Met de ontwikkeling van het informatietijdperk zijn sensoren die informatie kunnen verzenden en detecteren de belangrijkste manier geworden om informatie te verkrijgen. Daarom is het bouwen van een sensorsysteem met een groot detectiebereik, hoge gevoeligheid en snelle respons essentieel.

Onlangs hebben grafeenmaterialen steeds meer aandacht gekregen voor sensortoepassingen vanwege hun uitstekende elektrische geleidbaarheid en fysieke, optische, thermische en structurele eigenschappen. Deze toepassingen omvatten voornamelijk de detectie van fysische eigenschappen zoals druk en mechanische belasting, chemische stoffen zoals glucose, dopamine, eiwitten, zware metalen en organische verontreinigende stoffen, evenals de detectie van gas, temperatuur en vochtigheid.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Advanced Manufacturing hebben wetenschappers onder leiding van dokter Zhengfen Wang en professor Xi Chen van de Universiteit van Shanghai voor Wetenschap en Technologie lasergrafeen (LSG) beoordeeld voor de fabricage van sensoren.

Grafeen is bereid met verschillende methoden, zoals mechanische exfoliatie, chemische dampafzetting (CVD), epitaxiale groei en chemische reductie van grafeenoxide. Grafeen van hoge kwaliteit kan worden verkregen door mechanische exfoliatie, maar het lage rendement verhindert de grootschalige productie van grafeen.

De CVD-methode wordt beschouwd als de meest veelbelovende methode voor het bereiden van grote gebieden en grafeen van hoge kwaliteit, maar de CVD-methode wordt beperkt door een hoog energieverbruik en hoge kosten. Grafeenfilms vervaardigd volgens de epitaxiale groeimethode hebben een goede elektrische geleidbaarheid en een hoge optische transmissie. Ze vereisen echter verwerking bij hoge temperaturen, energieverbruik en overdrachtskosten. Chemische reductie van grafeenoxide is goedkoop en hoog in efficiëntie, maar veroorzaakt problemen met milieuvervuiling tijdens het bereidingsproces. Daarom blijven de goedkope, efficiënte en vervuilingsvrije bereidingsmethoden van grafeen zeer interessant.

De laserdirecte schrijftechniek heeft recentelijk onderzoekstoepassingen op verschillende gebieden aangetrokken vanwege de unieke voordelen van selectieve en gelokaliseerde reductie, nauwkeurige en snelle patroonvorming en de afwezigheid van maskers en aanvullende chemicaliën. Bij de laserdirect-schrijftechniek wordt een laser gebruikt om de koolstofvoorlopers te bestralen en grafeen te genereren door in-situ krassen. Het hele laserschrijfproces duurt slechts een paar minuten, wat de efficiëntie van het bereiden van grafeen aanzienlijk verbetert.

De uitstekende eigenschappen van een groot oppervlak, hoge thermische stabiliteit en hoge elektrische geleidbaarheid die LSG-films vertonen, hebben geleid tot het gebruik ervan in een grote verscheidenheid aan toepassingen. Deze toepassingen omvatten fotodetectoren, detectie, energieopslag, memristors, holografie, antibacteriële toepassingen en antennes.

Het onderzoeksteam besprak de bereiding en modificatie van LSG, dat kan worden bereid met verschillende laserlichtbronnen en precursoren, waaronder koolstofprecursoren zoals GO en PI. Conventionele methoden voor de bereiding van grafeen zijn energie-intensief, kostbaar of milieuonvriendelijk, maar deze laserschrijfmethode voor de bereiding van grafeen overwint deze nadelen. De LSG kan in één stap worden aangepast door de laserparameters, de atmosfeer en de doping aan te passen. Het grote oppervlak, de goede elektrische geleidbaarheid en het eenvoudige en efficiënte fabricageproces van LSG maken het uitstekende mogelijkheden voor sensortoepassingen.

Het onderzoeksteam vatte de toepassingen van LSG samen in stresssensoren, biosensoren, gassensoren, temperatuursensoren en vochtigheidssensoren. De prestaties van de sensoren kunnen worden geoptimaliseerd door gebruik te maken van het juiste laservermogen, de juiste scansnelheid, scanafstand en geschikte doping bij de voorbereiding van de LSG. Voor multifunctionele sensoren kan de overspraak tussen verschillende signalen worden verminderd door structurele ontwerpen en patronen. Met name de flexibele patroonvoorbereiding en de verschillende flexibele substraten maken LSG ook veelbelovend voor draagbare sensortoepassingen.

Meer informatie: Xing Liu et al., Lasergeschreven grafeen voor sensoren:voorbereiding, aanpassing, toepassingen en toekomstperspectieven, Licht:geavanceerde productie (2023). DOI:10.37188/lam.2023.011

Aangeboden door TransSpread