生物、化學(xué)和物理信息的實(shí)時(shí)檢測對于醫(yī)學(xué)診斷和環(huán)境監(jiān)測具有重要的意義。因此，迫切需要開發(fā)具有多種功能的高性能傳感器以滿足信息時(shí)代的要求。石墨烯是一種具有二維結(jié)構(gòu)的獨(dú)特材料，已被證明是機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變、生化物質(zhì)以及氣體、溫度和濕度傳感器的理想候選材料。

激光直寫石墨烯（LSG）用于應(yīng)力、生物、氣體、溫度和濕度傳感器

迄今為止，石墨烯的常規(guī)制備方法主要包括機(jī)械剝離（ME）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、外延生長（EG）和氧化石墨烯還原（rGO）等。然而，機(jī)械剝離法效率較低，化學(xué)氣相沉積法和外延生長法能耗高且價(jià)格昂貴，而氧化還原法在制備石墨烯過程中會造成環(huán)境污染。因此，一種可以避免這些缺點(diǎn)的石墨烯制備方法引起了人們的極大興趣，激光直寫（LDW）技術(shù)由于具有選擇性和局部還原、精確和快速的圖案化以及無需掩模和額外的化學(xué)品等優(yōu)勢，近年來廣受關(guān)注。激光直寫技術(shù)利用激光照射碳前驅(qū)體，并通過原位直寫即可制備石墨烯，因此無污染。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，來自上海理工大學(xué)和昆士蘭科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Light: Advanced Manufacturing期刊發(fā)表了一篇題為“Laser-Scribed Graphene for Sensors: Preparation, Modification, Applications and Future Prospects”的綜述文章，介紹了現(xiàn)有的激光直寫石墨烯（LSG）技術(shù)在傳感器應(yīng)用方面的最新進(jìn)展及未來展望。

LSG制備方法

利用激光直寫技術(shù)可以通過兩種方法制備LSG：激光還原氧化石墨烯和激光誘導(dǎo)石墨烯。第一種方法是使用飛秒激光照射還原石墨烯以制備LSG。第二種方法是通過激光照射聚合物前驅(qū)體（例如聚酰亞胺和酚醛樹脂）以及天然材料（例如紙張和木材）來制備LSG。通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)、控制大氣條件和摻雜等方法可以改變LSG的表面形態(tài)和性能。激光參數(shù)包括激光功率、掃描速度和脈沖重復(fù)率。較高的掃描速度和脈沖重復(fù)率以及潮濕環(huán)境可以改善LSG的表面親水性。摻雜可以提高基于LSG的傳感器的檢測范圍和靈敏度，例如，在摻雜劑和LSG之間建立導(dǎo)電通道會增加微裂紋數(shù)量和電阻，從而分別提高了應(yīng)力和應(yīng)變傳感器的性能。

LSG在各類傳感器中的應(yīng)用

研究人員從設(shè)計(jì)靈敏度高、檢測范圍廣、響應(yīng)時(shí)間快、重復(fù)性好的傳感器策略出發(fā)，重點(diǎn)介紹了LSG在應(yīng)力、生物、氣體、溫度、濕度和多功能集成傳感器中的應(yīng)用。應(yīng)力傳感器通過將力信號轉(zhuǎn)換成電信號以進(jìn)行檢測，由于LSG具有出色的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，可以響應(yīng)各種形式的外部施加應(yīng)力，并將其轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行檢測。生物傳感器通過將生物或生化反應(yīng)轉(zhuǎn)換為物理化學(xué)信號以進(jìn)行分析，LSG由于具良好的有電催化活性和強(qiáng)吸附能力，可靈敏地檢測葡萄糖、多巴胺、過氧化氫、核酸和胰島素等離子和生物分子。LSG還可以用于氣體、溫度和濕度等環(huán)境變化的檢測。LSG中大量的三維微納多孔結(jié)構(gòu)為氨、氫等氣體檢測提供了更多的活性位點(diǎn)和擴(kuò)散路徑。LSG具有高耐磨性和快速響應(yīng)時(shí)間，石墨烯電阻和溫度之間呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，因此可用作為溫度傳感器以實(shí)時(shí)監(jiān)測體溫和電池溫度的變化。LSG和氧化石墨烯的組合對濕度變化的敏感性明顯高于其他功能導(dǎo)電材料，因?yàn)長SG的孔隙率提高了氧化石墨烯的親水性。除了典型傳感器之外，在結(jié)合了兩個(gè)或多個(gè)物理或生物信號檢測的多功能集成傳感器中，LSG可以幫助實(shí)現(xiàn)更全面和準(zhǔn)確的檢測，例如與生化、溫度和應(yīng)變傳感器集成，用于汗液中的尿酸和酪氨酸檢測。

基于LSG的傳感器未來展望

研究人員稱，雖然基于LSG的傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些挑戰(zhàn)和進(jìn)一步發(fā)展的空間。在LSG制備方面，需要繼續(xù)研究新的前軀體，以提高生產(chǎn)效率和對生化物質(zhì)的粘附能力，同時(shí)改善相關(guān)缺陷。在提高傳感器性能方面，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)LSG表面微結(jié)構(gòu)和摻雜以提高應(yīng)力傳感器性能，可以采用電化學(xué)測試來分析生物傳感器，并結(jié)合超細(xì)激光光刻技術(shù)以最大限度地提高LSG結(jié)構(gòu)的比表面積。基于對激光物質(zhì)相互作用機(jī)理的深入研究以及激光誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)精確控制技術(shù)的發(fā)展，研究人員期望激光直寫技術(shù)可以擴(kuò)展到其它靈敏度更高、檢測范圍更廣、響應(yīng)時(shí)間更快、重復(fù)性更好的材料和傳感器中。

論文鏈接：
https://doi.org/10.37188/lam.2023.011