[发明专利]一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的技术与装置

说明书

本发明公开了一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置，主要是利用超短脉冲激光共振激发生物质类含碳前体材料中的有机分子振动模式而具有较高能量，使其中的相应化学键断裂，含碳前体材料产生裂解并重新组合成键制备石墨烯量子材料。本发明，能够显著增加诱导裂解深度，提高制备石墨烯量子材料的效率，同时本发明以生物质为含碳前体材料，显著降低了制备石墨烯量子材料的物料成本。本发明的装置由激光部分100、微波部分200、腔体单元300、真空系统400和控制系统500组成，能够实现包括超短脉冲激光诱导裂解过程，连续/脉冲激光诱导还原过程，以及微波加热过程，可以实现高度的集成化和自动化。

技术领域

本发明属于石墨烯材料的加工技术领域，具体涉及一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置。

背景技术

石墨烯作为一种新型的二维蜂窝状结构的碳材料，其具有优异的导电性、导热性、机械性能，同时具有大的比表面积、以及超轻的特性。因此，石墨烯材料被广泛关注及研究，可应用制备高性能复合材料、环境净化材料、储能电极材料、导热散热材料等，广泛应用于能源、环境、半导体、生物医药、航空航天等领域。除了在先进领域的应用，石墨烯材料及产品已经走进了人们的日常生活，因此对于石墨烯的制备方法、效率以及成本的控制也越来至关重要。

由此可见，石墨烯材料制备方法需要不断的发展及创新，才能引领石墨烯产业及其相关应用的发展，甚至改变人们的日常生活。目前，常用的制备石墨烯的方法包括：机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法。此外，激光诱导石墨烯(Laser InducedGraphene，LIG)技术利用激光对材料的光热效应使材料局部区域温度升高，造成材料的化学键断裂，同时伴随着新的碳碳单键和双键的重组形成石墨烯，LIG技术得到了广泛关注及应用。本发明以激光制备石墨烯方法为基础，采用超短脉冲激光作为能量源，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光对材料中有机分子的光化学效应造成分子中相应的化学键断裂，裂解形成石墨烯，即为超短脉冲激光诱导裂解石墨烯(Ultra-fast Laser DecomposedGraphene,ULDG)技术。ULDG技术以超短脉冲激光在加工过程的光化学效应为主导，对材料激光加工区域附近无热效应影响，利用超短脉冲激光的双光子或多光子共振激发分子振动模式能够实现对各种含碳前体材料分子的化学键断裂、重构等分子加工，从而实现各种材料的诱导裂解制备石墨烯量子材料。在光化学效应过程中，材料分子吸收光子使内部电子发生能级跃迁形成不稳定的激发态，激发态的分子寿命极短，发生快速裂解等反应，由于不同波长的激励激光具有不同的能量，且材料分子的化学键对应不同的键能，该技术还可通过对激光激励波长的控制实现对化学键或基团的选择性诱导裂解，实现对精确的“分子裁剪”，从而制备具备特定官能团的石墨烯。

本发明提出的超短脉冲激光诱导裂解石墨烯技术，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光共振激发使材料中有机分子达到振动模式，并产生光化学效应实现对含碳前体材料诱导裂解制备石墨烯。具体来说，含碳前体材料中的有机分子吸收双光子或多光子后，有机分子由稳定的基态转化到不稳定的激发态，处于激发态的有机分子高速振动拉伸其内部的相应的化学键振动而使其化学键断裂，并通过碳元素的重新键合形成石墨烯。本发明能够充分利用超短脉冲激光的热冲击作用，明显增加单次激光扫描诱导裂解制备石墨烯的深度，提高石墨烯制备效率；同时基于超短脉冲激光对材料的光化学效应，诱导裂解过程所需激光能量较低。并且通过控制特定的激发波长能够使制备的石墨烯的特定官能团保留，制备具有特定官能团的石墨烯；此外，基于超短脉冲激光的在加工过程无热效应的特点，能够精确控制加工区域尺寸精度到微纳等级的优势，本发明可直接加工石墨烯微纳结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光对含碳前体材料中的有机分子的光化学效应，使其裂解制备石墨量子材料。从而显著提升石墨烯制备效率，降低制备成本，并且能够实现特殊功能团结构的石墨烯制备，直接加工特殊的石墨烯微纳结构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：