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清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

【引言】

凯发体育app苹果手机烯凭借出色的柔韧性、透明性、导电性和机械强度,已经成为制备柔性电子器件的多功能材料。在过去的十年中,多种激光技术用于凯发体育app苹果手机烯的加工,如:激光还原氧化凯发体育app苹果手机烯(LRGO),凯发体育app苹果手机烯的图案化、多级结构化、杂原子掺杂、减层、刻蚀、冲击等,以及激光处理聚酰亚胺(PI)制备凯发体育app苹果手机烯(LIG)。凯发体育app苹果手机烯广泛应用于多种电子器件制备,如发电机、超级电容器、光电器件、传感器和驱动器等。

【成果简介】

近日,在清华大学尤政院士吉林大学张永来教授、韩冬冬博士团队(通讯作者)带领下,与北京大学尤睿博士(第一作者)合作,综述凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件激光制造的工作进展。全文总结用于凯发体育app苹果手机烯及其衍生物制备、加工和改性的多种激光加工技术。概述基于典型激光制备的多种凯发体育app苹果手机烯柔性电子器件。全面综述利用连续激光和脉冲激光加工GO、化学气相沉积(CVD)生长的凯发体育app苹果手机烯和激光诱导凯发体育app苹果手机烯。讨论激光处理凯发体育app苹果手机烯的多种功能,如GO的光还原,无掩模图案化,多级结构,CVD生长凯发体育app苹果手机烯的减层、刻蚀、冲击,以及激光在PI衬底制备凯发体育app苹果手机烯等。凯发体育app苹果手机烯的激光加工为凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的发展做出巨大贡献。总结利用激光制备的典型柔性电子器件,如:发电机、超级电容器、传感器、光电子器件、驱动器和智能集成器件等。最后,对当前面临的挑战和未来的研究方向进行展望。相关成果以题为Laser Fabrication of GrapheneBased Flexible Electronics发表在了Advanced Materials上。

【图文导读】

激光加工凯发体育app苹果手机烯及其衍生物开发凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件方面的工作进展清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

激光还原GO清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)GO的吸收光谱。

b)激光光化学还原GO的示意图,AFM图像,实物照片(比例尺:1 mm)。

c)GO和LRGO的C 1s XPS谱图。

d)GO和激光光热还原制备LRGO的SEM图像。比例尺:10 μm。

e)电阻可控的LRGO。

激光处理CVD生长的凯发体育app苹果手机烯和激光诱导凯发体育app苹果手机烯清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)激光烧蚀凯发体育app苹果手机烯的示意图(左)和金膜上凯发体育app苹果手机烯氧化的DFT模型(右)。右图中,O、C和Au原子分别由红色、棕色和金色球表示。

b)凯发体育app苹果手机烯的折叠。

c)凯发体育app苹果手机烯的激光冲击。

d)c中对应的SEM和AFM图。

e)LIG制备示意图(左)。实物照片(右)。

f)LIG的HRTEM图像。比例尺:5 nm。

g)LIG的拉曼光谱。

4图案化凯发体育app苹果手机烯清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)基于LRGO的蜘蛛网和吉林大学校徽图案。比例尺:10μm。

b)基于LRGO的太极(比例尺:50µm)、熊猫(比例尺:10µm)和凯发体育app苹果手机烯电路图案。

c)基于LRGO的三维图案。

d)基于激光处理CVD凯发体育app苹果手机烯的图案。

e)基于LIG的图案化。

f)基于LIG的三维形状。

g)基于激光处理CVD凯发体育app苹果手机烯的三维形状。

5多级结构凯发体育app苹果手机烯清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)LRGO多孔结构的SEM图像。

b)LIG多孔结构的SEM图像(左图,比例尺:10 μm;插图,比例尺:1 μm)和TEM图像(右图,比例尺:5 Å)。

c)通过激光干涉技术获得的LRGO光栅结构示意图。

d,e)1维和2维光栅状结构LRGO的SEM图像。

f)1维和2维光栅结构LRGO用于光衍射演示。

g)通过CVD方法制备的多级结构凯发体育app苹果手机烯。

h)多级结构凯发体育app苹果手机烯的结构颜色。

杂原子掺杂的凯发体育app苹果手机烯清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)在NH3气氛中制备N掺杂LRGO。

b)N掺杂LRGO作为FETs通道的器件结构。

c)GO和N掺杂LRGO的XPS谱图。

d)N掺杂LRGO FETs的转移特性曲线。

e)氟化凯发体育app苹果手机烯。

f)氟化前后凯发体育app苹果手机烯器件的性能对比。

凯发体育app苹果手机烯发电机清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)湿度-电转换器件的示意图。

