石墨烯|用激光撞出新火花，实现纸基石墨烯电子器件，及石墨烯在室温下的硅基集成

今天的文章中，美国两所高校异曲同工地在石墨烯相关制造工艺中引入了激光处理，在生物传感器和可穿戴等领域带来新机遇。在资金支持方面，一个来自国家科学基金会（NSF），另一个竟然来自农业部！

爱荷华州立大学

美国爱荷华州立大学机械工程专业的博士后助理研究员Suprem Das和助理教授Claussen，两者也均是美国能源部阿姆斯实验室的研究助理，在用喷墨打印机来打印多层石墨烯电路和电极的过程中，研究出用脉冲激光工艺来处理石墨烯的技术，既可提高导电性，又因无需高温或化学处理，不会对纸张、聚合物或其他脆弱的打印表面造成损伤，开启石墨烯在灵活可穿戴和低成本电子设备中的应用。

图中左为Suprem Das，右为Claussen，Das手中拿的即是打印在纸上的石墨烯电子

技术突破

研究人员研发了计算机控制的激光技术，能够选择性照射喷墨打印氧化石墨烯。该种处理方法可移除墨水粘合剂和减少石墨烯上的氧化石墨烯，物理上将数百万个石墨烯薄片连接在一起。该工艺改变了打印石墨烯的形状和结构，从一个平面变为一个升起的类似小花瓣的3D纳米结构，其高低不平的脊状结构可使得石墨烯的导电性比此前提升1000倍，适用于化学和生物传感器和大量商业应用。激光器使用一个快速高能光子脉冲进行局部化加热、照射和处理，并不会损害石墨烯或衬底。

应用和意义

该突破性进展开启了石墨烯商业化和大面积制造的新方法，不仅是铺平了带有石墨烯电路的纸基电子器件的发展道路，还支持低成本、一次性石墨烯基电化学电极的制造，满足包括传感器、生物传感器、燃料电池和医学器件的大量应用。

资金来源

美国农业部国家食品和农业研究所一项为期三年的资金支持，罗伊·j·卡佛慈善信托为期三年的资金支持，以及爱荷华州立大学工程学院和机械工程系的资金支持。

爱荷华研究基金会已申请该技术的专利。

北卡罗来纳州立大学

 北卡罗来纳州立大学材料科学和工程学院杰出首席教授Jay Narayan使用纳秒脉冲激光退火技术，可在室温下将石墨烯、氧化石墨烯（GO）、减薄氧化石墨烯（rGO）集成到硅衬底上，开启制造灵巧生物医疗传感器等创新型电子器件的新应用。

技术突破

研究人员从一个硅衬底开始，先用域匹配外延技术放置一层单晶氮化钛，并保证氮化钛的晶体结构与硅晶体结构对齐，然后同样使用域匹配外延技术在氮化钛上放一层铜-碳合金（Cu-2.0原子百分比C）。最后使用纳秒激光脉冲融化合金表面，将碳原子拉到表面。

如果该工艺过程在真空中进行，表面上的碳形成石墨烯，如果是在氧气中进行，表面上的碳形成GO，如果先经过真空再放入潮湿的大气环境中，表面上的碳则形成rGO。在所有三种情况下，碳的晶体结构均与下面的铜碳合金保持一致。

应用和意义

研究人员表示，通过控制激光的密度和熔化的深度，能够控制在材料表面形成一或二层单层碳材料。该工艺可能很容易地用于更大晶圆尺寸（目前用在2英寸晶圆上），使用更高赫兹的激光，能够在室温下进行，降低成本。

研究人员表示，石墨烯是很好的导体，rGO是半导体材料，能够用于实现如集成智能传感器和光电器件等。研究人员计划将该成果用于研发集成有计算机芯片的智能生物医疗传感器。

资金来源

国家科学基金会。

北卡罗来纳州立大学已为该技术申请了专利。