石墨烯微机电系统飞秒激光加工关键技术研究

Non-silicon MEMS is a kind of micro electro mechanical system based on non-silicon materials, which has important applications in biochip, flexible electronics, sensors, and energy acquisition. Graphene has become a promising material for the development of non-silicon MEMS due to its flexibility, transparency, conductivity, biocompatibility and high mechanical strength. However, the development of graphene-based non-silicon MEMS is still limited by the fabrication and integration process of core devices. To this end, we focus on the specific requirements of different functional components based on graphene. The fabrication and integration of high-performance supercapacitors, sensors, actuators and other micro-components based on the coupling control of femtosecond laser on the doping concentration, micro-nanostructure, and physical property gradient of graphene oxide was proposed. The connection of electrodes between different devices is based on the conductivity and geometrical shape of laser reduced graphene oxide. We will fabricate graphene based MEMS including microsupercapacitor-microsensor-microactuator integrated system. The area specific capacitance of supercapacitor is more than 50mFcm-2. The sensitivity of humidity sensor is more than 100. The deformation of micro-actuators is more than 10°.

非硅MEMS是基于非硅材料的微机电系统，在生物芯片、柔性电子、微纳传感与能源等领域有重要应用。石墨烯由于柔性、透明、导电、生物兼容以及高机械强度等特性，成为研制非硅 MEMS的理想材料，但目前研究仅限于单立器件，如何实现微器件制备、互连与集成是石墨烯基非硅MEMS走向实用化的瓶颈问题。为此，本项目聚焦不同功能部件对石墨烯材料物性调控的个性化要求这一关键科学问题，提出飞秒激光调控掺杂、微纳结构、物性梯度、导电性与几何形状双重调控等创新思想与技术，利用氧化石墨烯单一初始材料和飞秒激光直写单一技术，制备高性能储能、传感和执行器件，在此基础之上，实现微超级电容器-微传感器-微执行器组成的概念性集成系统，其中各器件指标达到：储能器件指标达到面积比电容≥50 mFcm-2；湿度传感灵敏度≥100；微执行器形变量≥10°。

微机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)是一个独立的集成智能系统，主要由微电源、微传感器、微执行器等核心部件构成。得益于硅基半导体工艺，硅基MEMS器件得到飞速的发展，在汽车电子、消费电子、集成光学、生物医学、军事国防等领域具有广泛的应用。然而，伴随着MEMS技术的成熟和应用领域的拓展，硅基MEMS的材料局限性也越发明显，迫切需要开发非硅基MEMS技术。近年来，石墨烯由于柔性、透明性、导电性、生物兼容性和高机械强度等物理化学特性成为非硅MEMS的理想材料，目前研究仅限于单立器件，如何实现微器件制备、互连与集成是石墨烯基非硅MEMS走向实用化的瓶颈问题。.针对这些问题，本项目主要研究了：（1）石墨烯材料的激光制备方法。主要研究了激光与氧化石墨烯相互作用机理，研究了激光加工参数对制备的还原氧化石墨烯电学性质、力学性质等影响。（2）石墨烯传感器的制备。主要研究了激光加工参数对还原氧化石墨烯中氧含量的调控能力，研究制备了基于还原氧化石墨烯的湿度传感器、压力传感器等。（3）石墨烯多场驱动执行器的制备。主要研究制备了激光还原氧化石墨烯制备湿度响应执行器、光响应执行器、电响应执行器，并拓展了执行器应用场景。（4）石墨烯超级电容器的制备。主要研究了激光双光束干涉技术制备结构化的还原氧化石墨烯，制备基于结构化的还原氧化石墨烯电极的超级电容器。（5）石墨烯微机电系统内器件的制备与集成。主要研究了基于氧化石墨烯功能材料平台，调控激光加工参数，制备传感器-执行器-超级电容器集成的微系统。.项目完成了预定的研究内容和研究目标，共发表高水平SCI论文10篇，申请发明专利3项，培养研究生3名。项目突破集成化石墨烯MEMS开发的技术瓶颈，建立石墨烯MEMS激光加工标准工艺，获得自主知识产权，为石墨烯MEMS在军事国防、电子制造等领域应用储备核心技术。