?香港城大葉汝全《自然·通訊》：激光誘導(dǎo)石墨烯拓?fù)淙毕莸拈W光修復(fù)
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Polymer-science
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為了解決這一問題， 香港城市大學(xué) 葉汝全教授 團(tuán)隊(duì) 采用快速焦耳熱（flash Joule-heating, FJH）技術(shù)在原子水平上修復(fù)LIG中存在的缺陷，并同時(shí)保持其宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的完整性（F-LIG） 。FJH利用高直流電脈沖實(shí)現(xiàn)快速電阻加熱，相比傳統(tǒng)熱處理方法，F(xiàn)JH具有加熱速度快和局域化的優(yōu)勢(shì)。而與用于LIG制備的激光脈沖相比，F(xiàn)JH的加熱時(shí)間較長(zhǎng)，通常為幾十毫秒到幾秒，有助于LIG內(nèi)碳原子的重新排列，從而改善其有序性。相關(guān)工作以題為“Flash healing of laser-induced graphene”的論文發(fā)表在《 Nature Communications 》上。
F-LIG制備及FJH過程研究
F-LIG是通過在真空條件下，在LIG兩端施加毫秒級(jí)高直流電壓制備的。電流通過LIG產(chǎn)生瞬時(shí)熱量，并產(chǎn)生明亮的閃光。由于高效的電能-熱能轉(zhuǎn)化，可以通過調(diào)節(jié)施加電壓精確控制FJH過程。結(jié)果顯示，隨著電壓升高，閃光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，相應(yīng)的加熱溫度可達(dá)到2000 ℃以上。與原始LIG相比，F(xiàn)-LIG的電阻顯著降低，且隨FJH電壓增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。為了深入研究FJH過程，記錄了FJH過程中的瞬時(shí)電壓（U）和電流（I），并計(jì)算了瞬時(shí)功率密度（P A ）和瞬時(shí)能量密度（E A ）。在150V和160V的電壓下，電流曲線與電壓曲線呈相似趨勢(shì)。當(dāng)電壓增加到170V以上時(shí)，電流曲線出現(xiàn)突增過程，表明LIG電阻顯著降低。電壓為190 V時(shí)，瞬時(shí)功率密度達(dá)到約2100W cm -2 ，瞬時(shí)能量密度達(dá)到27.55J cm -2 ，表明在LIG圖案內(nèi)發(fā)生了迅速且顯著的能量輸入和熱量生成。
圖1. a F-LIG制備示意圖； b 不同電壓FJH過程的照片； c FJH過程所達(dá)到的溫度和能量密度； d LIG及F-LIG電阻對(duì)比； e 電壓， f 電流和 g 功率密度曲線。
缺陷結(jié)構(gòu)研究
Raman光譜表征顯示，經(jīng)FJH處理后F-LIG的D峰明顯降低，表明結(jié)構(gòu)中缺陷密度減小。由I D /I G 計(jì)算可知，原始LIG的a軸方向晶粒尺寸(L a )為22.9 nm，而F-LIG-190 V的L a 達(dá)到60 nm。這些結(jié)果表明，F(xiàn)JH可以顯著促進(jìn)LIG中缺陷的修復(fù)，使結(jié)晶區(qū)域擴(kuò)大。此外，2D峰呈現(xiàn)明顯的變窄和增強(qiáng)，較小的半高寬和較高的I 2D /I G 表明石墨烯質(zhì)量改善和層疊減少。還觀察到F-LIG的2D峰隨FJH電壓增大出現(xiàn)藍(lán)移，可能歸因于石墨烯層數(shù)、晶格應(yīng)變以及電子能帶結(jié)構(gòu)的改變。
圖2. a, b LIG及F-LIG的Raman光譜； c LIG及F-LIG的I D /I G 和L a ； d LIG及F-LIG的I 2D /I G 和2D峰半高寬； e LIG及F-LIG的XPS譜圖和 f C1s譜圖。
原子水平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究
使用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察原子尺度形貌發(fā)現(xiàn)，LIG中碳原子呈現(xiàn)無序排列，包含大量的五邊形-七邊形結(jié)構(gòu)，而在F-LIG樣品中觀察到高度有序的六角形碳晶格。此外，采用對(duì)分布函數(shù)(PDF)分析了LIG和F-LIG的原子間距離和相對(duì)位置。LIG的最近鄰峰的中心位置在1.458 ?，具有較寬的離散范圍。經(jīng)過FJH處理后，該峰明顯變窄，F(xiàn)-LIG-170 V和F-LIG-190 V的鍵距分別縮短至1.444 ?和1.425 ?。鍵距減小且分布更加集中表明碳環(huán)結(jié)構(gòu)由五-七元環(huán)為主向富含六元環(huán)轉(zhuǎn)變。此外，F(xiàn)-LIG中位于更大鍵距處的信號(hào)也更加明顯，表明F-LIG中存在更多的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。
圖3. a,b LIG和 c,d F-LIG的HRTEM圖像； e,f LIG和F-LIG的PDF曲線。
F-LIG的應(yīng)用
由于F-LIG的導(dǎo)電性能得到改善且三維多孔結(jié)構(gòu)完好，研究者將其應(yīng)用于高性能壓阻應(yīng)變傳感器。結(jié)果顯示，基于LIG和F-LIG的應(yīng)變傳感器的靈敏度分別為16.4和129.3。F-LIG增強(qiáng)的導(dǎo)電性有助于更有效的電子傳輸，從而在應(yīng)變下產(chǎn)生更明顯的電阻變化，提升傳感器的靈敏度。此外，該傳感器還表現(xiàn)出優(yōu)秀的穩(wěn)定性。隨后，研究者展示了傳感器在監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)、語音識(shí)別和人機(jī)界面等方面的應(yīng)用潛力。
圖4. a,b LIG和F-LIG基傳感器彎曲過程的電阻變化； c F-LIG基傳感器拉伸過程的電阻變化； d 電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系； e 循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試； f 不同拉伸速率下的電阻變化。