摘要：激光诱导石墨烯（LIG）的形成与激光诱导碳原子重排的超快动力学过程密切相关，同时在形成过程也会引入大量结构缺陷。虽然这些缺陷可能会赋予LIG某些独特的电子特性使其有利于电催化应用，但同时阻碍了其电导率的进一步提高，从而限制了LIG在电子器件中的应用。然而，目前

激光诱导石墨烯（LIG）的形成与激光诱导碳原子重排的超快动力学过程密切相关，同时在形成过程也会引入大量结构缺陷。虽然这些缺陷可能会赋予LIG某些独特的电子特性使其有利于电催化应用，但同时阻碍了其电导率的进一步提高，从而限制了LIG在电子器件中的应用。然而，目前针对LIG的修复技术报道较少，且性能相当有限。因此，需要探索一种简单且高精度的技术来修复LIG的缺陷，提高其电导率并改善其功能化特性。

近日，中南大学银恺教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Femtosecond Laser Ultrafast Atomic Scale Renovating Laser-Induced Graphene”的研究文章。该文章提出了飞秒激光超快原子级修复LIG的策略，通过超快升温降温过程促进碳原子的重排和杂原子的去除，动态重构LIG的三维碳原子导电网络以降低电阻。中南大学银恺教授为通讯作者，中南大学博士生王凌霄为第一作者，以色列本古里安大学Christopher J. Arnusch教授为本文做出重要指导，论文第一单位为中南大学。

图1展示了飞秒激光超快原子尺度LIG过程。飞秒激光照射LIG会产生超快高温光热脉冲，引发瞬时加热和冷却过程，这为碳原子重排提供了热力学和动力学条件，从而促进LIG中结构缺陷的修复，从而降低了电阻。飞秒激光修复的LIG（FLR-LIG）仍保持其超黑的光学特性，但电阻发生了显著变化。LIG的高吸收率（~98.7%）和高发射率（~0.93）在超快加热和冷却速率方面起着重要作用。

图1：飞秒激光超快原子尺度修复LIG示意图

飞秒激光修复过程会导致LIG表面微纳米结构和化学成分发生变化（图2）。LIG表面的SEM图像显示了微尺度的带状絮凝结构。FLR-LIG表面则显示出更清晰的微尺度沟槽结构。LIG表面由于其突出结构而表现出比FLR-LIG更高的粗糙度。FLR-LIG样品无法检测到N 1s信号，这表明飞秒激光进一步去除了杂原子。LIG与FLR-LIG之间sp2和sp3杂化碳原子比例的显著差异。经过飞秒激光处理后，样品中缺陷相关的sp3杂化比例从30.9%下降到17.6%，而sp2杂化比例则从44.8%增加到56.8%，显示出LIG拓扑结构的修复。

图2: LIG和FLR-LIG的结构表征

Raman光谱结果表明随着扫描速度的减小，D、G和2D峰的FWHM减小（图3）。LIG的I2D/IG和ID/IG分别为0.13和1.52。飞秒激光修复后I2D/IG增加到0.72，ID/IG减少至1.04。这些结果表明，飞秒激光修复可以显著修复LIG的结构缺陷，同时石墨烯层数减少。Cs-TEM图像表明LIG主要呈非晶态，同时存在各种扭曲的五元、六元和七元碳环，表明LIG中存在高密度的结构缺陷。相比之下，FLR-LIG表现出较为有序的结构，观察到了层状和平面石墨烯构型。

图3：LIG和FLR-LIG原子尺度结构的研究

为了验证缺陷密度对电子结构和导电性的影响，建立了LIG和FLR-LIG模型并研究了其电子特性（图4）。与理想石墨烯的零带隙相比，引入缺陷可以在一定程度上打开石墨烯的带隙。FLR-LIG具有更窄的带隙（~0.039 eV），而LIG的带隙则为~0.133 eV，这使得电子从价带跃迁到导带所需的能量在FLR-LIG中更低。

图4：LIG和FLR-LIG的DFT计算

进一步研究了飞秒激光修复过程中离焦距离和扫描速度对LIG电学性能的影响（图5）。通过调整离焦水平，可以调节作用于LIG表面的激光光斑尺寸，从而改变激光作用的能量密度。原始LIG的电阻为~593 Ω。在3 mm的离焦距离下，LIG的电阻可降至最低（~124 Ω）。聚焦的激光光束会损坏LIG并增加其电阻，而过大的离焦距离则会无法充分修复LIG。对于不同长度的LIG样品，飞秒激光也能实现一致的修复效果。

图5：LIG和FLR-LIG的辐照线宽和电阻

通过显著提高LIG的导电性和亲水性，证明了其作为电加热器和水蒸发平台的潜在应用。在4 V的施加电压下，LIG的稳定表面温度为~79.7 °C，而FLR-LIG则达到~191.1 °C。在4 V时FLR-LIG表面蒸发速率可达7.91 kg m2 h-1。相比之下，LIG在4 V时的蒸发速率仅为0.69 kg m2 h-1。此外，FLR-LIG电热蒸发还可以有效去除废水中所含有亚甲蓝和罗丹明B有机污染物。同样的过程应用于酸性溶液和碱性溶液，收集的纯化水呈中性。对于模拟海水，蒸发后电阻从0.57 MΩ升至2.36 MΩ，表明FLR-LIG可用于含有多种污染物或溶质的水蒸馏。

图6：LIG和FLR-LIG的电热和水蒸发性能

总结：该论文提出了基于飞秒激光加工技术的LIG原子级原位修复策略，利用飞秒激光产生的超快升温和降温过程触发碳原子的重新排列和杂原子的进一步去除，有效提升了LIG的有序度，降低了缺陷密度并提高了电导率，为石墨烯类材料的缺陷修复提供了创新解决方案。

作者介绍：

银恺，1988年6月生，教授/博士生导师，中南大学升华学者拔尖岗，极端服役性能精准制造全国重点实验室学术骨干，国家优秀青年科学基金获得者（E0509）。一直从事超快激光极端微纳制造方法与功能性材料制备的研究，主持/承担国家自然科学基金优青、面上（2项）、青年、国家重点研发计划青年科学家项目等10余项，以第一/通讯作者在国际权威学术期刊如Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., ACS Nano, Appl. Phys. Lett.（15篇）等发表学术论文84篇（其中26篇IF＞10论文，22篇Nature Index期刊论文，24篇TOP 1%高被引论文, 10篇TOP 0.1%热点论文），申请与授权国家发明专利10余项。任国际仿生工程学会（ISBE）青年委员，中国感光学会光学精密成型专业委员会委员，中国机械工程学会极端制造分会委员，国家科技奖、教育部CJ学者、科技部重点专项、国家自然科学基金等函评/会评专家。

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来源：科学市场研究