光雕法制备石墨烯薄膜及其特性研究*

刘富杨 查小婷 黄 昊 张 渟 杨文耀＊

(重庆市高校新型储能器件及应用工程研究中心 重庆文理学院，中国 重庆 402160）

0　引言

近年来，随着易弯曲、可穿戴器件等概念的提出，实现柔性成为了电极研究工作的重点，石墨烯是碳原子以sp2杂化轨道结合的材料，其独特的二维结构使其具有优异的光学和电学性质[1,2]，是制备柔性电极的一种优良材料。

众多科学家就石墨烯柔性化进行了多样化的研究[2]，2009年，Krauss利用拉曼激光辐射石墨烯薄膜，发现了激光与石墨烯之间的相互作用[3]；Gao[4]等利用飞秒激光将氧化石墨烯薄膜还原成石墨烯薄膜，并完成复杂图案设计；刘璇[5]利用1064nm波长的皮秒激光还原石墨烯薄膜，在激光输出功率为75mW时，获得石墨烯的最小电阻值为 2.32kΩ／sq；林喆[6]采用飞秒激光切割石墨烯，能量密度为0.8 J/cm2时，石墨烯被完全去除；赖婷[7]使用波长约780nm，输出功率200mW的激光笔对氧化石墨烯照射还原，成功得到石墨烯；以上实验虽然使用光雕法成功的得到了石墨烯，但缺少对激光强度的研究，因为激光强度对石墨烯的还原效果影响较大，所以本文拟用光雕法还原氧化石墨烯制备叉指电极，并调整激光强度，研究不同激光强度下石墨烯的特性。

1　实验

1.1　试 剂 与 仪 器

1.1.1试 剂

氧化石墨烯粉末、柔性ITO薄膜、去离子水、无水乙醇、丙酮。

1.1.2仪 器

电子天平、超声波清洗机、高速离心机、真空可编程干燥箱、真空泵、桌面小型激光雕刻机、数字移动显微镜、四探针测试仪、扫描电子显微镜。

1.2　激光还原氧化石墨烯的制备

1.2.1氧化石墨烯薄膜的制备

秤取30～60mg氧化石墨烯(GO)加入到30～60ml去离子水中，超声1～3小时；再将溶液离心 15～30min，取上层清液得到GO分散液，将GO分散液抽真空半小时备用。

将柔性ITO薄膜(边长为 8cm)依次用乙醇、丙酮、去离子水清洗干净，放到真空可编程干燥箱烘干。取10m l上述的GO分散液滴涂于柔性ITO薄膜不导电面处，非真空烘干备用。

1.2.2激光还原氧化石墨烯薄膜的制备

将已设计好的叉指电极图片导入计算机软件中，激光头调焦照射到GO薄膜上，调节激光雕刻机激光强度分别为 10、15、20、25、30五个等级，进行 GO薄膜的还原和图案化处理，获得具有一定图形的激光还原氧化石墨烯薄膜(LSG)。

2　实验结果与分析

2.1　LSG的方块电阻表征

我们利用四探针测试仪测试了GO薄膜和各LSG薄膜的方块电阻，表1展示了电阻和激光强度的关系，由图可知：当激光强度小于20时GO还原不透彻，电阻超出测试仪量程；而激光强度达到20以上，LSG的电阻变小，这是由于GO含有大量的含氧官能团，这些含氧官能团破坏了石墨烯芳香族的结构，导致GO绝缘，当激光照射的强度足够时，GO吸收激光能量，祛除了含氧基团，使GO被还原，导电性恢复。随着激光强度越大，还原效果越好，当强度为30时，其方块电阻最小，为 1117Ω□-1。

表1　不同激光强度下，叉指电极的方块电阻

图1　不同激光强度下，叉指电极的显微镜放大图

利用激光雕刻机将GO还原后，得到的LSG，对此进行显微镜观察，观察到被还原的区域由黄色变为黑色，叉指电极图案清晰明显。而激光雕刻机选择的强度不同，GO还原效果不同。图1(a)(b)(c)中展示了激光强度分别为为20、25、30时的还原效果图。由图可知三种强度下，GO都被还原，并生成了叉指电极。从图1(a)2X放大图片中可以看出GO和LSG存在明显的分割线，说明GO还原不透彻；而图1(c)2X图中，已经很难发现GO和LSG分界线，说明还原效果较好，但是亮点较多，这表明激光强度太大导致GO被打穿，光线透过衬底形成亮点；而图1(b)还原面积较大，亮点也较少，说明25的激光强度较为合适。

图2　GO薄膜和LSG薄膜的SEM图

2.3　LSG薄膜的SEM表征

为进一步研究GO的还原效果，我们分别表征激光扫描前后薄膜的SEM图：图2所示为GO薄膜和LSG薄膜的SEM图，对比可知，两图具有明显的差别，图2(a)是平面铺展的 GO薄膜，而图 2(b)存在明显的褶皱和断裂层，这是由于在激光的照射下，GO吸收了热量，在驱除含氧基团，由GO转化为LSG的同时，发生了膨胀，由二维形貌转化为了三维结构。

3　结论

本文采用光雕法既实现了氧化石墨烯的还原，又实现了石墨烯的图案化。并研究了不同激光强度下的还原效果，结果表明：激光强度越大，GO被还原的面积也增大，且薄膜方块电阻越小，还原效果越好；但是当强度达到30的时候，氧化石墨烯被打透。因此，我们认为激光强度为25时，LSG的还原及图形化效果最好。

【参考文献】

［1］杨丽君,吕雪梅,秦丽惠.氮掺杂石墨烯量子点的制备及其荧光性质[J].重庆文理学院学报,2016,35(5)：75-78.

［2］吴婕.氧化石墨烯还原方法的研究进展[J].化工进展,2013,32(6)：1352-1356.

［3］姜娟,黄婷,钟敏霖,等.激光与石墨烯相互作用的研究现状及发展趋势[J].中国激光,2013,40(2)：13-26.

［4］Gao W,Singh N,Song L,et al.Direct laser writing of micro-supercapacitors on hydrated graphite oxide films[J].Nature Nanotechnology,2011,6(8)：496-500.

［5］刘璇,王鹏波,李必奎,等.皮秒激光直写还原石墨烯氧化物薄膜的研究[J].光电子·激光,2017(10)：1096-1100.

［6］林喆,叶晓慧,韩金鹏,等.基于飞秒激光切割的石墨烯图案化研 究[J].中 国 激 光 ,2015,42(7)：85-89.

［7］赖婷,林碧敏,刘小波,等.激光还原石墨烯材料制备及应用综合型实验设计[J].实验技术与管理,2017,34(2)：62-65.

［8］赵扬,曲良体.借激光之力,筑石墨烯集成之梦[J].中国基础科学,2016,18(5).1-10.