Forskare registrerade bildandet av laserinducerad grafen gjord med en liten laser monterad på ett svepelektronmikroskop. Kredit:Tour Group/Rice University
Du behöver ingen stor laser för att göra laserinducerad grafen (LIG). Forskare vid Rice University, University of Tennessee, Knoxville (UT Knoxville) och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) använder en mycket liten synlig stråle för att bränna den skummande formen av kol till mikroskopiska mönster.
Rice kemisten James Tours labb, som upptäckte den ursprungliga metoden att förvandla en vanlig polymer till grafen 2014, och Tennessee/ORNL materialforskare Philip Rack avslöjade att de nu kan se det ledande materialet bildas när det gör små spår av LIG i ett svepelektronmikroskop (SEM).
Den förändrade processen, detaljerat i American Chemical Society's ACS tillämpade material och gränssnitt , skapar LIG med funktioner som är mer än 60 % mindre än makroversionen och nästan 10 gånger mindre än vad som vanligtvis uppnås med den tidigare infraröda lasern.
Lasrar med lägre effekt gör också processen billigare, sa Tour. Det kan leda till en bredare kommersiell produktion av flexibel elektronik och sensorer.
"En nyckel för elektroniktillämpningar är att göra mindre strukturer så att man kan ha en högre densitet, eller fler enheter per ytenhet, Tour sa. "Denna metod tillåter oss att göra strukturer som är 10 gånger tätare än vi tidigare gjorde."
För att bevisa konceptet, labbet gjorde flexibla fuktsensorer som är osynliga för blotta ögat och direkt tillverkade på polyimid, en kommersiell polymer. Enheterna kunde känna av mänsklig andetag med en svarstid på 250 millisekunder.
"Detta är mycket snabbare än samplingsfrekvensen för de flesta kommersiella fuktsensorer och möjliggör övervakning av snabba lokala fuktighetsförändringar som kan orsakas av andning, sa tidningens huvudförfattare, Rice postdoktor Michael Stanford.
Forskare vid Rice University och Oak Ridge National Laboratory använde en liten laser monterad på ett svepelektronmikroskop för att bilda prickar och spår av ledande grafen på en polymer. Tekniken skapar laserinducerad grafen med funktioner som är mer än 60 % mindre än makroversionen och nästan 10 gånger mindre än vad som vanligtvis uppnås med en infraröd laser. Kredit:Tour Group/Rice University
De mindre lasrarna pumpar ljus med en våglängd på 405 nanometer, i den blåvioletta delen av spektrumet. Dessa är mindre kraftfulla än de industriella lasrar som Tour Group och andra runt om i världen använder för att bränna grafen till plast, papper, ved och även mat.
Den SEM-monterade lasern bränner endast de översta fem mikron av polymeren, skriva grafen funktioner så små som 12 mikron. (ett människohår, i jämförelse, är 30 till 100 mikron bred.)
Genom att arbeta direkt med ORNL lät Stanford dra nytta av det nationella labbets avancerade utrustning. "Det var det som gjorde denna gemensamma ansträngning möjlig, " sa Tour.
En svepelektronmikroskopbild visar två spår av laserinducerad grafen på en polyimidfilm. En laser monterad på mikroskopet användes för att bränna in mönstren i filmen. Tekniken visar lovande för utvecklingen av flexibel elektronik. Kredit:Tour Group/Rice University
"Jag gjorde mycket av min doktorsforskning på ORNL, så jag var medveten om de utmärkta faciliteterna och forskarna och hur de kunde hjälpa oss med vårt projekt, ", sa Stanford. "LIG-funktionerna vi skapade var så små att de skulle ha varit näst intill omöjliga att hitta om vi skulle lasera mönstren och sedan söka efter dem i mikroskopet senare."
Turné, vars grupp nyligen introducerade flashgrafen för att omedelbart förvandla skräp och matavfall till det värdefulla materialet, sa den nya LIG-processen erbjuder en ny väg mot att skriva elektroniska kretsar till flexibla substrat som kläder.
"Medan flashprocessen kommer att producera massor av grafen, LIG-processen gör att grafen kan syntetiseras direkt för exakta elektronikapplikationer på ytor, " sa Tour.
