1. 什么是石墨烯？

石墨烯是单层碳原子紧密排列构成的二维蜂窝状结构，构建其他碳质材料的基本单元。单层厚度大约是0.34 nm，形象的说，是头发丝的20万分之一。

图1 石墨烯结构图

石墨烯有一系列优异性能，如优良的力学性能、电学性能、光学性能、热学性能。它比钻石更硬，又是最柔软的薄膜材料。它拥有优异的电子迁移率和电导率，并且透光性好。它是已知最优的热导体，导热性能比铜高10倍。它具有极稳定的结构、非常低的密度、高比面积、柔性不渗透性、2D材料、半金属性。

由于这些优越的性能，石墨烯的应用潜力巨大。例如，石墨烯可以应用在透明电极/柔性显示、锂电池、牙齿“纹身”、石墨烯散热片、单分子气体传感器、石墨烯晶体管、透明导电电极、集成电路IC、超级电容、石墨烯生物器件、单分子气体传感器、石墨烯晶体管、集成电路IC、超级电容、石墨烯生物器件。

2. 当激光遇到石墨烯

目前，我们可以查到不少激光与石墨烯的文献。那么，当激光遇到石墨烯，我们能否用激光直接打印石墨烯呢？

化学气相沉积法制备石墨烯需要一些条件，如需要固体碳源、热源（一般1000°以上）和催化剂。假如我们用固体碳源、金属镍作为催化剂，将激光作为热源，是否就能用增材制造的方法打印石墨烯呢？

此外，激光作为一种加工工具，与石墨烯的相互作用如何？如通过激光制备、切割、减薄、连接、改性、掺杂石墨烯。

清华大学钟敏霖教授团队采用激光打印石墨烯，得出样品。步骤如下：

1）基体表面光洁处理，如磨、抛、清洗；

2）将碳源分散在酒精中，利用旋涂机将分散液均匀旋涂在基体上，得到-20微米碳涂层；

3）用聚焦的光纤激光扫描碳源，需要注意激光功率密度、激光扫描速率、保护气氛；

4）冷却后，清除剩余碳粉，超声清洗样品。

图2

激光打印完成后，第一步用拉曼光谱方法检测是否为石墨烯。

石墨和石墨烯的区别是拉曼光谱检测峰高不同，石墨烯的2D峰高于G峰，石墨G峰高于2D峰。石墨烯层数增加时，2D峰的相对强度降低，同时峰位右移。

图3 石墨与石墨烯的拉曼光谱对比

第一步，在激光打印的样品上任选四点进行拉曼光谱检测，拉曼谱峰与典型石墨烯拉曼特征相符合，则可初步确定该样品薄膜为石墨烯。

第二步，用光学显微镜和扫描电镜分析。由于石墨烯与基底上热导率不同，因此在光学显微镜下，石墨烯表明会出现很多微小的褶皱，扫描电镜下则会显示为更清晰的褶皱，这是判断是否为石墨烯薄膜的典型特征。

第三步，用透射电镜进行分析,可以看到石墨烯的不同层数。

上述分析方法可以证明激光的确打印出了石墨烯。

如何打印大面积的石墨烯呢？课题组尝试采用了半导体激光的宽光束进行扫描，实现大面积的石墨烯打印。打印石墨烯的宽度等于激光束宽度，打印的石墨烯长度等于激光扫描的长度，具备连续批量制备的能力。通过面扫描拉曼光谱检测，可以证明打印出来的石墨烯是比较均匀的。

激光打印石墨烯的最大的优势是可以利用扫描软件控制获得许多不一样的图案，因此用激光打印石墨烯，可以打印出许多漂亮的图案。

图4 激光打印石墨烯

3. 激光打印石墨烯的参数优化

采用激光打印石墨烯，想要得到较好的结果，就需要对激光参数进行优化。通过研究激光功率的影响，发现当用过低功率照射时，表面会有残留的碳粉。高功率增大一定程度时，碳源完全溶解，在表面形成连续的石墨烯。当功率过大时，表面出现明显的氧化现象，就不存在石墨烯了。

扫描速度也会对结果产生影响。与激光功率的影响相似，扫描速度由大到小，输入的热量逐渐增大，表面依次形成残余碳、石墨烯薄膜、氧化石墨烯、镍的氧化物。

可以通过碳涂层的厚度来控制激光打印石墨烯的层数，碳涂层厚度越小，2D的峰的相对强度越大，石墨烯的层数越少。

4. 激光打印石墨烯在防腐领域的应用

石墨烯具有化学稳定性，使得石墨烯不易与腐蚀介质发生腐蚀反应。石墨烯的抗透性阻隔了水分子、氧分子、氯离子等其他腐蚀介质与基体的直接接触。石墨烯的高导电性为电子提供通道，中断腐蚀反应。因此，激光打印的石墨烯具有良好的抗腐蚀性。

通过课题组一系列测试，研究得出普通碳钢表面激光打印石墨烯后，其耐腐蚀性与超级耐腐蚀不锈钢达到同一水平；用激光打印了石墨烯的碳钢表面的耐腐蚀性明显优于将CVD方法制备的石墨烯转移到碳钢表面的耐腐蚀性。

激光打印石墨烯的方法，打破了目前石墨烯量造的困局，创造了更多可能。

文章内容根据钟敏霖教授做客“光学前沿在线”直播间授课内容整理而成。激光打印石墨烯为钟敏霖教授团队973课题研究成果。