CN114477149A - 一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统 - Google Patents

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胡滨
王宗源
刘伟光
汪国崔
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Abstract

本发明公开了一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，包括：激光器、控制器、扩束器、两个振镜、远心扫描场镜、控制卡和计算机；所述控制器连接激光器，用于控制激光输出参数；计算机连接控制卡，控制卡连接两个振镜，计算机用于发送信号给控制卡，进而控制卡控制振镜的偏转。采用聚酰亚胺薄膜作为碳前驱体。激光器发射激光束经过扩束器后，通过两个振镜，进入远心扫描场镜，投射到聚酰亚胺薄膜。本发明的优点是：可以快速高精度地制备出高质量的多孔石墨烯，可以实现更高精度的聚焦能力，具有更好的消像差能力，加工能力更强。

Description

一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，特别涉及一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统。
背景技术
一种利用二氧化碳激光器在大气环境中直接烧蚀商用聚酰亚胺的方式产生三维多孔石墨烯图案结构的新方法[1]。提到激光产生的能量会使被照射区域的晶格发生振动，从而使得局部温度极高，这种高温很容易破坏聚酰亚胺中的C—O、C＝O以及N—C。随后，碳原子会进行重新排列，形成石墨烯结构。其余的原子也会重新组合，并以气体的形式释放出去。
CO2激光器可以产生超过1000℃的温度，这使得在普通环境下就可以将碳前体进行石墨化，而不需要催化剂。值得注意的是，前人使用输出功率为5W的蓝光455nm连续激光器烧蚀PI样成功制备出了三维多孔石墨烯。这说明，能否成功制备三维多孔石墨烯与激光器的类型以及工作波长无关，而只与输出功率相关，这为激光加工提供了极大便利，任何可以提供超过阈值能量的激光器都可以被用来制备三维多孔石墨烯。
这种三维多孔石墨烯拥有许多出色的性质，包括高电导率(<50Ωcm-1)、高热稳定性(>900℃)和高热导率(1.72W m-1K-1)等等。此外，由于采用激光直写，整个过程可在室温和环境空气中进行，且无需任何溶剂。这使得制造具有任意图案的大面积低成本导电器件拥有了新的解决方案。但是到目前为止，图案化的多孔石墨烯器件都是利用基于二维平移台的激光直写技术加工的。受限于平移台本身的移动精度，具有高精度复杂图形的多孔石墨烯器件是很难制备的。并且，由于需要避免平移台惯性引起的加工误差，加工速度也受到了较大的限制。
现有技术提出了一种基于二维平移台加工的图案化多孔石墨烯的超级电容[2]。这种超级电容器的能量存储于电化学双电层中。即使在10000mV·s-1的扫描速率下，伪矩形循环伏安图也保持了伪矩形的形状，比表面电容可以保持在1mF·cm-2以上。并且，将多孔石墨烯超级电容以串联或并联的方式进行集成，还可以提高输出电压或面电容。这显示出了其在高功率电子器件中的应用潜力。
现有技术的缺点：
1.基于平移台的加工方法使得加工精度较低，超级电容的整体分辨率较差(最小分辨率为1mm)，无法实现器件的微小型化，限制了超级电容性能的进一步提升。
2.基于平移台的加工方法限制了器件的加工速度。
参考文献
[1]Lin J，Peng Z，Liu Y，et al.Laser-induced porous graphene films fromcommercial polymers[J].Nat Commun，2014，5：5714；
[2]Peng Z W，Lin J，Ye R Q，et al.Flexible and stackable laser-inducedgraphene supercapacitor[J].ACS Applied Materials&Interfaces，2015，7(5)：3414-3419。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，包括：激光器、控制器、扩束器、两个振镜、远心扫描场镜、控制卡和计算机；
所述控制器连接激光器，用于控制激光输出参数；
所述两个振镜布置为分别向同一水平面内的两个方向倾斜激光束；
计算机连接控制卡，控制卡连接两个振镜，计算机用于发送信号给控制卡，进而控制卡控制振镜的偏转。
所述激光器发射激光束经过扩束器后，通过两个振镜，进入远心扫描场镜，投射到聚酰亚胺薄膜。
进一步地，所述远心扫描场镜是一个具有四个透镜的透镜组，远心扫描场镜所具备的平场聚焦能力，可以使工作区域的内焦点直径不超过5μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
可以快速高精度地制备出高质量的多孔石墨烯，并且可以通过控制激光参数，精确控制制备的多孔石墨烯的性质与形貌。可以实现微米级的加工能力，并且可以在30秒的时间内，加工出面积为18*18mm的多孔石墨烯任意图案。
远心扫描场镜具有更多的透镜数量，经过设计优化，可以实现更高精度的聚焦能力，具有更好的消像差能力，加工能力更强。
附图说明
图1是本发明实施例图案化多孔石墨烯制备系统结构示意图；
图2是本发明实施例远心扫描场镜的光学设计图；
图3是本发明实施例远心扫描场镜焦平面上距中心位置不同距离的激光散斑图；
图4是本发明实施例基于图案化多孔石墨烯的“Graphene”字母图形；
