Con lo sviluppo dell'era dell'informazione, i sensori in grado di trasmettere e rilevare informazioni sono diventati il modo principale per ottenere informazioni. Pertanto, è essenziale costruire un sistema di sensori con un ampio raggio di rilevamento, alta sensibilità e risposta rapida.
Recentemente, i materiali in grafene hanno ricevuto crescente attenzione per le applicazioni dei sensori grazie alla loro eccellente conduttività elettrica e alle proprietà fisiche, ottiche, termiche e strutturali. Queste applicazioni includono principalmente il rilevamento di proprietà fisiche come pressione e sollecitazione meccanica, sostanze chimiche come glucosio, dopamina, proteine, metalli pesanti e inquinanti organici, nonché il rilevamento di gas, temperatura e umidità.
In un nuovo articolo pubblicato su Light:Advanced Manufacturing , gli scienziati guidati dal dottor Zhengfen Wang e dal professor Xi Chen dell'Università di Scienza e Tecnologia di Shanghai hanno esaminato il grafene inciso al laser (LSG) per la fabbricazione di sensori.
Il grafene è stato preparato con vari metodi, come l'esfoliazione meccanica, la deposizione chimica in fase vapore (CVD), la crescita epitassiale e la riduzione chimica dell'ossido di grafene. Il grafene di alta qualità può essere ottenuto mediante esfoliazione meccanica, ma la bassa efficienza impedisce la produzione su larga scala di grafene.
Il metodo CVD è considerato il metodo più promettente per preparare grandi aree e grafene di alta qualità, ma il metodo CVD è vincolato da un elevato consumo di energia e costi. I film di grafene preparati con il metodo di crescita epitassiale hanno una buona conduttività elettrica e un'elevata trasmittanza ottica. Tuttavia, richiedono lavorazione ad alta temperatura, consumo di energia e costi di trasferimento. La riduzione chimica dell'ossido di grafene è a basso costo e ad alta efficienza, ma crea problemi di inquinamento ambientale durante il processo di preparazione. Pertanto, i metodi di preparazione del grafene a basso costo, ad alta efficienza e senza inquinamento rimangono molto interessanti.
La tecnica di scrittura diretta laser ha recentemente attirato applicazioni di ricerca in vari campi grazie ai suoi vantaggi unici di riduzione selettiva e localizzata, modellazione precisa e veloce e assenza di maschere e sostanze chimiche aggiuntive. Con la tecnica di scrittura diretta al laser, viene utilizzato un laser per irradiare i precursori del carbonio e generare grafene mediante incisione in situ. L'intero processo di incisione laser richiede solo pochi minuti, il che migliora significativamente l'efficienza della preparazione del grafene.
Le eccellenti proprietà di elevata area superficiale, elevata stabilità termica ed elevata conduttività elettrica esibite dai film LSG hanno portato al suo utilizzo in un'ampia varietà di applicazioni. Tali applicazioni includono fotorilevatori, sensori, accumulatori di energia, memristor, olografia, applicazioni antibatteriche e antenne.
Il gruppo di ricerca ha discusso la preparazione e la modifica dell'LSG, che può essere preparato da diverse sorgenti di luce laser e precursori, inclusi precursori del carbonio come GO e PI. I metodi convenzionali di preparazione del grafene sono ad alta intensità energetica, costosi o dannosi per l’ambiente, ma questo metodo di incisione laser per la preparazione del grafene supera questi inconvenienti. L'LSG può essere modificato in un unico passaggio regolando i parametri del laser, l'atmosfera e il doping. L'elevata area superficiale, la buona conduttività elettrica e il processo di fabbricazione semplice ed efficiente di LSG lo rendono un eccellente potenziale per le applicazioni dei sensori.
Il gruppo di ricerca ha riassunto le applicazioni dell'LSG nei sensori di stress, biosensori, sensori di gas, sensori di temperatura e sensori di umidità. Le prestazioni dei sensori possono essere ottimizzate utilizzando la potenza laser, la velocità di scansione, la spaziatura di scansione e il drogaggio adeguati nella preparazione dell'LSG. Per i sensori multifunzionali, la diafonia tra diversi segnali può essere ridotta mediante progettazioni e modelli strutturali. In particolare, la preparazione flessibile e i vari substrati flessibili rendono l'LSG promettente anche per applicazioni di sensori indossabili.
Ulteriori informazioni: Xing Liu et al, Grafene inciso al laser per sensori:preparazione, modifica, applicazioni e prospettive future, Luce:produzione avanzata (2023). DOI:10.37188/lam.2023.011
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