激光诱导石墨烯：从材料制备到柔性电子应用

激光诱导石墨烯（LIG）通过激光直接作用于富碳聚合物，在基底表面原位形成多孔导电碳网络。与传统石墨烯制备方法相比，LIG 具有无需转移、可直接图案化、加工速度快和适合柔性基底等特点。近期综述系统梳理了 LIG 的形成机制、工艺调控、导电性能提升策略及其在柔性电子中的应用。

从激光参数到石墨化结构

LIG 的本质是激光能量在聚合物表面的局部沉积。波长决定材料对光的吸收方式，能量密度和扫描速度共同影响局部温升与热积累，脉冲持续时间则改变光热过程和光化学过程的相对作用。参数匹配时，聚酰亚胺等富碳前驱体可以转化为具有 sp² 碳网络的多孔结构；参数不合适时，则可能出现碳化不足、过度烧蚀或热影响区扩大。

不同波段的激光会改变能量进入材料的方式：紫外光更容易引发局部光化学反应，红外光则以光热效应为主。连续激光有利于形成持续的热积累，短脉冲激光可以缩小热影响区并提高图形边界的清晰度，但也对聚焦和能量密度更敏感。

在激光作用下，前驱体表面会经历快速升温、键断裂、挥发性组分逸出和碳原子重排等过程，最终形成部分石墨化的碳域。这个过程处于非平衡状态，因此所得 LIG 通常不是理想的单层石墨烯，而是由石墨化区域、无定形碳、缺陷和孔隙共同组成的三维网络。

图1 LIG 的制备、改性策略与典型应用示意图

综述将 LIG 的发展概括为“制备—改性—器件集成”的连续过程。激光直接写入不仅完成材料转化，也同时完成图案定义，因此可以在聚合物表面形成复杂的二维或三维导电结构。LIG 的多孔形貌有利于增加有效表面积，但缺陷、杂原子和 sp²/sp³ 比例也会显著影响电输运性能。

综述还强调了扫描路径和热扩散之间的关系。相邻扫描线之间的间距过大时，导电网络可能出现断裂；间距过小或重复照射过多时，则可能产生过热、烧蚀和结构塌陷。因而，实际加工中需要同时观察线宽、孔隙形貌和电阻变化，建立参数与成碳质量之间的对应关系。

如何提高 LIG 的导电性能

原始 LIG 的导电性能受到石墨化程度、缺陷密度和孔隙结构限制。综述总结了多种调控方法：在激光加工前引入金属前驱体或表面涂层，可以在碳化过程中形成金属纳米颗粒或复合结构；激光加工后进行化学掺杂、快速焦耳退火或表面等离子体处理，则可以改善载流子输运、修复部分缺陷并调节润湿性。不同方法对应不同目标，需要同时考虑电阻、机械稳定性和表面活性。

后处理则主要针对已经形成的 LIG 网络进行优化。快速焦耳退火可以在毫秒级时间内提高局部温度，促进缺陷修复和石墨微晶重排；化学掺杂和等离子体处理能够改变载流子浓度、表面官能团和润湿性。综述指出，部分处理路线可以将方块电阻降低到 10 Ω/sq 以下，但导电性提升往往需要在孔隙率、柔韧性和表面活性之间进行平衡。

预处理方法包括在聚合物中加入金属盐、催化剂或其他功能填料，也包括对基底表面进行涂层和化学改性。以铜、银等金属前驱体为例，激光碳化时可以同步形成金属纳米颗粒，改善碳网络之间的电荷传输；催化组分还可能促进石墨化，但其分散状态和加入量会影响最终的均匀性。

图2 不同激光波长、脉冲模式与 LIG 形成机制示意图（改编自原文图3）

这些策略也说明，激光参数优化不能脱离具体器件需求。对于电阻式传感器，需要连续且稳定的导电通路；对于电化学传感器，则还要保留足够的孔隙和活性位点。加工时应把激光功率、扫描速度、线间距和光斑尺寸作为相互关联的参数进行优化，并用电阻、拉曼光谱或形貌表征验证结果。

LIG 在柔性器件中的应用

LIG 的柔性和可图案化特征使其适合压力、应变和温度传感。外力作用下，多孔碳网络的接触面积、裂纹和局部电阻会发生变化，从而产生可测量的电信号。通过改变图形、基底和复合层结构，可以覆盖从人体运动监测到结构健康监测的不同场景。

在能量器件中，LIG 可作为超级电容器、电池和摩擦纳米发电机的电极或导电骨架。激光直写同时完成材料制备和图形化，减少了电极转移与掩膜步骤；其柔性和多孔结构也有利于器件弯折以及电解质浸润。进一步结合太阳能电池或储能单元，可以构建具有能量采集和存储功能的柔性模块。

除物理传感外，LIG 的多孔表面还适合电化学传感。较大的有效表面积能够提供更多反应位点，含氧或含氮官能团有利于分子吸附和界面反应，因此 LIG 可以与金属氧化物、贵金属纳米颗粒或生物识别材料复合，用于检测生物分子、环境污染物和化学物质。

图3 LIG 柔性压力、应变和温度传感器示例

来源：液晶太赫兹乐园