Suprem Das手握打印在一张纸上的石墨烯电子。他和右边的Jonathan Claussen,使用激光处理印刷的石墨烯电子。这项工艺提高了材料的导电性,开启了未来柔性、可穿戴、低成本的电子器件大规模制造的大门。

(图片来源于:Christopher Gannon)

引言


石墨烯,作为一种性能极佳的新材料,甚至被认为可以引领现代电子信息产业革命。但是,无法大规模商业化和量产,一直是阻碍其发展的关键问题。美国爱荷华州立大学的人员,通过激光处理石墨烯,使其可应用于传感器和其他领域,并有望走向商业化和量产。


石墨烯简介

石墨烯,是一种神奇的材料,由碳原子构成的蜂窝状结构,只有一层原子的厚度。其导电、导热、强度、稳定性方面的性能都十分强大,被称为“黑金”,有“新材
料之王“的美誉,对于整个产业的影响可能是颠覆性的。

石墨烯商用和量产

IntelligentThings之前对于石墨烯应用做过多次介绍,例如:《迈向未来电子领域:双层石墨烯设备控制电子运动》(点此阅读),《石墨烯笼将硅粒子”关住”以提升锂电池性能》(点此阅读),《低成本的石墨烯生物传感器芯片:实时检测DNA突变》(点此阅读),《石墨烯腕带,可以监测血糖并治疗糖尿病》(点此阅读),这些覆盖了电子设备,锂电池,生物传感器,医疗设备等领域。

然而,目前的石墨烯技术研究和开发,大多还局限于实验室环境中。由于工艺、成本、生产能力、产业链等种种因素制约,石墨烯还无法进行量产和大规模商业化应用。

印制石墨烯技术及其瓶颈

在近期一些研究项目中,科学家们使用喷墨打印机打印多层石墨烯电路和电极,使工程师们对于柔性、可穿戴、低成本电子时代更加憧憬。于是,他们开始憧憬将印制石墨烯技术应用于生物医学传感器等领域。


但是,现有的技术存在很多瓶颈。石墨烯材料一旦经过打印,必须进行处理以提高其导电能力和设备性能。因为,高温和化学物质,都会降低其柔性,并且对于一次性的印刷面例如塑料薄膜或纸张产生损伤。

(图片来源于:爱荷华州立大学)

解决方案

所以,研究人员提出通过激光处理石墨烯的方案。他们发现通过脉冲激光,处理喷墨打印的多层石墨烯电子电路和电极,可以提高导电性,并且不会损伤纸张,聚合物或其他脆弱的印刷表面。

他们开发了计算机控制的激光技术,选择性照射喷墨石墨烯氧化物。这个工艺去除了墨水粘合剂,减少了相对于石墨烯的石墨烯氧化物,物理上将数以百万计的微小石墨烯片联合在一起。这种工艺,将材料的导电性提高了1000多倍。具有快速高能光子脉冲的激光,不会损坏石墨烯和其他物质。它们只是在局部加热,局部轰击,局部处理。

这种局部的激光处理工艺,改变了印刷石墨烯的形态和结构,使它从一个平面结构变化为凸起的三维结构。工程师称这种三维结构,就像从平面凸起的微小花瓣。这种高低不平和成脊状的结构,增加了石墨烯电化学活性,让它可用于化学和生物传感器。

研究意义和商业应用前景

于是,这就为商业化和大规模制造石墨烯产品提供了一条途径。这个项目带来了重大技术突破。它将喷墨印刷的石墨烯转化为一种用于新应用领域的导电材料。这些商业应用领域包括:生物应用、能源存储系统、电子导线元件、纸电子产品。

未来展望

所有这些研究,可以将石墨烯进一步推向量产和商业化应用。如同研究人员在论文中所写,这项研究不仅为具有石墨烯电路的电子纸应用铺设了道路,同时也有利于制造低成本、一次性、基于石墨烯的电化学电极 ,用于传感器、生物传感器、燃料电池和医疗设备。


研究团队及论文专利

最近,这项研究发表在《纳米级》杂志上。研究的领导作者为爱荷华州立大学机械工程助理教授和艾姆斯实验室助理Claussen,以及普渡大学工业工程专业的助理教授Gary Cheng。第一作者爱荷华州立大学机械工程方面的博士后研究助理,美国能源部艾姆斯实验室的助理Suprem Das其他合著者包括机械工程系的研究生Allison Cargill, John Hondred和Shaowei Ding。爱荷华州立大学研究基金会公司为这项技术申请了专利。

参考资料

【1】Suprem R. Das, Qiong Nian, Allison A. Cargill, John A. Hondred,Shaowei Ding, Mojib Saei, Gary J. Cheng, Jonathan C. Claussen. 3D nanostructured inkjet printed graphene via UV-pulsed laser irradiation enables paper-based electronics and electrochemical devices. Nanoscale, 2016; 8 (35): 15870 DOI: 10.1039/C6NR04310K

【2】http://www.news.iastate.edu/news/2016/09/01/paperelectronics


石墨烯经激光处理:有望走向量产和大规模商业化
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