石墨烯是一種以sp2雜化的碳原子組成的單原子層二維材料，是目前國際材料領域的研究熱點。石墨烯獨特的電學、熱學和光學等特性，使其在微電子、儲能、柔性顯示、透明導電電極以及復合材料等領域有著廣闊的應用前景。石墨烯的電子結構、電導率、透光率等性能均與其層數緊密相關。因此，精確控制石墨烯的層數成為十分重要的研究內容。雖然現有制備石墨烯的方法如化學氣相沉積法可以得到單層或少數層的石墨烯，但快速可控得到精確層數的石墨烯仍然是現階段石墨烯制備的一大瓶頸挑戰。此外，高效制備圖案化石墨烯也是石墨烯應用中亟需解決的問題。
清華大學材料學院鐘敏霖教授課題組，基于973項目“激光微納制造新方法和尺度極限基礎研究”（2011CB013005），系統研究了超快激光與石墨烯相互作用的機制和規律，發展了一種精確控制石墨烯層數的新方法。此方法以化學氣相沉積方法制備的多層石墨烯作為對象，運用超快激光光子與石墨烯的作用實現石墨烯的減薄，經過系統研究發現了不同層數石墨烯的激光燒蝕閾值，通過精確調控超快激光的能流密度和激光掃描速率，可將多層石墨烯經一次掃描減薄至所需要的任意層數。圖1上部為原始5層厚的石墨烯經超快激光分別去除其中1層、2層、3層、4層之后得到的4層石墨烯、3層石墨烯、2層石墨烯和1層石墨烯的照片（石墨烯依附在PDMS膜上），下部為不同厚度石墨烯在光學顯微鏡下的顏色。不同層數石墨烯的透光率不同，從石墨烯顏色的深淺可以直觀看出石墨烯的大致層數。除了光學對比度以外，還通過拉曼光譜、原子力顯微鏡和透過率等一些列測試方法驗證了激光精確減薄的效果。
圖1 原始5層石墨烯經超快激光減薄后得到的4層、3層、2層和1層石墨烯的照片和其對應的光學顯微鏡顏色照片
圖2超快激光圖案化減薄石墨烯得到的精確層數的石墨烯圖案
他們還研究了超快激光減薄石墨烯的機制，與現有報道的借助破壞頂層石墨烯進而氧化去除石墨烯的減薄機理不同，超快激光光子能量尚不足以直接破壞石墨烯中的碳-碳鍵使其斷裂，而是作用于石墨烯層片之間以及石墨烯晶界之處等結合力弱的地方，使原子振動加劇，層間距增大，在特定的超快激光能量閾值下產生“剝離”作用。
該研究組還將超快激光減薄后得到的不同層數石墨烯制成了場效應管，其性能的變化與石墨烯層數相吻合。說明這種精確控制石墨烯層數的新方法在石墨烯器件的制造中有著廣闊的應用前景。
超快激光精確減薄控制石墨烯層數的新方法具有諸多優勢：例如，超快激光為非接觸式加工，避免了石墨烯不必要的破壞和污染；超快激光為冷加工，對加工環境和石墨烯基底要求低；加工效率高，一次加工即可將石墨烯減薄至期望的層數；加工過程柔性好，易實現任意圖案化的石墨烯減薄。該方法預期在高質量石墨烯柔性顯示、石墨烯傳感器、石墨烯電子器件等領域有很好的應用潛力。
相關研究成果近期發表在英國自然出版集團的《Scientific Reports》, 01/2015, 5:11662, DOI:10.1038/srep11662。
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