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清华大学研发超快激光精确减薄控制石墨烯层数和图案的新方法

2015-10-02 00:12
月城清浅
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  石墨烯是一种以sp2杂化的碳原子组成的单原子层二维材料,是目前国际材料领域的研究热点。石墨烯独特的电学、热学和光学等特性,使其在微电子、储能、柔性显示、透明导电电极以及复合材料等领域有着广阔的应用前景。石墨烯的电子结构、电导率、透光率等性能均与其层数紧密相关。因此,精确控制石墨烯的层数成为十分重要的研究内容。虽然现有制备石墨烯的方法如化学气相沉积法可以得到单层或少数层的石墨烯,但快速可控得到精确层数的石墨烯仍然是现阶段石墨烯制备的一大瓶颈挑战。此外,高效制备图案化石墨烯也是石墨烯应用中亟需解决的问题。

  清华大学材料学院钟敏霖教授课题组,基于973项目“激光微纳制造新方法和尺度极限基础研究”(2011CB013005),系统研究了超快激光与石墨烯相互作用的机制和规律,发展了一种精确控制石墨烯层数的新方法。此方法以化学气相沉积方法制备的多层石墨烯作为对象,运用超快激光光子与石墨烯的作用实现石墨烯的减薄,经过系统研究发现了不同层数石墨烯的激光烧蚀阈值,通过精确调控超快激光的能流密度和激光扫描速率,可将多层石墨烯经一次扫描减薄至所需要的任意层数。图1上部为原始5层厚的石墨烯经超快激光分别去除其中1层、2层、3层、4层之后得到的4层石墨烯、3层石墨烯、2层石墨烯和1层石墨烯的照片(石墨烯依附在PDMS膜上),下部为不同厚度石墨烯在光学显微镜下的颜色。不同层数石墨烯的透光率不同,从石墨烯颜色的深浅可以直观看出石墨烯的大致层数。除了光学对比度以外,还通过拉曼光谱、原子力显微镜和透过率等一些列测试方法验证了激光精确减薄的效果。

  图1 原始5层石墨烯经超快激光减薄后得到的4层、3层、2层和1层石墨烯的照片和其对应的光学显微镜颜色照片

图2超快激光图案化减薄石墨烯得到的精确层数的石墨烯图案

  他们还研究了超快激光减薄石墨烯的机制,与现有报道的借助破坏顶层石墨烯进而氧化去除石墨烯的减薄机理不同,超快激光光子能量尚不足以直接破坏石墨烯中的碳-碳键使其断裂,而是作用于石墨烯层片之间以及石墨烯晶界之处等结合力弱的地方,使原子振动加剧,层间距增大,在特定的超快激光能量阈值下产生“剥离”作用。

  该研究组还将超快激光减薄后得到的不同层数石墨烯制成了场效应管,其性能的变化与石墨烯层数相吻合。说明这种精确控制石墨烯层数的新方法在石墨烯器件的制造中有着广阔的应用前景。

  超快激光精确减薄控制石墨烯层数的新方法具有诸多优势:例如,超快激光为非接触式加工,避免了石墨烯不必要的破坏和污染;超快激光为冷加工,对加工环境和石墨烯基底要求低;加工效率高,一次加工即可将石墨烯减薄至期望的层数;加工过程柔性好,易实现任意图案化的石墨烯减薄。该方法预期在高质量石墨烯柔性显示、石墨烯传感器、石墨烯电子器件等领域有很好的应用潜力。

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