1成果簡介

激光誘導石墨烯（LIG）是一種新出現的三維多孔材料，當激光束照射在某些碳材料上時產生。LIG表現出高孔隙率、優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，減少了對環境的影響，并實現了從學術到工業的廣泛的應用。 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、制造參數和激光環境對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、三電納米發電機等等。最后，討論了LIG研究的當前挑戰和未來展望。

2圖文導讀

圖1、對3D多孔LIG的最新發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。脈沖持續時間和波長是顯著影響激光-材料相互作用的關鍵參數之一。大多數類型的激光器產生光熱效應，即目標材料吸收入射光子能量并將其轉換為熱能。快速的能量沉積會產生極高的溫度，并觸發碳化、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，在環境空氣中產生任意石墨烯圖案。

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

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域的光子能量，從而產生快速加熱過程（加熱速率高達1000°C s?1）并精確調節產生的溫度。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，氣體產物的瞬時產生會產生高壓環境，有助于形成具有多孔結構的LIG。在本節中，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的影響，為高效生產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。基于易于調整的加工參數，在激光照射下可以生產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學應用得以開發。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，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）的實時監控在許多高級應用中至關重要，例如機器人、電子皮膚、醫療保健和物聯網。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定性，由于石墨烯的優越性能。然而，石墨烯合成的困難是石墨烯傳感器大規模生產的主要障礙。在過去的幾年中，3D多孔LIG的發現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 儲能與發電裝置

柔性能源設備，如SC、電池和納米發電機，需要具有高導電性、機械柔韌性和熱/化學穩定性的薄膜電極。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電極。基于LIG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，從而實現了高靈敏度和快速響應時間。已經開發了各種類型的基于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絡開辟了有希望的道路，該網絡可以檢測人體產生的氣態生物標志物以及其他環境危害。

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復雜的石墨烯電極，無需掩模。LIG繼承了石墨烯的優異性能，但其獨特的優勢、可控的性能和易于生產，推動了其向眾多應用的過渡。迄今為止，已經報道了各種基于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/可穿戴電子產品實施包含所有LIG組件（例如傳感器，SC和TENG）的集成系統。目前，基于全LIG的集成系統實施和商業化的主要障礙是能量收集裝置仍然無法產生足夠的能量來長時間連續運行整個系統。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的集成系統的發展是必要的。此外，盡管許多基于LIG的設備已經證明了其可行性和可靠性，但需要長期運行和穩定的性能，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展，因此在材料、性能和應用方面有很大的進一步發展空間。近年來，已經預見到LIG從實驗室到商業產品的轉移。LIG研究的成就旨在為可持續發展的社會鋪平道路。

文獻：

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

審核編輯 ：李倩