激光直写石墨烯图案及其无金属催化生长机理研究

Artificial Intelligence (AI) has attracted increasingly attentions due to its epoch-making modern innovation of our daily life. Graphene electronics can make the AI dream come true owing to the extraordinary electrical and mechanical properties. Normally, graphene electronics are produced by 3 steps: graphene growth by CVD method, transfer from metal to organic substrate, and patterning according to specific electronics. During the processing, the impurity can be introduced into graphene and destroy the structure of graphene. To solve this issue, we proposed a one-step solution, i.e. laser direct writing of graphene patterns on insulating substrates under ambient conditions. With the laser irradiation, the organic carbon source can be decomposed to short carbon chains or carbon atoms. Under the dual function of laser and substrate, the carbon source will rearrange and form graphene film. This approach can directly make any pattern designed by CAD without any masks. We offer a unique method to realize the graphene electronics in one single step, which opens a door for fabricating various advanced functional devices.

智能电子时代是未来发展的趋势，石墨烯的出现将有效加快智能化进程。目前高质量的石墨烯器件通常是采用“制备-转移-图案化”三步法制成，每一步都不可避免地引入杂质，破坏石墨烯的结构，对石墨烯终端产品产生无法弥补的不良影响，无法发挥石墨烯优异的特性。基于该现状，本课题提出“一步法”制备石墨烯图案，旨在同步实现石墨烯的原位制备和石墨烯的图案化，无需转移过程。研究以激光为能量源的石墨烯图案阵列直写技术及无金属催化剂的石墨烯生长机理：在透明/柔性基底涂覆固态碳源，利用激光的高能量破坏原碳源的结构，形成短碳链或活性碳基，在基底催化和激光能量双重作用下，使得碳源在基底表面进行二维重构，进而形成石墨烯薄膜。同时配以高精度振镜等运动机构，在无掩膜的条件下可高效获得任意图案阵列。该技术可一步实现精密化的石墨烯器件可控组装，将为石墨烯在电子器件领域的应用提供实验基础和理论支撑。

智能电子时代是未来发展的趋势，石墨烯的出现将有效加快智能化进程。在可穿戴传感器领域中，石墨烯具有很大的应用潜力。目前高质量的石墨烯器件通常是采用“制备-转移-图案化”三步法制成，工艺流程复杂，不利用石墨烯真正走向应用端。基于该现状，本项目提出“一步法”制备石墨烯图案，旨在同步实现石墨烯的原位制备和石墨烯的图案化，无需转移过程。本项目采用了激光法和化学气相沉积法均在非金属基底表面成功制备出了石墨烯薄膜，并重点研究了石墨烯在传感器领域中的应用。通过飞秒激光可控引入缺陷，得到了圆形、正方形、三角形和六边形四种不同图案不同密度的图案化石墨烯。这些图案的边缘存在丰富的悬键、空位和杂质，这些活性位点即为石墨烯传感器的关键之处。研究结果表明，本项目制备的图案化石墨烯对不同的环境变量具有高选择性，即圆形阵列对应变传感响应最显著，三角形阵列则对温度变化最为敏感，而六边形则对气体和湿度最敏感。其中最高灵敏度可达10^4量级。申请人采用密度泛函理论对传感机理进行分析，可得应变传感机理为微裂纹的扩展和恢复，温度传感机理为声子和电子的散射作用，而气敏和湿敏传感机理则为吸附机理。图案化石墨烯的高选择性来源于不同图案的缺陷类型和分布不同。将不同图案集成在一个器件中，即可形成多功能复合传感器。将其贴附在人体皮肤或衣服上可实现同时检测人体脉搏、体温和有害气体，提供实时健康监测和保护。本项目开发的图案化石墨烯传感器为目前传感领域中的重要难点——选择性提供了新的思路和解决方案，在下一代电子皮肤材料领域中具有广阔的应用前景。