激光工藝處理過的印刷石墨烯使“紙電子”成為可能

　　愛荷華州立大學(xué)Jonathan Claussen實驗室的研究人員(他們喜歡稱自己為納米工程師)一直在尋找在他們的傳感器和其他技術(shù)中使用石墨烯及其驚人的性能的途徑。

　　石墨烯是一種神奇的材料：這種碳蜂窩結(jié)構(gòu)只有一個原子厚。它具有很好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能;它強大而又穩(wěn)定。但研究人員一直都苦于無法將其從用于研究材料特性的實驗室小樣品推進到可以用于實際應(yīng)用的更大片的樣品。

　　最近的用噴墨打印機來打印多層石墨烯電路和電極的項目使得工程師們考慮將它用于柔性可穿戴的低成本電子產(chǎn)品上。例如，“我們可以制造尺寸足夠大的用于葡萄糖傳感器的石墨烯嗎?”Suprem Das問，他是愛荷華州立大學(xué)的機械工程博士后研究助理和美國能源部Ames實驗室的助理。

　　但是現(xiàn)有的技術(shù)存在著一些問題。石墨烯被印刷之后，必須要進行處理以提高導(dǎo)電性和設(shè)備的性能。這通常意味著高溫或化學(xué)物質(zhì)——這兩者都可能會使塑料薄膜或者紙張等柔性或一次性的印刷表面劣化。

　　愛荷華州立大學(xué)的工程師正在開發(fā)實用，低成本的石墨烯應(yīng)用。

　　Das和Claussen想出了利用激光來處理石墨烯的想法。Claussen是愛荷華州立大學(xué)的機械工程助理教授以及Ames實驗室的助理，其與普渡大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院副教授Gary Cheng合作開發(fā)和試驗這個想法。

　　結(jié)果證明是可行的：他們發(fā)現(xiàn)，用脈沖激光工藝對噴墨印刷的多層石墨烯電路和電極進行處理提高了導(dǎo)電性，而不會損壞紙張，聚合物或其他脆弱的印刷表面。

　　“這將創(chuàng)造一種將石墨烯生產(chǎn)進行商業(yè)化和規(guī)?；姆绞剑?rdquo;Claussen說。

　　該研究結(jié)果刊登在35期的《Nanoscale》雜志的封面上。Claussen和Cheng是通訊作者，Das是第一作者。來自愛荷華州立大學(xué)的其他合著者包括 Allison Cargill, John Hondred 和Shaowei Ding，他們是機械工程專業(yè)的研究生。來自普度大學(xué)的其他合著者包括Qiong Nian和Mojib Saei，他們是工業(yè)工程專業(yè)的研究生。

　　兩個重大基金資助了本項目及相關(guān)的研究：美國農(nóng)業(yè)部國家食品與農(nóng)業(yè)研究院一項編號為11901762的為期三年的資助，和Roy J.Carver慈善信托的一項為期三年的資助。愛荷華州立大學(xué)工程學(xué)院和機械工程系也資助了該項研究。

　　愛荷華州立大學(xué)研究基金會公司已經(jīng)為該技術(shù)申請了一個專利。

　　“這個項目的突破是將噴墨印刷的石墨烯轉(zhuǎn)化為可用于新應(yīng)用的導(dǎo)電材料，”Claussen說。

　　這些應(yīng)用可能包括用于生物應(yīng)用的傳感器，儲能系統(tǒng)，導(dǎo)電元件，甚至是基于紙張的電子產(chǎn)品。

　　為了使這一切變成可能，工程師們開發(fā)了計算機控制的激光技術(shù)，其可以選擇性地照射噴墨印刷的石墨烯氧化物。該處理移除了油墨粘合劑，并減少了石墨烯上的石墨烯氧化物——從物理上將數(shù)以百萬計的小石墨烯薄片拼接了起來。該工藝使電導(dǎo)率提高了超過一千倍。

　　“該激光器采用了高能光子的快速脈沖，其不會對石墨烯或襯底造成損壞，”Das說。“它們在局部加熱。它們在局部轟炸。它們在局部處理。”

　　局部化的激光處理工藝也將印刷石墨烯的形狀和結(jié)構(gòu)從一個平坦的表面轉(zhuǎn)變成隆起的三維納米結(jié)構(gòu)。工程師們說，該三維結(jié)構(gòu)就像是從表面升起的微小花瓣。粗糙的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)增加了石墨烯的電化學(xué)反應(yīng)活性，使它可以用于化學(xué)和生物傳感器。

　　根據(jù)Claussen的納米工程師團隊所說，所有這一切將會使石墨烯走向商用。

　　“這項工作不僅為基于紙質(zhì)的含有石墨烯電路的電子產(chǎn)品鋪平了道路，”研究人員在他們的論文中寫道：“它還使可用于包括傳感器，生物傳感器，燃料電池以及(醫(yī)療)設(shè)備等無數(shù)應(yīng)用的低成本一次性的基于石墨烯的電極成為可能。”