1. 什么是石墨烯？

石墨烯是單層碳原子緊密排列構(gòu)成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)建其他碳質(zhì)材料的基本單元。單層厚度大約是0.34 nm，形象的說，是頭發(fā)絲的20萬分之一。

圖1 石墨烯結(jié)構(gòu)圖

石墨烯有一系列優(yōu)異性能，如優(yōu)良的力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能。它比鉆石更硬，又是最柔軟的薄膜材料。它擁有優(yōu)異的電子遷移率和電導(dǎo)率，并且透光性好。它是已知最優(yōu)的熱導(dǎo)體，導(dǎo)熱性能比銅高10倍。它具有極穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、非常低的密度、高比面積、柔性不滲透性、2D材料、半金屬性。

由于這些優(yōu)越的性能，石墨烯的應(yīng)用潛力巨大。例如，石墨烯可以應(yīng)用在透明電極/柔性顯示、鋰電池、牙齒“紋身”、石墨烯散熱片、單分子氣體傳感器、石墨烯晶體管、透明導(dǎo)電電極、集成電路IC、超級電容、石墨烯生物器件、單分子氣體傳感器、石墨烯晶體管、集成電路IC、超級電容、石墨烯生物器件。

2. 當(dāng)激光遇到石墨烯

目前，我們可以查到不少激光與石墨烯的文獻(xiàn)。那么，當(dāng)激光遇到石墨烯，我們能否用激光直接打印石墨烯呢？

化學(xué)氣相沉積法制備石墨烯需要一些條件，如需要固體碳源、熱源（一般1000°以上）和催化劑。假如我們用固體碳源、金屬鎳作為催化劑，將激光作為熱源，是否就能用增材制造的方法打印石墨烯呢？

此外，激光作為一種加工工具，與石墨烯的相互作用如何？如通過激光制備、切割、減薄、連接、改性、摻雜石墨烯。

清華大學(xué)鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)采用激光打印石墨烯，得出樣品。步驟如下：

1）基體表面光潔處理，如磨、拋、清洗；

2）將碳源分散在酒精中，利用旋涂機(jī)將分散液均勻旋涂在基體上，得到-20微米碳涂層；

3）用聚焦的光纖激光掃描碳源，需要注意激光功率密度、激光掃描速率、保護(hù)氣氛；

4）冷卻后，清除剩余碳粉，超聲清洗樣品。

圖2

激光打印完成后，第一步用拉曼光譜方法檢測是否為石墨烯。

石墨和石墨烯的區(qū)別是拉曼光譜檢測峰高不同，石墨烯的2D峰高于G峰，石墨G峰高于2D峰。石墨烯層數(shù)增加時(shí)，2D峰的相對強(qiáng)度降低，同時(shí)峰位右移。

圖3 石墨與石墨烯的拉曼光譜對比

第一步，在激光打印的樣品上任選四點(diǎn)進(jìn)行拉曼光譜檢測，拉曼譜峰與典型石墨烯拉曼特征相符合，則可初步確定該樣品薄膜為石墨烯。

第二步，用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析。由于石墨烯與基底上熱導(dǎo)率不同，因此在光學(xué)顯微鏡下，石墨烯表明會(huì)出現(xiàn)很多微小的褶皺，掃描電鏡下則會(huì)顯示為更清晰的褶皺，這是判斷是否為石墨烯薄膜的典型特征。

第三步，用透射電鏡進(jìn)行分析,可以看到石墨烯的不同層數(shù)。

上述分析方法可以證明激光的確打印出了石墨烯。

如何打印大面積的石墨烯呢？課題組嘗試采用了半導(dǎo)體激光的寬光束進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)大面積的石墨烯打印。打印石墨烯的寬度等于激光束寬度，打印的石墨烯長度等于激光掃描的長度，具備連續(xù)批量制備的能力。通過面掃描拉曼光譜檢測，可以證明打印出來的石墨烯是比較均勻的。

激光打印石墨烯的最大的優(yōu)勢是可以利用掃描軟件控制獲得許多不一樣的圖案，因此用激光打印石墨烯，可以打印出許多漂亮的圖案。

圖4 激光打印石墨烯

3.激光打印石墨烯的參數(shù)優(yōu)化

采用激光打印石墨烯，想要得到較好的結(jié)果，就需要對激光參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過研究激光功率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用過低功率照射時(shí)，表面會(huì)有殘留的碳粉。高功率增大一定程度時(shí)，碳源完全溶解，在表面形成連續(xù)的石墨烯。當(dāng)功率過大時(shí)，表面出現(xiàn)明顯的氧化現(xiàn)象，就不存在石墨烯了。

掃描速度也會(huì)對結(jié)果產(chǎn)生影響。與激光功率的影響相似，掃描速度由大到小，輸入的熱量逐漸增大，表面依次形成殘余碳、石墨烯薄膜、氧化石墨烯、鎳的氧化物。

可以通過碳涂層的厚度來控制激光打印石墨烯的層數(shù)，碳涂層厚度越小，2D的峰的相對強(qiáng)度越大，石墨烯的層數(shù)越少。

4. 激光打印石墨烯在防腐領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯具有化學(xué)穩(wěn)定性，使得石墨烯不易與腐蝕介質(zhì)發(fā)生腐蝕反應(yīng)。石墨烯的抗透性阻隔了水分子、氧分子、氯離子等其他腐蝕介質(zhì)與基體的直接接觸。石墨烯的高導(dǎo)電性為電子提供通道，中斷腐蝕反應(yīng)。因此，激光打印的石墨烯具有良好的抗腐蝕性。

通過課題組一系列測試，研究得出普通碳鋼表面激光打印石墨烯后，其耐腐蝕性與超級耐腐蝕不銹鋼達(dá)到同一水平；用激光打印了石墨烯的碳鋼表面的耐腐蝕性明顯優(yōu)于將CVD方法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到碳鋼表面的耐腐蝕性。

激光打印石墨烯的方法，打破了目前石墨烯量造的困局，創(chuàng)造了更多可能。

文章內(nèi)容根據(jù)鐘敏霖教授做客“光學(xué)前沿在線”直播間授課內(nèi)容整理而成。激光打印石墨烯為鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)973課題研究成果。