图5是本发明实施例多孔石墨烯的拉曼光谱图，其中，a为在单脉冲加工模式下，采用不同能量密度的激光产生的多孔石墨烯的拉曼光谱，b为不同激光脉冲数下产生的多孔石墨烯的拉曼光谱。此时单个激光脉冲的能量密度为256J cm-2。c为在栅格加工模式下，采用不同能量密度的激光产生的多孔石墨烯的拉曼光谱；
图6是本发明实施例X射线光电子能谱对多孔石墨烯的原子含量的统计图，其中，a为聚酰亚胺和分别在68J cm-2，110.5J cm-2和153J cm-2下产生的多孔石墨烯的X射线光电子能谱；b为C1s的含量。c为N1s的含量。d为o 1s的含量；
图7是本发明实施例多孔石墨烯的扫描电子显微镜图，a为在68J cm-2下产生，b为在110.5J cm-2，c为在153J cm-2下产生。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，包括：激光器1、控制器2、扩束器3、两个振镜4、远心扫描场镜5、控制卡6、计算机7和聚酰亚胺薄膜9；
所述控制器2连接激光器1，用于控制激光输出参数
所述两个振镜4布置为分别向同一水平面内的两个方向倾斜激光束
计算机7连接控制卡6，控制卡6连接两个振镜4，计算机7用于发送信号给控制卡6，进而控制卡6控制振镜4的偏转。
所述激光器1发射激光束经过扩束器3后，通过两个振镜4，进入远心扫描场镜5，投射到聚酰亚胺薄膜9，产生图案化多孔石墨烯8。
如图2所示，所述远心扫描场镜5是一个具有四个透镜的透镜组，远心扫描场镜5所具备的平场聚焦能力，可以使工作区域的内焦点直径不超过5μm。
基于上述系统，本实施例加工了基于图案化多孔石墨烯的“Graphene”字母图形(图4),整体尺寸为3毫米×0.5毫米，分辨率为30μm，加工时间在5秒以内。加工采用了输出波长为532nm的Nd:YVO4纳秒固体激光器(脉冲宽度：15ns，重复频率可调)。使用厚度为80μm的商用Kapton聚酰亚胺胶带作为碳前驱体。远心扫描场镜的设计焦距为60mm，入瞳直径为10mm，工作区域为18mm×18mm。激光的扫描速度被设置为50mm s-1。
我们对采用不同激光参数制备的多孔石墨烯进行了拉曼光谱测试(图5)，得到了多孔石墨烯产物性质与激光参数之间的关系，结果表明激光的功率，脉冲次数和加工模式对制备的多孔石墨烯的性质具有明显的影响。随后还使用X射线光电子能谱对多孔石墨烯的原子含量进行了统计(图6)，结果表明产生的多孔石墨烯具有很低的杂质原子含量，且杂质含量可以通过提升激光功率进一步降低。最后，我们的还利用扫描电子显微镜对不同激光参数下产生的多孔石墨烯的表面形貌进行了表征(图7)，从图7中可以清楚看出多孔石墨烯的表面微观结构，且表面的孔洞尺寸与激光参数同样存在着明显的联系。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，其特征在于，包括：激光器、控制器、扩束器、两个振镜、远心扫描场镜、控制卡和计算机；
所述控制器连接激光器，用于控制激光输出参数；
所述两个振镜布置为分别向同一水平面内的两个方向倾斜激光束；
计算机连接控制卡，控制卡连接两个振镜，计算机用于发送信号给控制卡，进而控制卡控制振镜的偏转；
所述激光器发射激光束经过扩束器后，通过两个振镜，进入远心扫描场镜，投射到聚酰亚胺薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，其特征在于：所述远心扫描场镜是一个具有四个透镜的透镜组，远心扫描场镜所具备的平场聚焦能力，可以使工作区域的内焦点直径不超过5μm。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101236291A (zh) * 2007-01-30 2008-08-06 深圳市大族激光科技股份有限公司 远心F-theta光学镜头及光学系统
CN101723310A (zh) * 2009-12-02 2010-06-09 吉林大学 一种利用氧化石墨烯制备导电微纳结构的光加工方法
CN203171139U (zh) * 2013-04-28 2013-09-04 武汉凌云光电科技有限责任公司 一种用于立体直接成型的激光设备
CN106842588A (zh) * 2017-03-28 2017-06-13 北京印刷学院 激光诱导向前转移制备结构色薄膜的装置和方法
CN107973284A (zh) * 2017-11-07 2018-05-01 西安交通大学 一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法
CN109794687A (zh) * 2017-11-15 2019-05-24 Ati株式会社 三维待加工对象的激光图案化设备及其方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101236291A (zh) * 2007-01-30 2008-08-06 深圳市大族激光科技股份有限公司 远心F-theta光学镜头及光学系统
CN101723310A (zh) * 2009-12-02 2010-06-09 吉林大学 一种利用氧化石墨烯制备导电微纳结构的光加工方法
CN203171139U (zh) * 2013-04-28 2013-09-04 武汉凌云光电科技有限责任公司 一种用于立体直接成型的激光设备
CN106842588A (zh) * 2017-03-28 2017-06-13 北京印刷学院 激光诱导向前转移制备结构色薄膜的装置和方法
CN107973284A (zh) * 2017-11-07 2018-05-01 西安交通大学 一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法
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