研究背景
石墨烯是一种由碳原子构成的单层二维晶格结构，在2004年首次被成功分离出来后，其优异的性能引起了人们的极大兴趣。然而，石墨烯的应用受到了一些固有问题的限制，例如其制备过程复杂、成本高昂、电导率不稳定等。在此背景下，激光诱导石墨烯（LIG）技术的出现为解决这些问题提供了新的途径。
2014年，LIG技术的诞生标志着一种新的石墨烯制备方法的出现。与传统的石墨烯制备方法相比，LIG技术具有许多优势，例如制备过程简单、成本低廉、可大规模生产等。这项技术通过激光辐照将碳前体转化为三维多孔石墨烯，使得其在电子器件、催化和消毒等领域具有广阔的应用前景。然而，LIG的快速制备过程导致了产生固有的非晶特性，这会影响其电导率和机械性能。同时，现有的方法很难有效修复LIG中的缺陷结构，这限制了其在电子器件等高性能领域的应用。因此，解决LIG中的缺陷问题成为当前研究的重点之一。
研究内容
为了解决这一问题，香港城市大学生物医学工程系Xinge Yu & Ruquan Ye教授共同提出了一种新的方法，即闪光焦耳加热（FJH）技术。该技术利用高功率直流脉冲通过导电材料进行快速而强烈的电阻加热，能够在毫秒级时间内修复LIG的拓扑缺陷。通过对LIG图案进行短时高温处理，称为F-LIG，研究人员成功地改善了其结晶度和电导率，并实现了对缺陷结构的修复。这一技术的出现为LIG的进一步应用提供了新的可能性，特别是在高性能电子器件和抗菌表面方面具有重要意义。以上成果在Nature Communications发题为“Flash healing of laser-induced graphene”研究论文。
图文导读
为了研究闪光焦耳加热（FJH）对激光诱导石墨烯（LIG）的影响，作者进行了图1的实验。首先，他们展示了F-LIG的制备过程，包括在环境条件下将原始LIG图案刻写到聚酰亚胺（PI）薄膜上，然后进行FJH处理。在FJH过程中，作者应用了不同电压的直流脉冲，研究了电压对LIG图案的影响。图1b显示了LIG图案在不同电压下发出的闪光，这证实了FJH过程的执行成功。作者还测量了不同电压下LIG图案达到的温度，并发现随着电压的增加，温度显著提高。此外，他们测量了经过FJH处理后LIG图案的电阻，并发现随着电压的增加，电阻显著降低，导致电导率的提高。作者进一步分析了FJH过程中的电压、电流、功率密度和能量密度的关系。结果显示，随着电压的增加，所产生的焦耳热和温度也随之增加。这些观察结果揭示了FJH过程中电压对LIG图案结构和性能的重要影响，为优化FJH参数提供了重要参考。
图 1 | 闪光焦耳加热激光诱导石墨烯（F-LIG）的制备及闪光焦耳加热（FJH）过程的研究。
F-LIG的结构表征涉及拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）等技术，以揭示其晶体结构和原子层面的变化。拉曼光谱分析显示，原始LIG样品的D带和G带显著，表明存在较高的缺陷密度和多层结构。经过FJH处理，F-LIG样品的D带强度显著减小，且ID/IG比值明显降低，表明缺陷密度显著减小，晶体颗粒尺寸增大。与此同时，2D带表现出显著的变窄和变尖，I2D/IG比值增加，表明晶体质量和层数减少。XPS分析显示，FJH处理导致氧和氮含量显著减少，而碳含量增加，进一步表明FJH促进了缺陷修复和石墨烯纯化。此外，针对FJH过程的脉冲持续时间进行的实验表明，较短的持续时间可实现更细微的控制，并减少热量散失。
图 2 | 缺陷结构和原子结合状态的研究。
在原子层面上，采用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对LIG和F-LIG的微观结构进行了分析。HRTEM图像显示，原始LIG样品呈无序排列的结构，包含大量的五角形-七角形对。而经过FJH处理的F-LIG样品显示出广泛的高度有序的六角形碳晶格结构，这与拉曼分析中观察到的缺陷浓度减少和晶体性增强一致。进一步的对比显示，F-LIG样品的2D带经历了明显的蓝移，表明了晶格结构的改变。此外，通过对比LIG和F-LIG的配对分布函数（PDFs）分析，进一步展示了FJH处理引起的从非晶到晶体结构的转变，表现为最近邻键距的减小和结构的长程有序性增强。这一转变不仅提高了石墨烯的晶体质量和电学性能，还减少了缺陷密度，为其在柔性电子器件和传感器等领域的应用提供了更广阔的可能性。
图 3 | 原子水平的拓扑结构研究。
研究者通过实现逻辑电路来展示HACs在离子计算中的潜力。他们在图4中展示了逻辑门的构建和功能。图中a展示了电路原理图，其中两个HACs与一个可变电阻并联连接。第一个HAC作为P开关，第二个作为Q开关。图b展示了IMP逻辑门的真值表，其中P和Q表示输入状态，而P’和Q’表示对应的输出状态。图c通过α和β两种情况说明了条件切换的工作原理。在α情况下，当P处于低电导状态时，Q可以切换到高电导状态，而在β情况下则不行。图d显示了实验结果，展示了在IMP逻辑门操作过程中Q线电流的变化。在α情况下，Q的电导率增加了50%，而在β情况下仅增加了10%。图e和f展示了相对于最小值的读取电流变化和归一化的读取电流，在α情况下，电导率至少增加了40%。通过这些实验，研究者验证了HACs作为离子计算中的逻辑组件的可行性。
图 4 | 基于LIG和F-LIG的应变传感器的性能。
为了探索F-LIG应变传感器的应用潜力，作者在图5a和b中，作者展示了传感器在监测人体各种动作方面的能力，包括眨眼和张嘴。结果表明，传感器能够准确捕捉并跟踪这些微小运动，展示了其在精确动作检测方面的优越性。其次，在图5c和d中，作者展示了传感器在检测声音振动和手腕脉搏方面的有效性。传感器能够准确记录不同声音振动和脉搏信号的电阻变化，展示了其在声音感应和生物监测方面的潜力。此外，在图5e中，作者进一步展示了传感器对手腕脉搏中P波和D波的区分能力。接着，在图5f-j中，作者将传感器应用于智能手套，实现了对机器人手的实时控制。实验结果显示，F-LIG传感器具有比传统LIG传感器更高的灵敏度和响应速度，使得智能手套能够精确识别手部动作并实现实时控制。最后，在图5k和l中，作者展示了传感器利用手指弯曲来传输莫尔斯密码的潜力，实现了信息加密和通信的应用。综合以上实验结果，可以得出F-LIG应变传感器具有广泛的应用前景，可用于医疗保健、人机交互和信息传输等领域。
图 5 | 基于F-LIG的应变传感器的应用演示。
总结展望
本文通过研究F-LIG传感器的制备及其在多个领域的应用，为新型柔性传感器的开发提供了重要启示。首先，作者通过闪光焦耳加热技术成功制备了F-LIG传感器，展示了其在提高电导率和降低结构缺陷方面的优势。其次，作者展示了F-LIG传感器在人体运动监测、声音感应和生物脉搏检测等方面的高灵敏度和精确性。这为柔性传感器在医疗保健和人机交互领域的应用提供了新思路。最后，作者还探索了F-LIG在低电压消毒方面的潜力，展示了其在杀灭细菌方面的显著效果。这为柔性传感器在生物医学领域的应用拓展了新的可能性。
该工作发表在Nature Communications上
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47341-1
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