石墨烯是一種以sp²雜化的碳原子組成的單原子層二維材料，是目前國際材料領(lǐng)域的研究熱點。石墨烯獨特的電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)等特性，使其在微電子、儲能、柔性顯示、透明導(dǎo)電電極以及復(fù)合材料等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。石墨烯的電子結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率、透光率等性能均與其層數(shù)緊密相關(guān)。因此，精確控制石墨烯的層數(shù)成為十分重要的研究內(nèi)容。雖然現(xiàn)有制備石墨烯的方法如化學(xué)氣相沉積法可以得到單層或少數(shù)層的石墨烯，但快速可控得到精確層數(shù)的石墨烯仍然是現(xiàn)階段石墨烯制備的一大瓶頸挑戰(zhàn)。此外，高效制備圖案化石墨烯也是石墨烯應(yīng)用中亟需解決的問題。

清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖教授課題組，基于973項目“激光微納制造新方法和尺度極限基礎(chǔ)研究”（2011CB013005），系統(tǒng)研究了超快激光與石墨烯相互作用的機制和規(guī)律，發(fā)展了一種精確控制石墨烯層數(shù)的新方法。此方法以化學(xué)氣相沉積方法制備的多層石墨烯作為對象，運用超快激光光子與石墨烯的作用實現(xiàn)石墨烯的減薄，經(jīng)過系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)了不同層數(shù)石墨烯的激光燒蝕閾值，通過精確調(diào)控超快激光的能流密度和激光掃描速率，可將多層石墨烯經(jīng)一次掃描減薄至所需要的任意層數(shù)。圖1上部為原始5層厚的石墨烯經(jīng)超快激光分別去除其中1層、2層、3層、4層之后得到的4層石墨烯、3層石墨烯、2層石墨烯和1層石墨烯的照片（石墨烯依附在PDMS膜上），下部為不同厚度石墨烯在光學(xué)顯微鏡下的顏色。不同層數(shù)石墨烯的透光率不同，從石墨烯顏色的深淺可以直觀看出石墨烯的大致層數(shù)。除了光學(xué)對比度以外，還通過拉曼光譜、原子力顯微鏡和透過率等一些列測試方法驗證了激光精確減薄的效果。

圖1 原始5層石墨烯經(jīng)超快激光減薄后得到的4層、3層、2層和1層石墨烯的照片和其對應(yīng)的光學(xué)顯微鏡顏色照片

圖2超快激光圖案化減薄石墨烯得到的精確層數(shù)的石墨烯圖案 

他們還研究了超快激光減薄石墨烯的機制，與現(xiàn)有報道的借助破壞頂層石墨烯進(jìn)而氧化去除石墨烯的減薄機理不同，超快激光光子能量尚不足以直接破壞石墨烯中的碳-碳鍵使其斷裂，而是作用于石墨烯層片之間以及石墨烯晶界之處等結(jié)合力弱的地方，使原子振動加劇，層間距增大，在特定的超快激光能量閾值下產(chǎn)生“剝離”作用。

該研究組還將超快激光減薄后得到的不同層數(shù)石墨烯制成了場效應(yīng)管，其性能的變化與石墨烯層數(shù)相吻合。說明這種精確控制石墨烯層數(shù)的新方法在石墨烯器件的制造中有著廣闊的應(yīng)用前景。

超快激光精確減薄控制石墨烯層數(shù)的新方法具有諸多優(yōu)勢：例如，超快激光為非接觸式加工，避免了石墨烯不必要的破壞和污染；超快激光為冷加工，對加工環(huán)境和石墨烯基底要求低；加工效率高，一次加工即可將石墨烯減薄至期望的層數(shù)；加工過程柔性好，易實現(xiàn)任意圖案化的石墨烯減薄。該方法預(yù)期在高質(zhì)量石墨烯柔性顯示、石墨烯傳感器、石墨烯電子器件等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在英國自然出版集團(tuán)的《Scientific Reports》, 01/2015, 5:11662, DOI:10.1038/srep11662。