PLP）致動器。PVDF作為活性層，因為它的熱膨脹系數(shù)比PI大得多。此外，PLP致動器可以將光轉換為熱能以擴展PVDF層，從而賦予自變形致動器。

2.6.5熱聲換能器

由于其高導電性、低熱容量和高導熱性，LIG是熱聲換能器的絕佳材料。

3小結

本文綜述了LIG研究從基礎到應用的研究進展。直接激光制備已被證明是一種簡單有效的方法，可以在惡劣條件下低成本和可擴展地生產(chǎn)復雜的石墨烯電極，無需掩模。LIG繼承了石墨烯的優(yōu)異性能，但其獨特的優(yōu)勢、可控的性能和易于生產(chǎn)，推動了其向眾多應用的過渡。迄今為止，已經(jīng)報道了各種基于LIG的高性能傳感器和能量設備。

從應用的角度來看，作者預計在不久的將來會開發(fā)出更多基于LIG的多功能設備。此外，將針對一步制造的便攜式/可穿戴電子產(chǎn)品實施包含所有LIG組件（例如傳感器，SC和TENG）的集成系統(tǒng)。目前，基于全LIG的集成系統(tǒng)實施和商業(yè)化的主要障礙是能量收集裝置仍然無法產(chǎn)生足夠的能量來長時間連續(xù)運行整個系統(tǒng)。因此，基于高效和多刺激LIG的能量收集器件、無線電力傳輸器件和低能耗的小型化電子設備對于未來基于LIG的集成系統(tǒng)的發(fā)展是必要的。此外，盡管許多基于LIG的設備已經(jīng)證明了其可行性和可靠性，但需要長期運行和穩(wěn)定的性能，而不是在實驗室中，以證明其實際用途。最后，應仔細評估吸入LIG顆粒的可能性及其在人體細胞/組織中的毒性，以用于可穿戴和植入式應用。

考慮到該領域的研究仍處于起步階段并且正在迅速發(fā)展，因此在材料、性能和應用方面有很大的進一步發(fā)展空間。近年來，已經(jīng)預見到LIG從實驗室到商業(yè)產(chǎn)品的轉移。LIG研究的成就旨在為可持續(xù)發(fā)展的社會鋪平道路。

文獻：

https://doi.org/10.1002/adfm.202270276

審核編輯 ：李倩