1. 什麽(me) 是石墨烯？

石墨烯是單層碳原子緊密排列構成的二維蜂窩狀結構，構建其他碳質材料的基本單元。單層厚度大約是0.34 nm，形象的說，是頭發絲(si) 的20萬(wan) 分之一。

圖1 石墨烯結構圖

石墨烯有一係列優(you) 異性能，如優(you) 良的力學性能、電學性能、光學性能、熱學性能。它比鑽石更硬，又是最柔軟的薄膜材料。它擁有優(you) 異的電子遷移率和電導率，並且透光性好。它是已知最優(you) 的熱導體(ti) ，導熱性能比銅高10倍。它具有極穩定的結構、非常低的密度、高比麵積、柔性不滲透性、2D材料、半金屬性。

由於(yu) 這些優(you) 越的性能，石墨烯的應用潛力巨大。例如，石墨烯可以應用在透明電極/柔性顯示、鋰電池、牙齒“紋身”、石墨烯散熱片、單分子氣體(ti) 傳(chuan) 感器、石墨烯晶體(ti) 管、透明導電電極、集成電路IC、超級電容、石墨烯生物器件、單分子氣體(ti) 傳(chuan) 感器、石墨烯晶體(ti) 管、集成電路IC、超級電容、石墨烯生物器件。

2. 當激光遇到石墨烯

目前，我們(men) 可以查到不少激光與(yu) 石墨烯的文獻。那麽(me) ，當激光遇到石墨烯，我們(men) 能否用激光直接打印石墨烯呢？

化學氣相沉積法製備石墨烯需要一些條件，如需要固體(ti) 碳源、熱源（一般1000°以上）和催化劑。假如我們(men) 用固體(ti) 碳源、金屬鎳作為(wei) 催化劑，將激光作為(wei) 熱源，是否就能用增材製造的方法打印石墨烯呢？

此外，激光作為(wei) 一種加工工具，與(yu) 石墨烯的相互作用如何？如通過激光製備、切割、減薄、連接、改性、摻雜石墨烯。

清華大學鍾敏霖教授團隊采用激光打印石墨烯，得出樣品。步驟如下：

1）基體(ti) 表麵光潔處理，如磨、拋、清洗；

2）將碳源分散在酒精中，利用旋塗機將分散液均勻旋塗在基體(ti) 上，得到-20微米碳塗層；

3）用聚焦的光纖激光掃描碳源，需要注意激光功率密度、激光掃描速率、保護氣氛；

4）冷卻後，清除剩餘(yu) 碳粉，超聲清洗樣品。

圖2

激光打印完成後，第一步用拉曼光譜方法檢測是否為(wei) 石墨烯。

石墨和石墨烯的區別是拉曼光譜檢測峰高不同，石墨烯的2D峰高於(yu) G峰，石墨G峰高於(yu) 2D峰。石墨烯層數增加時，2D峰的相對強度降低，同時峰位右移。

圖3 石墨與(yu) 石墨烯的拉曼光譜對比

第一步，在激光打印的樣品上任選四點進行拉曼光譜檢測，拉曼譜峰與(yu) 典型石墨烯拉曼特征相符合，則可初步確定該樣品薄膜為(wei) 石墨烯。

第二步，用光學顯微鏡和掃描電鏡分析。由於(yu) 石墨烯與(yu) 基底上熱導率不同，因此在光學顯微鏡下，石墨烯表明會(hui) 出現很多微小的褶皺，掃描電鏡下則會(hui) 顯示為(wei) 更清晰的褶皺，這是判斷是否為(wei) 石墨烯薄膜的典型特征。

第三步，用透射電鏡進行分析,可以看到石墨烯的不同層數。

上述分析方法可以證明激光的確打印出了石墨烯。

如何打印大麵積的石墨烯呢？課題組嚐試采用了半導體(ti) 激光的寬光束進行掃描，實現大麵積的石墨烯打印。打印石墨烯的寬度等於(yu) 激光束寬度，打印的石墨烯長度等於(yu) 激光掃描的長度，具備連續批量製備的能力。通過麵掃描拉曼光譜檢測，可以證明打印出來的石墨烯是比較均勻的。

激光打印石墨烯的最大的優(you) 勢是可以利用掃描軟件控製獲得許多不一樣的圖案，因此用激光打印石墨烯，可以打印出許多漂亮的圖案。

圖4 激光打印石墨烯

3.激光打印石墨烯的參數優(you) 化

采用激光打印石墨烯，想要得到較好的結果，就需要對激光參數進行優(you) 化。通過研究激光功率的影響，發現當用過低功率照射時，表麵會(hui) 有殘留的碳粉。高功率增大一定程度時，碳源完全溶解，在表麵形成連續的石墨烯。當功率過大時，表麵出現明顯的氧化現象，就不存在石墨烯了。

掃描速度也會(hui) 對結果產(chan) 生影響。與(yu) 激光功率的影響相似，掃描速度由大到小，輸入的熱量逐漸增大，表麵依次形成殘餘(yu) 碳、石墨烯薄膜、氧化石墨烯、鎳的氧化物。

可以通過碳塗層的厚度來控製激光打印石墨烯的層數，碳塗層厚度越小，2D的峰的相對強度越大，石墨烯的層數越少。

4. 激光打印石墨烯在防腐領域的應用

石墨烯具有化學穩定性，使得石墨烯不易與(yu) 腐蝕介質發生腐蝕反應。石墨烯的抗透性阻隔了水分子、氧分子、氯離子等其他腐蝕介質與(yu) 基體(ti) 的直接接觸。石墨烯的高導電性為(wei) 電子提供通道，中斷腐蝕反應。因此，激光打印的石墨烯具有良好的抗腐蝕性。

通過課題組一係列測試，研究得出普通碳鋼表麵激光打印石墨烯後，其耐腐蝕性與(yu) 超級耐腐蝕不鏽鋼達到同一水平；用激光打印了石墨烯的碳鋼表麵的耐腐蝕性明顯優(you) 於(yu) 將CVD方法製備的石墨烯轉移到碳鋼表麵的耐腐蝕性。

激光打印石墨烯的方法，打破了目前石墨烯量造的困局，創造了更多可能。

文章內(nei) 容根據鍾敏霖教授做客“光學前沿在線”直播間授課內(nei) 容整理而成。激光打印石墨烯為(wei) 鍾敏霖教授團隊973課題研究成果。