激光淬火可提高石墨烯质量

俄罗斯科学家已经发现，为什么氧化石墨烯不只是在高温下燃烧，而是为一种有前途且廉价的石墨烯生产方法打开了大门。这项研究发表在《Carbon》杂志上。

自从石墨烯实验研究获得诺贝尔奖已经过去了十多年，但科学家们仍然没有找到一种方法来获得高质量的大面积石墨烯，这种石墨烯将廉价、高效且可扩展，以满足工业需求。通过激光辐照从氧化石墨烯中还原石墨烯似乎是一种很有前途的方法：通过使用化学方法从普通石墨中制备氧化石墨烯，激光辅助还原技术在成本和材料质量可控性方面具有很大的前景。

几年前，Skoltech的一组研究人员发现，即使在大气条件下，将氧化石墨烯加热到3300-3800 K，也可以生产出质量相当高的石墨烯。

Nikita Orekhov说：“这一结果让我们的同事们大吃一惊：温度非常高，但他们获得了结构良好的材料。碳材料在600-800 K或更高温度的大气氧气中很容易燃烧，而在更高温度的实验中，石墨烯获得了良好的结构性能。”麻省理工学院凝聚态物理超级计算机方法实验室副主任Nikita Orekhov说,“为了找出产生这种意想不到的效果的原因，我们决定使用超级计算机原子模型研究高温氧化石墨烯的还原过程，并在我们同事的实验设计之后进行额外的研究。”

在激光脉冲的作用下，石墨烯薄片边界处红色标记的碳原子“烧坏”。B -在石墨烯片的中心区域，退火发生:石墨烯排列在正确的稳定结构。来源：N.D. Orekhov 等

研究人员发现，一方面，在高温下(T>3000k)气体环境中的氧原子与石墨烯相互作用，氧化并破坏石墨烯。另一方面，晶格的快速退火开始在相同的温度，这允许消除缺陷。在退火过程中，晶格结构变直而不是解体。

在不同的激光速度和脉冲重复频率下，rGO阵列的温度和I(G)/I(D)比值曲线减小。

“事实证明，暴露在激光脉冲下的材料的不同位置同时发生了两个相反的过程:燃烧或破坏集中在石墨烯薄片的缺陷和边界附近，那里的碳原子具有最活跃的化学活性，而退火主要发生在薄片的中心，那里的原子倾向于恢复到稳定的构型。”Skoltech材料技术中心(CMT)的首席研究科学家Stanislav Evlashin说。

这些发现揭示了氧化石墨烯在极端温度下的行为，在这种温度下，直接的实验几乎是不可能的。理解本文所述的工艺有助于进一步开发和优化获得大面积单晶高质量石墨烯的方法。

GO的原子结构(a)和热态方案(b)。在不同温度下，模拟过程中总原子数(c)、碳原子数(d)和氧原子数(e)的时间演化。碳、氧和氢的原子分别用蓝色、红色和灰色表示。

来源：Mechanism of graphene oxide laser reduction at ambient conditions:Experimental and ReaxFF study, Carbon (2022). DOI:10.1016/j.carbon.2022.02.018；Controllable LaserReduction of Graphene Oxide Films for Photoelectronic Applications, ACSApplied Materials & Interfaces (2016). DOI:10.1021/acsami.6b10145