《Optics & Laser Technology》：Laser-induced graphene on polyimide substrate for piezoresistive sensor application
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激光诱导石墨烯技术通过优化激光功率和扫描速度，在聚酰亚胺基底上制备出具有低密度微孔结构的石墨烯传感器，灵敏度达1.34×10?3 kPa?1，响应时间44ms，循环稳定性超15000次。
刘宇涵|王仁宝|董冰楠|张中伟|齐东风|魏浩|袁彦文|魏娟|崔洪友
山东工业大学先进激光制造中心（CALM），淄博255000，中国
摘要
石墨烯卓越的电学性能引发了广泛的研究。然而，其实际应用仍受到高昂的制造成本和复杂制造工艺的限制。激光诱导石墨烯（LIG）技术通过低成本制造和高效率图案化能力为这一挑战提供了创新解决方案。本研究系统地探讨了激光参数对石墨烯表面形态和电导率的影响。通过制造具有低密度微米级孔隙的结构，石墨烯的电导率得到了显著提升。聚酰亚胺（PI）基底的优异机械柔韧性为压阻式传感器提供了理想平台。在PI表面上制备了石墨烯，并制作了一种具有“梯形并联电阻网络”图案结构的压阻式传感器。该传感器表现出高灵敏度（1.34 × 10^-3 kPa^-1）、快速响应特性（44 ms），并且在15,000次测试循环中保持了出色的稳定性。这种传感器通过生物医学监测人类运动和生理信号，推动了智能可穿戴设备的发展。此外，压阻行为还通过摩尔斯电码调制实现了安全的加密操作。
引言
物联网、可穿戴电子设备和人机交互的快速发展推动了了对柔性传感器的需求。由于这些传感器具有优异的机械性能，它们已成为一个关键的研究领域。压阻式传感器在多种应用中具有巨大潜力，尤其是在人类运动监测[1]、[2]、健康监测[3]、[4]、[5]、工业自动化[6]、[7]以及人机界面[8]、[9]、[10]方面。这种多功能性源于其简单的架构、高灵敏度和快速响应特性。近年来，材料科学和微结构工程的进步推动了柔性压力传感器的持续改进，提高了灵敏度、稳定性和多功能性。通过柔性架构和导电复合材料的创新，已经实现了高性能和耐用的传感[11]、[12]。此外，还展示了能够区分复杂机械刺激（如应变和压力）的多功能传感平台[13]、[14]。这些进展共同凸显了柔性压阻传感技术向更高灵敏度、更强可靠性和功能集成发展的快速演变。
然而，传统的压阻材料（如金属应变片[15]、[16]和导电聚合物[17]、[18]）通常存在灵敏度低、响应滞后和循环稳定性差的问题。相比之下，石墨烯为提升压阻式传感器的性能提供了有希望的替代方案。石墨烯的超高性能载流子迁移率使压阻式传感器能够同时实现快速响应和高灵敏度。此外，石墨烯的层状结构有助于形成高效的导电网络，从而确保了压阻式传感器在循环应力下的长期稳定性。这些优势使石墨烯成为开发下一代压阻式传感器的关键材料[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。
大量研究探讨了石墨烯的电学性能：化学气相沉积（CVD）[27]、[28]、[29]、机械剥离[30]、[31]、[32]、氧化石墨烯[33]、[34]和氢化氧化石墨烯[36]、[37]。CVD需要高温（>1000°C）和复杂的转移工艺，这常常会导致界面缺陷。机械剥离受产率低和片层尺寸不均匀的限制。氧化石墨烯由于制备过程中引入的层状缺陷而表现出显著的载流子迁移率限制。此外，氢化氧化石墨烯涉及复杂的工艺，在生产效率和结构保真度之间取得平衡仍然具有挑战性。因此，开发高效的石墨烯合成方法是一个关键挑战。LIG技术[38]、[39]、[40]、[41]、[42]通过在聚合物基底上使用局部高能激光照射，实现了单步合成和石墨烯的同时图案化[43]、[44]。该技术消除了对光掩模、化学试剂或转移工艺的需求，大幅降低了生产成本和工艺复杂性。此外，这种技术可以通过控制激光功率和速度来调整石墨烯的微观结构并优化传感器的响应。然而，现有研究缺乏对激光参数与石墨烯微观结构之间相关性的系统研究，这限制了压阻式传感器性能的提升。本研究建立了激光参数与石墨烯微观结构之间的关联，以克服这一长期存在的挑战。
在本研究中，通过精确的激光参数优化制备了具有低密度微米级孔隙的石墨烯结构。石墨烯的片电阻降低到了6.4 Ω/sq，这归因于晶界缺陷的减少和导电网络连续性的提高。这种高质量的导电网络作为优越的换能器，使传感器实现了显著提升的灵敏度。激光诱导的石墨烯图案化电极结构有助于传感器的电连接稳定性。制备的传感器灵敏度达到1.34 × 10^-3 kPa^-1，与通常报道的基于LIG的压力传感器的灵敏度（约1.23 × 10^-3 kPa^-1）相当甚至略高[43]。在耐用性方面，该传感器在15,000次测试循环中保持了稳定运行。与许多柔性LIG传感器通常报告的2,000至10,000次循环的稳定范围[45]、[46]、[47]相比，本研究的稳定性明显更优。通过使用超薄PI粘合带替代传统封装，传感器的响应时间从288 ms缩短到了44 ms，这得益于PI的低粘弹性[48]。这些性能提升通过人类运动监测和实时摩尔斯电码加密得到了实验验证。
章节摘录
石墨烯的合成
本研究使用连续波CO2激光系统（LZ-RF40W）照射PI薄膜（厚度：250 μm，深圳瑞华泰薄膜科技有限公司，中国）。如图1(a)所示，聚焦的激光束在PI表面产生了局部光热加热，引发了热解驱动的碳化过程。
LIG压阻式传感器的制备
如图1(b)所示，展示了压阻式传感器的制备过程。在处理之前，PI薄膜先经过丙酮中的超声清洗。
石墨烯的特性分析
为了同时考虑激光功率和扫描速度，可以将激光能量密度作为石墨烯合成条件的一个客观特征。激光能量密度F（J/cm^2）的计算公式为[49]：
其中P是激光功率，d是1/e^2的光斑直径，v是扫描速度。近年来，王等人报告称，可以使用不同光斑直径的激光系统成功合成LIG，并且最终性能的差异主要由...
结论
本研究通过系统的激光参数优化和图案化石墨烯结构设计，制备出了高性能的LIG压阻式传感器。精确优化激光功率和扫描速度使得制备出具有低密度微米级孔隙的石墨烯结构成为可能。所得石墨烯的片电阻低至6.4 Ω/sq，从而显著提高了传感器的灵敏度至1.34 × 10^-3 kPa^-1。在此基础上...
CRediT作者贡献声明
刘宇涵：研究工作。
王仁宝：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论、研究、数据分析。
董冰楠：撰写——审稿与编辑、初稿撰写。
张中伟：研究工作。
齐东风：项目管理、资金获取。
魏浩：研究工作。
袁彦文：研究工作。
魏娟：研究工作。
崔洪友：方法论、研究工作。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4600402）和山东省泰山学者项目（tsqn202306192）的支持。
