摘要：石墨烯作为一种革命性材料，在能源、电子器件等领域展现出巨大潜力，但其规模化制备和缺陷控制始终是技术瓶颈。激光诱导石墨烯（LIG）通过激光直写技术实现快速、环保的制备，兼具高导电性和多孔结构，为柔性电子和智能传感器提供了新思路。然而，LIG在形成过程中因碳原子高

石墨烯作为一种革命性材料，在能源、电子器件等领域展现出巨大潜力，但其规模化制备和缺陷控制始终是技术瓶颈。激光诱导石墨烯（LIG）通过激光直写技术实现快速、环保的制备，兼具高导电性和多孔结构，为柔性电子和智能传感器提供了新思路。然而，LIG在形成过程中因碳原子高速重排产生的高密度缺陷严重限制了其导电性和功能拓展。现有缺陷修复技术（如高温退火、化学还原）存在工艺复杂、损伤基底或无法精准调控等问题，尤其在柔性聚合物基底上难以兼顾高效修复与功能化设计。如何在温和条件下实现LIG原子级缺陷修复，并赋予其多功能特性，成为拓展其应用场景的关键科学挑战。

论文概要

2025年5月9日，中南大学银恺课题组在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Femtosecond Laser Ultrafast Atomic Scale Renovating Laser-Induced Graphene”的研究论文。本研究提出一种飞秒激光原子尺度修复技术（FLR-LIG），通过超短脉冲（350飞秒）引发的瞬时高温（2763 K）与急速冷却效应，驱动LIG缺陷处碳原子的动态重排与结构自愈。实验表明，该方法可将LIG电阻从593 Ω显著降至118 Ω，同时通过调控激光参数实现微米级图案化修复。修复后的FLR-LIG不仅结晶度提升（层间距3.43 Å），其表面润湿性还可从超疏水（接触角151.7°）逆转为超亲水（4.0°），为多功能集成奠定基础。基于此，团队开发了高效电热蒸发系统，在4 V电压下实现7.91 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率，并成功用于染料废水、强酸/碱溶液及海水净化。该技术为石墨烯材料的精准修复与功能化提供了新范式，推动其在柔性电子和水处理领域的实用化进程。

图文解读

1. 飞秒激光超快修复机理

飞秒激光修复技术（FLR-LIG）通过超短脉冲（350 fs）引发瞬时高温（≈2763 K）与急速冷却（100 ns内降温），驱动LIG缺陷处碳原子的动态重排（图1a）。相较传统闪速焦耳加热法（图1b），该方法无需真空环境，且具备选择性修复（线宽可控）、参数普适性（与样品尺寸无关）等优势（表S1）。LIG的高吸收率（≈98.7%）和高红外发射率（≈0.93）结合其低比热容特性，使其在飞秒激光辐照下表现出极快的升降温速率（10^12 K/s）（图1c）。COMSOL模拟表明（图1d），单脉冲辐照后表面温度在350 fs内升至2763 K，随后迅速冷却，这一热力学条件有效促进缺陷修复。与其他热加工技术（如微波、射频加热）相比，FLR-LIG的升温速率和总处理时间均显著优化（图1e），为原子级结构调控提供了独特优势。

2. 表面结构与化学组成演变

飞秒激光处理显著改变了LIG的微纳结构与化学状态。SEM图像显示（图2a,b），原始LIG表面为微米级带状絮状结构，覆盖纳米颗粒；而FLR-LIG呈现清晰沟槽结构，并伴有均匀分布的纳米孔（粗糙度Sa从4.336 µm降至3.191 µm，图2c,d）。EDS与XPS分析表明（图2e,f），FLR-LIG中氮元素几乎完全脱除（N 1s峰消失），碳含量提升（C信号增强）。C 1s精细谱拟合显示（图2g,h），sp²杂化碳比例从44.8%增至56.8%，sp³杂化碳（缺陷相关）比例从30.9%降至17.6%（图2i），证实飞秒激光通过碳原子重排有效降低了缺陷密度。表面氧含量的轻微上升（O 1s谱）可能源于空气中高温氧化反应。

