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。

　　但是現有的技術存在著一些問題。石墨烯被印刷之后，必須要進行處理以提高導電性和設備的性能。這通常意味著高溫或化學物質——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。

　　激光工藝,石墨烯

　　愛荷華州立大學的工程師正在開發實用，低成本的石墨烯應用。

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

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

　　“這將創造一種將石墨烯生產進行商業化和規模化的方式，”Claussen說。

　　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。來自愛荷華州立大學的其他合著者包括 Allison Cargill, John Hondred 和Shaowei Ding，他們是機械工程專業的研究生。來自普度大學的其他合著者包括Qiong Nian和Mojib Saei，他們是工業工程專業的研究生。

　　兩個重大基金資助了本項目及相關的研究：美國農業部國家食品與農業研究院一項編號為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。愛荷華州立大學工程學院和機械工程系也資助了該項研究。

　　愛荷華州立大學研究基金會公司已經為該技術申請了一個專利。

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

　　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品。

　　為了使這一切變成可能，工程師們開發了計算機控制的激光技術，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計的小石墨烯薄片拼接了起來。該工藝使電導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構從一個平坦的表面轉變成隆起的三維納米結構。工程師們說，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反應活性，使它可以用于化學和生物傳感器。

　　根據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的含有石墨烯電路的電子產品鋪平了道路，”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（醫療）設備等無數應用的低成本一次性的基于石墨烯的電極成為可能。”