​香港城大叶汝全《自然·通讯》：激光诱导石墨烯拓扑缺陷的闪光修复

为了解决这一问题， 香港城市大学 叶汝全教授 团队 采用快速焦耳热（flash Joule-heating, FJH）技术在原子水平上修复LIG中存在的缺陷，并同时保持其宏观和微观结构的完整性（F-LIG） 。FJH利用高直流电脉冲实现快速电阻加热，相比传统热处理方法，FJH具有加热速度快和局域化的优势。而与用于LIG制备的激光脉冲相比，FJH的加热时间较长，通常为几十毫秒到几秒，有助于LIG内碳原子的重新排列，从而改善其有序性。相关工作以题为“Flash healing of laser-induced graphene”的论文发表在《 Nature Communications 》上。

F-LIG制备及FJH过程研究

F-LIG是通过在真空条件下，在LIG两端施加毫秒级高直流电压制备的。电流通过LIG产生瞬时热量，并产生明亮的闪光。由于高效的电能-热能转化，可以通过调节施加电压精确控制FJH过程。结果显示，随着电压升高，闪光强度逐渐增强，相应的加热温度可达到2000 ℃以上。与原始LIG相比，F-LIG的电阻显著降低，且随FJH电压增加呈现明显的下降趋势。为了深入研究FJH过程，记录了FJH过程中的瞬时电压（U）和电流（I），并计算了瞬时功率密度（P _A ）和瞬时能量密度（E _A ）。在150V和160V的电压下，电流曲线与电压曲线呈相似趋势。当电压增加到170V以上时，电流曲线出现突增过程，表明LIG电阻显著降低。电压为190 V时，瞬时功率密度达到约2100W cm ^-2 ，瞬时能量密度达到27.55J cm ^-2 ，表明在LIG图案内发生了迅速且显著的能量输入和热量生成。

图1.   a  F-LIG制备示意图； b 不同电压FJH过程的照片； c  FJH过程所达到的温度和能量密度； d  LIG及F-LIG电阻对比； e  电压， f  电流和 g  功率密度曲线。

缺陷结构研究

Raman光谱表征显示，经FJH处理后F-LIG的D峰明显降低，表明结构中缺陷密度减小。由I _D /I _G 计算可知，原始LIG的a轴方向晶粒尺寸(L _a )为22.9 nm，而F-LIG-190 V的L _a 达到60 nm。这些结果表明，FJH可以显著促进LIG中缺陷的修复，使结晶区域扩大。此外，2D峰呈现明显的变窄和增强，较小的半高宽和较高的I _2D /I _G 表明石墨烯质量改善和层叠减少。还观察到F-LIG的2D峰随FJH电压增大出现蓝移，可能归因于石墨烯层数、晶格应变以及电子能带结构的改变。

图2.   a, b  LIG及F-LIG的Raman光谱； c  LIG及F-LIG的I _D /I _G 和L _a ； d  LIG及F-LIG的I _2D /I _G 和2D峰半高宽； e  LIG及F-LIG的XPS谱图和 f  C1s谱图。

原子水平拓扑结构研究

使用高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察原子尺度形貌发现，LIG中碳原子呈现无序排列，包含大量的五边形-七边形结构，而在F-LIG样品中观察到高度有序的六角形碳晶格。此外，采用对分布函数(PDF)分析了LIG和F-LIG的原子间距离和相对位置。LIG的最近邻峰的中心位置在1.458 Å，具有较宽的离散范围。经过FJH处理后，该峰明显变窄，F-LIG-170 V和F-LIG-190 V的键距分别缩短至1.444 Å和1.425 Å。键距减小且分布更加集中表明碳环结构由五-七元环为主向富含六元环转变。此外，F-LIG中位于更大键距处的信号也更加明显，表明F-LIG中存在更多的长程有序结构。

图3.   a,b  LIG和 c,d  F-LIG的HRTEM图像； e,f  LIG和F-LIG的PDF曲线。

F-LIG的应用

由于F-LIG的导电性能得到改善且三维多孔结构完好，研究者将其应用于高性能压阻应变传感器。结果显示，基于LIG和F-LIG的应变传感器的灵敏度分别为16.4和129.3。F-LIG增强的导电性有助于更有效的电子传输，从而在应变下产生更明显的电阻变化，提升传感器的灵敏度。此外，该传感器还表现出优秀的稳定性。随后，研究者展示了传感器在监测人体运动、语音识别和人机界面等方面的应用潜力。

图4.   a,b  LIG和F-LIG基传感器弯曲过程的电阻变化； c  F-LIG基传感器拉伸过程的电阻变化； d  电阻变化与应变的关系； e  循环稳定性测试； f  不同拉伸速率下的电阻变化。