激光工艺处理过的印刷石墨烯使“纸电子”成为可能

爱荷华州立大学Jonathan Claussen实验室的研究人员（他们喜欢称自己为纳米工程师）一直在寻找在他们的传感器和其他技术中使用石墨烯及其惊人的性能的途径。

　　石墨烯是一种神奇的材料：这种碳蜂窝结构只有一个原子厚。它具有很好的导电和导热性能；它强大而又稳定。但研究人员一直都苦于无法将其从用于研究材料特性的实验室小样品推进到可以用于实际应用的更大片的样品。

　　最近的用喷墨打印机来打印多层石墨烯电路和电极的项目使得工程师们考虑将它用于柔性可穿戴的低成本电子产品上。例如，“我们可以制造尺寸足够大的用于葡萄糖传感器的石墨烯吗？”Suprem Das问，他是爱荷华州立大学的机械工程博士后研究助理和美国能源部Ames实验室的助理。

　　但是现有的技术存在着一些问题。石墨烯被印刷之后，必须要进行处理以提高导电性和设备的性能。这通常意味着高温或化学物质——这两者都可能会使塑料薄膜或者纸张等柔性或一次性的印刷表面劣化。

　　激光工艺,石墨烯

　　爱荷华州立大学的工程师正在开发实用，低成本的石墨烯应用。

　　Das和Claussen想出了利用激光来处理石墨烯的想法。Claussen是爱荷华州立大学的机械工程助理教授以及Ames实验室的助理，其与普渡大学工业工程学院副教授Gary Cheng合作开发和试验这个想法。

　　结果证明是可行的：他们发现，用脉冲激光工艺对喷墨印刷的多层石墨烯电路和电极进行处理提高了导电性，而不会损坏纸张，聚合物或其他脆弱的印刷表面。

　　“这将创造一种将石墨烯生产进行商业化和规模化的方式，”Claussen说。

　　该研究结果刊登在35期的《Nanoscale》杂志的封面上。Claussen和Cheng是通讯作者，Das是第一作者。来自爱荷华州立大学的其他合著者包括 Allison Cargill, John Hondred 和Shaowei Ding，他们是机械工程专业的研究生。来自普度大学的其他合著者包括Qiong Nian和Mojib Saei，他们是工业工程专业的研究生。

　　两个重大基金资助了本项目及相关的研究：美国农业部国家食品与农业研究院一项编号为11901762的为期三年的资助，和Roy J.Carver慈善信托的一项为期三年的资助。爱荷华州立大学工程学院和机械工程系也资助了该项研究。

　　爱荷华州立大学研究基金会公司已经为该技术申请了一个专利。

　　“这个项目的突破是将喷墨印刷的石墨烯转化为可用于新应用的导电材料，”Claussen说。

　　这些应用可能包括用于生物应用的传感器，储能系统，导电元件，甚至是基于纸张的电子产品。

　　为了使这一切变成可能，工程师们开发了计算机控制的激光技术，其可以选择性地照射喷墨印刷的石墨烯氧化物。该处理移除了油墨粘合剂，并减少了石墨烯上的石墨烯氧化物——从物理上将数以百万计的小石墨烯薄片拼接了起来。该工艺使电导率提高了超过一千倍。

　　“该激光器采用了高能光子的快速脉冲，其不会对石墨烯或衬底造成损坏，”Das说。“它们在局部加热。它们在局部轰炸。它们在局部处理。”

　　局部化的激光处理工艺也将印刷石墨烯的形状和结构从一个平坦的表面转变成隆起的三维纳米结构。工程师们说，该三维结构就像是从表面升起的微小花瓣。粗糙的脊状结构增加了石墨烯的电化学反应活性，使它可以用于化学和生物传感器。

　　根据Claussen的纳米工程师团队所说，所有这一切将会使石墨烯走向商用。

　“这项工作不仅为基于纸质的含有石墨烯电路的电子产品铺平了道路，”研究人员在他们的论文中写道：“它还使可用于包括传感器，生物传感器，燃料电池以及（医疗）设备等无数应用的低成本一次性的基于石墨烯的电极成为可能。”