激光工藝處理過(guò)的印刷石墨烯使“紙電子”成為可能

　　愛(ài)荷華州立大學(xué)Jonathan Claussen實(shí)驗室的研究人員(他們喜歡稱(chēng)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：這種碳蜂窩結構只有一個(gè)原子厚。它具有很好的導電和導熱性能;它強大而又穩定。但研究人員一直都苦于無(wú)法將其從用于研究材料特性的實(shí)驗室小樣品推進(jìn)到可以用于實(shí)際應用的更大片的樣品。

　　最近的用噴墨打印機來(lái)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(wèn)，他是愛(ài)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(shí)驗室的助理。

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

　　愛(ài)荷華州立大學(xué)的工程師正在開(kāi)發(fā)實(shí)用，低成本的石墨烯應用。

　　Das和Claussen想出了利用激光來(lái)處理石墨烯的想法。Claussen是愛(ài)荷華州立大學(xué)的機械工程助理教授以及Ames實(shí)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(kāi)發(fā)和試驗這個(gè)想法。

　　結果證明是可行的：他們發(fā)現，用脈沖激光工藝對噴墨印刷的多層石墨烯電路和電極進(jìn)行處理提高了導電性，而不會(huì )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(jìn)行商業(yè)化和規?；姆绞?，”Claussen說(shuō)。

　　該研究結果刊登在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(lái)自愛(ài)荷華州立大學(xué)的其他合著(zhù)者包括 Allison Cargill, John Hondred 和Shaowei Ding，他們是機械工程專(zhuān)業(yè)的研究生。來(lái)自普度大學(xué)的其他合著(zhù)者包括Qiong Nian和Mojib Saei，他們是工業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的研究生。

　　兩個(gè)重大基金資助了本項目及相關(guān)的研究：美國農業(yè)部國家食品與農業(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(ài)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(ài)荷華州立大學(xué)研究基金會(huì )公司已經(jīng)為該技術(shù)申請了一個(gè)專(zhuān)利。

　　“這個(gè)項目的突破是將噴墨印刷的石墨烯轉化為可用于新應用的導電材料，”Claussen說(shuō)。

　　這些應用可能包括用于生物應用的傳感器，儲能系統，導電元件，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(kāi)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——從物理上將數以百萬(wàn)計的小石墨烯薄片拼接了起來(lái)。該工藝使電導率提高了超過(guò)一千倍。

　　“該激光器采用了高能光子的快速脈沖，其不會(huì )對石墨烯或襯底造成損壞，”Das說(shuō)。“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構從一個(gè)平坦的表面轉變成隆起的三維納米結構。工程師們說(shuō)，該三維結構就像是從表面升起的微小花瓣。粗糙的脊狀結構增加了石墨烯的電化學(xué)反應活性，使它可以用于化學(xué)和生物傳感器。

　　根據Claussen的納米工程師團隊所說(shuō)，所有這一切將會(huì )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(xiě)道：“它還使可用于包括傳感器，生物傳感器，燃料電池以及(醫療)設備等無(wú)數應用的低成本一次性的基于石墨烯的電極成為可能。”