引言
在现代柔性电子设备与储能器件的制造中，三维多孔石墨烯材料因其卓越的导电性、高比表面积和结构稳定性备受青睐。然而，传统的石墨烯制备方法（如化学气相沉积或氧化石墨烯化学还原）存在合成路线复杂、环境污染严重以及需要高温反应条件等瓶颈。近年来，直接激光直写（Direct Laser Writing）技术作为一种新兴的微纳制造工艺，展现出了颠覆性的潜力。该技术利用单束或多束平行激光，通过光热或光化学效应，在环境条件下直接将富碳前驱体转化为激光处理碳（LPC）或激光诱导石墨烯（LIG）。在加工过程中，激光能量会瞬间切断材料内部的非碳化学键，释放出的一氧化碳、二氧化碳等气体起到了天然的“发泡”作用，促使剩余碳原子重组为相互交联的 3D 多孔石墨烯网络。这项工艺无需化学试剂、掩膜版或粘结剂，而其最终生成的微观结构与电化学性能在很大程度上取决于所选择的富碳前驱体材料。
氧化石墨烯
氧化石墨烯是激光还原工艺中最基础的材料。薄膜内部因含有大量含氧官能团而呈现绝缘状态。通过红外或可见光激光的照射，材料能够迅速吸收激光能量并发生脱氧反应，从而直接剥离并还原为石墨烯结构（图1）。在环境条件下进行的激光直写不仅能实现高度的材料剥离，还能赋予生成的 LPC 卓越的电导率与出色的机械柔韧性，在历经千次弯曲循环后阻值变化极小。此外，激光加工的极高灵活性使得研究人员可以在氧化石墨烯基底上直接混入金属盐（如金、钴等）或氮源（如氮化镓）。在激光还原 氧化石墨烯的同时，这些添加物会同步转化为金属纳米颗粒沉积或实现杂原子原位掺杂，从而极大优化了材料的电化学活性，使其非常适合用于微型超级电容器等领域。
图 1. 制备 Co/还原氧化石墨烯电极的激光加工过程[1]。
合成聚合物的直接转化
利用商用合成聚合物直接诱导生成石墨烯是该领域的一项重大突破。其中，聚酰亚胺薄膜因其优异的热稳定性和独特的芳香环结构，成为了应用最广泛的前驱体。在红外 CO₂ 激光的照射下，聚酰亚胺表面会经历剧烈的升温，导致碳氧键与碳氮键断裂并以气体形式逸出。这些释放的气体起到了“发泡”作用，促使剩余的碳原子重组为具有极高比表面积的3D 互连多孔石墨烯网络[2]。这种转化不仅完全在室温大气的开放环境中进行，且完美兼容卷对卷的工业规模化生产。除聚酰亚胺薄膜外，具有特定芳香族结构的替代工程聚合物也展现了独特的应用价值。例如，聚砜、聚醚砜和聚苯砜等材料在 CO₂ 激光作用下，不仅能转化为高质量的 LIG，还能利用自身分子结构中的硫元素，在无外部化学源的情况下自发生成硫掺杂石墨烯。而在氩气保护下，利用散焦激光多次照射聚四氟乙烯，甚至可以跳过外部氟源直接制备出高价值的氟化石墨烯。
图 2. 锂离子电池负极材料的制备过程及电池组装的示意图[2］。
随着制造技术向绿色环保方向发展，激光微纳制造对材料的极高包容性得到了充分体现。只要前驱体具备充足的碳元素和适宜的分子结构，各类低成本生物质材料均能被成功转化为石墨烯。例如，木质素作为一种复杂的芳香族聚合物，通过简单的 CO₂ 激光扫描即可转化为高比表面积和高电导率的 3D 激光雕刻石墨烯电极(图3)。研究更证实，天然木材、布料，乃至食物等均可作为合格的碳前驱体。此外，各类日常纸张（如棉纸、硬纸板、滤纸、色谱纸等）也为柔性电子提供了绝佳的环保基底。为防止纸张在激光的极高瞬态热量下完全烧蚀，通常会在加工前使用商用磷酸盐阻燃剂或硼酸钠溶液对其进行预处理。处理后的纸基不仅能成功制备出多层石墨烯结构，还能保持极低的方块电阻，大幅拓宽了纸基可穿戴电子产品与环保储能网络的设计空间。
结论与展望
综上所述，激光诱导微纳制造技术以其无接触、高精度及常温常压的操作优势，彻底打破了传统碳纳米材料合成的设备与环境壁垒。从经典的氧化石墨烯，到主流的商用合成聚合物，再到低成本的天然木材与废纸，基础材料的广泛包容性彰显了该技术极强的生命力。未来，通过工艺参数的持续优化与复合多光束系统的应用，这项跨越材料边界的技术必将在下一代高性能智能电池、金属空气电池及柔性微纳电子器件中发挥不可替代的核心作用。
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参考文献
- Lee, Sang Hwa, et al. “Enhanced electrochemical performance of micro-supercapacitors via laser-scribed cobalt/reduced graphene oxide hybrids.”ACS applied materials & interfaces13.16 (2021): 18821-18828.
- Rahman, Md Tareq, et al. “Polymer‐supported graphene sheet as a vertically conductive anode of lithium‐ion battery.”Small Methods8.9 (2024): 2400189.[3]Zhang, Huabin, et al. “Single‐atom catalysts: emerging multifunctional materials in heterogeneous catalysis.”Advanced Energy Materials8.1 (2018): 1701343.
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