激光与石墨烯相互作用的研究现状及发展趋势

第 ４０ 卷 第 ２ 期 ２０１３ 年 ２ 月
中 国 激 光 ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＡＳＥＲＳ
Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１３
激光与石墨烯相互作用的研究现状及发展趋势

姜 娟１ 黄 婷１ 钟敏霖１ 叶晓慧１ 林 哲１ 龙江游１ 李 琳２
（ ） １清华大学机械工程系先进成型制造教育部重点实验室，北京 １０００８４ ２曼彻斯特大学机械航空航天与土木工程学院激光加工研究中心，英国，曼彻斯特 Ｍ１３，９ＰＬ
收 稿 日 期 ：２０１２－０８－１３；收 到 修 改 稿 日 期 ：２０１２－１０－１０ 基 金 项 目 ：国 家 ９７３ 计 划 （２０１１ＣＢ０１３０００）和 中 国 博 士 后 科 学 基 金 （２０１２Ｍ５１０４２６）资 助 课 题 。 作 者 简 介 ：姜 娟 （１９７６— ），女 ，博 士 后 ，主 要 从 事 电 子 材 料 的 加 工 制 备 等 方 面 的 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｊｈｙｂ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ 导 师 简 介 ：钟 敏 霖 （１９６１— ），男 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 从 事 激 光 成 形 制 造 和 激 光 微 纳 制 造 等 方 面 的 研 究 。
１ 引 言
石墨烯是碳原子紧密堆积成的单层蜂窝状晶格 结构的一种碳质新材料，其厚度仅为 ０．３３５ｎｍ。 做
为 碳 的 二 维 晶 体 结 构 ，石 墨 烯 的 出 现 实 现 了 碳 的 点 、 线、面、体（从零维到 三 维）的 结 合，即 使 碳 的 晶 体 结 构形成了包括富 勒 烯、碳 纳 米 管、石 墨 烯、石 墨 和 金
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｇｒａｐｈｅｎｅ
Ｊｉａｎｇ Ｊｕａｎ１ Ｈｕａｎｇ Ｔｉｎｇ１ Ｚｈｏｎｇ Ｍｉｎｌｉｎｇ１ Ｙｅ Ｘｉａｏｈｕｉ １ Ｌｉｎ Ｚｈｅ１
Ｌｏｎｇ Ｊｉａｎｇｙｏｕ１ Ｌｉ Ｌｉｎ２
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｕｓｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｇｒａｐｈｅｎｅ；ｌａｓｅｒ ｄａｍａｇｅ ＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ １６０．４２３６；０００．４９３０；３５０．３３９０
激光器的发明 是 ［６］ ２０ 世 纪 的 重 大 科 技 成 就 之 一，作为高能束处 理 的 手 段 之 一，激 光 具 有 单 色 性、 高方向性以及能量 分 布 集 中 等 特 点，使 其 在 材 料 加 工领域得到广泛 应 用。 激 光 制 造 在 能 量 密 度 （约 为 １０２２ Ｗ／ｃｍ２）、作 用 空 间 （约 为 １０－１０ ｍ）、时 间 尺 度 （约为１０－１５ ｓ）和 被 加 工 材 料 吸 收 能 量 的 可 控 尺 度 （约为电 子 层 面 ）等 方 面 都 可 趋 于 工 艺 极 限。 紫 外 光 、可 见 光 、红 外 及 可 调 频 率 激 光 器 的 商 业 化 及 其 结 构 的 简 单 化 ，极 大 地 扩 展 了 激 光 加 工 方 法 对 气 体 、液 体和固体物的选择 范 围，降 低 了 激 光 加 工 方 法 的 成 本 、提 高 了 生 产 效 率 ，使 其 在 材 料 加 工 领 域 表 现 出 很 高 的 性 能 价 格 比 ，市 场 地 位 日 显 重 要 。
２ Ｌａｓｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｒｅ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ，Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
烆
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ，Ｍ１３，９ＰＬ，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ，ＵＫ
烎
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｇｌｏｂａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｒｅ ｅｘｐｌｏｄｉｎｇ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｍａｋｅｓ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ ｃａｎｄｉｄａｔｅ ｆｏｒ ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ，ｔｈｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｎ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｐｕｌｓｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ （ＰＬＤ），ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ （ＬＣＶＤ），ｔｗｏ－ｂｅａｍ－ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｄｉａｔｅｄ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ，ｌａｓｅｒ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｕｎｚｉｐｐｉｎｇ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ， ａｎｄ ｅｔ ａｌ．．