3. 原子尺度结构表征

拉曼光谱与透射电镜（Cs-TEM）进一步揭示了FLR-LIG的原子级结构优化。拉曼D峰（1338 cm⁻¹）半峰宽（FWHM）降低（图3b），ID/IG从1.52降至1.04，I2D/IG从0.13增至0.72（图3c），表明缺陷密度下降且石墨化程度提升（晶粒尺寸La从12.6 nm增至18.5 nm）。原子分辨率TEM图像显示（图3d-g），原始LIG以非晶结构为主，包含五元/七元环等缺陷（图3e）；而FLR-LIG呈现规整的六元碳环排列（层间距≈3.43 Å，图3f）和清晰的平面石墨烯结构（FFT衍射斑点对称性提升），证实飞秒激光实现了缺陷的动态修复。

4. 电子结构与导电性理论验证

密度泛函理论（DFT）计算表明（图4a），缺陷修复显著优化了LIG的电子结构。原始LIG因高缺陷密度形成带隙（≈0.133 eV），而FLR-LIG带隙缩窄至0.039 eV（图4b,c），接近理想石墨烯的零带隙特性。部分态密度（PDOS）分析显示（图4d,e），FLR-LIG的费米能级附近p电子态密度显著增加，且能带在布里渊区K点附近呈现线性色散关系（载流子迁移率提升）。电子密度分布模拟进一步表明（图4f,g），FLR-LIG的电荷分布更均匀，减少了载流子散射，为电阻降低（从593 Ω至118 Ω）提供了理论依据。

5. 工艺参数优化与图案化修复

通过调控离焦量（0-5 mm）和扫描速度（100-350 mm/s），实现了FLR-LIG性能的精确调控（图5a）。当离焦量为3 mm、扫描速度为150 mm/s时，电阻降至最低值118 Ω（图5e,f），且片电阻从98 Ω/sq降至20 Ω/sq。离焦量过小（3 mm）则能量密度不足；扫描速度过低（

6. 电热蒸发与水处理性能

FLR-LIG的高导电性与超亲水性（接触角≈4.0°，图S25）赋予其优异的电热转换能力。4 V电压下表面温度达191.1°C（原始LIG仅79.7°C），符合焦耳定律（温度与电压平方线性相关，图6a-c）。基于此，构建的电热蒸发系统在4 V下实现7.91 kg·m⁻²·h⁻¹的蒸发速率（图6e），较原始LIG提升10倍，且优于同类报道（图6f）。FLR-LIG可高效净化染料废水（MB/RhB脱色率>99%，图6g）、强酸/碱废水（pH≈7，图6h）及模拟海水（电阻从0.57 MΩ升至2.36 MΩ，图6i），展现了其在环境修复领域的应用潜力。

总结展望

本研究通过飞秒激光原子尺度修复技术（FLR-LIG），实现了激光诱导石墨烯（LIG）缺陷密度的显著降低和导电性能的突破性提升。实验证实，经飞秒激光处理后，LIG电阻从593 Ω降至118 Ω，电热转换效率提升至191.9°C@4V，并实现润湿性从超疏水到超亲水的可控转变，支撑其构建高效水蒸发平台（7.91 kg·m⁻²·h⁻¹@4V）及复杂废水（染料、酸碱、海水）净化系统。结合拉曼光谱、原子分辨率电镜和密度泛函理论计算，揭示了碳原子有序重排与缺陷修复机制，为石墨烯材料的原子级结构调控提供了新范式。该技术突破了传统改性方法的局限性，开创了石墨烯功能化设计的新策略，在柔性电子、环境修复和能源转换领域具有重要应用前景。未来研究可进一步探索激光参数-性能关联机制，拓展其在异质结构集成、智能响应器件及规模化制备中的应用边界，推动石墨烯基材料从实验室向产业化的跨越发展。

来源：高温热冲击焦耳热超快合成

来源：石墨烯联盟