b,c)湿度-电转换器件的性能曲线。

d)使用湿度-电转换器件制备的书写板。

e)可拉伸的湿度-电转换器件。

f)压力发电机的示意图。

g)并联压力发电机的实物照片。

h)短路电流曲线。

凯发体育app苹果手机烯超级电容器清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a,b)a)面内和b)三明治结构超级电容器的示意图。

c)柔性LRGO超级电容器器件结构示意图与实物照片。

d)LRGO超级电容器不同弯曲角度的器件性能测试。

e)超级电容器-传感器集成和集成装置的漏电流曲线。

f)集成装置的充放电曲线。

凯发体育app苹果手机烯应变和压力传感器清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)应变传感器的相对电阻变化与拉伸形变的关系。

b,c)应变传感器的b)频率和c)拉伸2%的循环特性。

d-h)应变传感器用于d)手指弯曲,e-g)呼吸,h)脉搏检测。

i-k)LRGO压力传感器的i)器件结构,j)传感机制,k)电导与压力关系。

10 凯发体育app苹果手机烯生物传感器清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)利用LIG生物传感器监测EEG、ECG和EMG信号的示意图。

b)弹性体海绵基底和LIG生物传感器的实物照片和SEM图像。

c-e)生物传感器记录的c)α节律,d)ECG,e)EMG信号。

11 凯发体育app苹果手机烯换能驱动器清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)离子驱动器的工作原理示意图。

b)具有EMI-BF4电解质的IPGC和IPMC驱动器的耐用性。

c)电热驱动器的工作原理示意图。

d)电热仿生捕蝇草。

12 凯发体育app苹果手机烯人工喉咙清华&吉大&北大Adv. Mater.综述:凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的激光制造

a)人工喉咙的工作机制。

b)人工喉咙的实物照片。比例尺:1 cm。

c)人工喉咙检测和转换微弱振动。

d-f)声音信号:d)高音量10 kHz,e)低音量10 kHz,f)低音量5 kHz。

小结

凯发体育app苹果手机烯具有优异的柔韧性、导电性、透明性、机械强度和可控导电性,已成为制备柔性电子器件的多功能材料。在过去的十年中,凯发体育app苹果手机烯的制备、加工和应用得到长足的发展,推动凯发体育app苹果手机烯材料在电子器件中的应用。在柔性凯发体育app苹果手机烯基电子器件的发展中,激光制造技术发挥非常重要的作用,如:可编程的图案设计、多级结构、器件的制造和集成。多种凯发体育app苹果手机烯源已成功用于激光加工,如:GO、CVD凯发体育app苹果手机烯和LIG。激光还原GO有如下优点。第一,可以实现无掩模和无化学图案化。第二,激光处理可以制备微纳多级结构。第三,通过调整含氧官能团的含量,调控电学性能。第四,激光还原用于杂原子掺杂。因此,激光还原GO是一个制备柔性电子器件有前景的技术。对于CVD凯发体育app苹果手机烯而言,激光烧蚀可用于CVD凯发体育app苹果手机烯图案化。激光减薄处理可精确控制凯发体育app苹果手机烯的层数。此外,激光辅助蚀刻和冲击可以促进凯发体育app苹果手机烯改性和形貌成型。近期,激光辐照PI衬底制备LIG成为凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件的研究热点。利用激光直写技术,任何需要的凯发体育app苹果手机烯图案都可以直接在柔性PI衬底上制备。该方法简单、成本低,已广泛应用于多种柔性电子器件的开发。通过激光加工技术,多种凯发体育app苹果手机烯基柔性电子器件得到开发,如发电机、超级电容器、光电器件、传感器和驱动器等。

凯发体育app苹果手机烯的激光加工仍然存在一些局限性。激光直写技术制造效率较低,在实际应用中,可以采取并行加工方式解决效率问题,如:采用空间光调制器或全息激光处理等。对于GO的光还原,激光处理可以去除大部分的含氧官能团,并恢复LRGO的导电性。但是,在剧烈的脱氧过程中,sp2碳平面被破坏,产生许多缺陷。对于LIG,与单层平滑的凯发体育app苹果手机烯相比,形成的LIG具有多孔结构。因此,LIG适合制备传感器和超级电容器,不适合用于需要光滑电极的光电器件,如OLED。随着激光加工技术和凯发体育app苹果手机烯制备方法的快速发展,将会有更多的凯发体育app苹果手机烯基电子器件通过激光加工技术制备出来。随着这一领域的不断发展,激光制备凯发体育app苹果手机烯电子器件将具有广阔的应用前景。

文献链接:Laser Fabrication of GrapheneBased Flexible Electronics(Adv. Mater., 2019, DOI:10.1002/adma.201901981)

本文由木文韬翻译,吉林大学韩冬冬博士修正供稿,材料牛整理编辑。

本文来自材料牛,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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