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｍｅ，ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｏｎ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｉｎｎｉｎｇ，ｃｌｅａｎｉｎｇ，ｃｕｔｔｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ａｎｄ ｅｔ ａｌ．． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｉｃｒｏｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｎ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ，ｓｕｐｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｍｌ＠ｍａｉｌ．Ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ（通 信 联 系 人 ，中 国 光 学 学 会 会 员 号 ：ｚ１００９１９５）
０２０１００２－１
中 国 激 光
刚石在内的完整体系。 ２０１０年 Ｇｅｉｍ 和 Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ因在二维空间材料
石墨烯方 面 的 开 创 性 实 验 而 ［１］ 获 得 诺 贝 尔 物 理 学 奖 。 在 短 短 几 年 时 间 里 ，石 墨 烯 优 异 的 力 学 性 质 （杨 氏模量高达１．０ ＴＰａ［２］）、电 学 性 质 ［电 子 迁 移 率 高 达１５０００ｃｍ２／（Ｖ·ｓ）［３］］、热 学 性 质 （热 导 系 数 高 达 ５０００ Ｗ／ｍＫ［４］）和 光 学 性 质 （单 层 石 墨 烯 的 可 见 光 吸收仅２．３％，锁 模 特 性 优 异［５］）被 相 继 发 现，同 时 研究发现石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的 纳米材料，并且其电阻率只有约１０－６ Ω·ｃｍ，比 铜 和 银 更 低 ，为 目 前 世 界 上 电 阻 率 最 小 的 材 料 。
以发现。随 着 计 算 技 术 的 发 展，Ｍｉｙａｍｏｔｏ 等 采 ［１６］ 用数值模拟方法对 碳 材 料 激 光 烧 蚀 产 物、激 光 能 量 阈 值 、等 离 子 体 的 光 化 学 过 程 学 等 作 了 预 测 和 估 计 。 目 前 已 经 成 功 开 发 出 制 备 碳 材 料 薄 膜 、晶 体 、表 面 清 洗、微电子 器 ［１］ 件的激光工艺。
根据 激 光 技 术 对 石 墨 烯 作 用 的 特 点，阐 述 了 激 光 在 石 墨 烯 制 备 、加 工 及 功 能 化 上 的 应 用 ，其 中 石 墨 烯的合 成 制 备 工 艺 过 程 主 要 包 括 脉 冲 激 光 沉 积 （ＰＬＤ）、激光诱导化学气 相 沉 积 （ＬＣＶＤ）、激 光 辅 助 还原及激光打开碳纳米管等。同时列举分析了激光 辐照对石墨烯材 料 的 破 坏、减 薄、切 割、发 光 等 不 同 加工作用。此外还介绍了基于激光直写技术的石墨 烯图案化电极的制备及其在传感器及超级电容器方 面的应用。最后依 据 激 光 加 工 特 点，对 石 墨 烯 在 电 子领域的应用和发展趋势做了讨论。
２００４年 Ｇｅｉｍ 等 利 ［１］ 用微机械剥离法成功 地 从 高定向裂解石墨（ＨＯＰＧ）上剥离并观测到单层 石墨 烯，但是最早关于激 光 与 石 墨 烯 相 互 作 用 的 报 道 是 ２００９年 Ｋｒａｕｓｓ等 利 ［１７］ 用拉曼激光辐照石墨烯薄膜 实现了清洁及分 解 的 作 用。 自 此，探 索 激 光 技 术 辅 助石墨烯的制备及加工工艺的研究得到重视。因为 在石墨烯的制备工艺和后续加工处理上引入激光技 术 ，利 用 其 相 互 作 用 机 理 、物 理 效 应 与 传 统 制 造 的 不 同 ，获 得 了 前 所 未 有 的 制 造 效 果 ，因 此 运 用 激 光 加 工 手段探索石墨烯形成机制以及工业化生产具有重要 的意义。
石墨烯潜在的应用价值也随着研究的不断进行 而逐步得到了体 现。 由 于 具 有 原 子 尺 寸 的 厚 度，优 异的电学性质，极其微弱的自旋－轨道耦合，狄 拉克－ 费 米 子 特 性 、奇 异 量 子 霍 尔 效 应 、超 精 细 相 互 作 用 的 缺失以及电学性能 对 外 场 敏 感 等 特 性，石 墨 烯 可 望 在纳米电子器件、自 旋 电 子 器 件 等 低 能 源 消 耗 和 高 电子迁移率等领 域 得 到 广 泛 的 应 用。 事 实 上，已 有 许多石墨烯 基 本 器 件 问 世，如 太 阳 能 电 池、发 光 器 件 、触 控 屏 幕 及 光 探 测 器 等 。
烄１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ烌
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