一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统

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技术实现要素：

12.本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统。
13.为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
14.一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，包括：激光器、控制器、扩束器、两个振镜、远心扫描场镜、控制卡和计算机；
15.所述控制器连接激光器，用于控制激光输出参数；
16.所述两个振镜布置为分别向同一水平面内的两个方向倾斜激光束；
17.计算机连接控制卡，控制卡连接两个振镜，计算机用于发送信号给控制卡，进而控制卡控制振镜的偏转。
18.所述激光器发射激光束经过扩束器后，通过两个振镜，进入远心扫描场镜，投射到聚酰亚胺薄膜。
19.进一步地，所述远心扫描场镜是一个具有四个透镜的透镜组，远心扫描场镜所具备的平场聚焦能力，可以使工作区域的内焦点直径不超过5μm。
20.与现有技术相比，本发明的优点在于：
21.可以快速高精度地制备出高质量的多孔石墨烯，并且可以通过控制激光参数，精确控制制备的多孔石墨烯的性质与形貌。可以实现微米级的加工能力，并且可以在30秒的时间内，加工出面积为18*18mm的多孔石墨烯任意图案。
22.远心扫描场镜具有更多的透镜数量，经过设计优化，可以实现更高精度的聚焦能力，具有更好的消像差能力，加工能力更强。
附图说明
23.图1是本发明实施例图案化多孔石墨烯制备系统结构示意图；
24.图2是本发明实施例远心扫描场镜的光学设计图；
25.图3是本发明实施例远心扫描场镜焦平面上距中心位置不同距离的激光散斑图；
26.图4是本发明实施例基于图案化多孔石墨烯的“graphene”字母图形；
27.图5是本发明实施例多孔石墨烯的拉曼光谱图，其中，a为在单脉冲加工模式下，采用不同能量密度的激光产生的多孔石墨烯的拉曼光谱，b为不同激光脉冲数下产生的多孔石墨烯的拉曼光谱。此时单个激光脉冲的能量密度为256j cm-2。c为在栅格加工模式下，采用不同能量密度的激光产生的多孔石墨烯的拉曼光谱；
28.图6是本发明实施例x射线光电子能谱对多孔石墨烯的原子含量的统计图，其中，a为聚酰亚胺和分别在68j cm-2，110.5j cm-2和153j cm-2下产生的多孔石墨烯的x射线光电子能谱；b为c1s的含量。c为n1s的含量。d为o 1s的含量；
29.图7是本发明实施例多孔石墨烯的扫描电子显微镜图，a为在68j cm-2下产生，b为在110.5j cm-2，c为在153j cm-2下产生。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
31.如图1所示，一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，包括：激光器1、控制器2、扩束器3、两个振镜4、远心扫描场镜5、控制卡6、计算机7和聚酰亚胺薄膜9；
32.所述控制器2连接激光器1，用于控制激光输出参数
33.所述两个振镜4布置为分别向同一水平面内的两个方向倾斜激光束
34.计算机7连接控制卡6，控制卡6连接两个振镜4，计算机7用于发送信号给控制卡6，进而控制卡6控制振镜4的偏转。
35.所述激光器1发射激光束经过扩束器3后，通过两个振镜4，进入远心扫描场镜5，投射到聚酰亚胺薄膜9，产生图案化多孔石墨烯8。
36.如图2所示，所述远心扫描场镜5是一个具有四个透镜的透镜组，远心扫描场镜5所具备的平场聚焦能力，可以使工作区域的内焦点直径不超过5μm。
37.基于上述系统，本实施例加工了基于图案化多孔石墨烯的“graphene”字母图形(图4),整体尺寸为3毫米
×
0.5毫米，分辨率为30μm，加工时间在5秒以内。加工采用了输出波长为532nm的nd:yvo4纳秒固体激光器(脉冲宽度：15ns，重复频率可调)。使用厚度为80μm的商用kapton聚酰亚胺胶带作为碳前驱体。远心扫描场镜的设计焦距为60mm，入瞳直径为10mm，工作区域为18mm
×
18mm。激光的扫描速度被设置为50mm s-1
。
38.我们对采用不同激光参数制备的多孔石墨烯进行了拉曼光谱测试(图5)，得到了多孔石墨烯产物性质与激光参数之间的关系，结果表明激光的功率，脉冲次数和加工模式对制备的多孔石墨烯的性质具有明显的影响。随后还使用x射线光电子能谱对多孔石墨烯的原子含量进行了统计(图6)，结果表明产生的多孔石墨烯具有很低的杂质原子含量，且杂质含量可以通过提升激光功率进一步降低。最后，我们的还利用扫描电子显微镜对不同激光参数下产生的多孔石墨烯的表面形貌进行了表征(图7)，从图7中可以清楚看出多孔石墨烯的表面微观结构，且表面的孔洞尺寸与激光参数同样存在着明显的联系。
39.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。


技术特征：
1.一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，其特征在于，包括：激光器、控制器、扩束器、两个振镜、远心扫描场镜、控制卡和计算机；所述控制器连接激光器，用于控制激光输出参数；所述两个振镜布置为分别向同一水平面内的两个方向倾斜激光束；计算机连接控制卡，控制卡连接两个振镜，计算机用于发送信号给控制卡，进而控制卡控制振镜的偏转；所述激光器发射激光束经过扩束器后，通过两个振镜，进入远心扫描场镜，投射到聚酰亚胺薄膜。2.根据权利要求1所述的一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，其特征在于：所述远心扫描场镜是一个具有四个透镜的透镜组，远心扫描场镜所具备的平场聚焦能力，可以使工作区域的内焦点直径不超过5μm。

技术总结
本发明公开了一种基于激光直写的图案化多孔石墨烯制备系统，包括：激光器、控制器、扩束器、两个振镜、远心扫描场镜、控制卡和计算机；所述控制器连接激光器，用于控制激光输出参数；计算机连接控制卡，控制卡连接两个振镜，计算机用于发送信号给控制卡，进而控制卡控制振镜的偏转。采用聚酰亚胺薄膜作为碳前驱体。激光器发射激光束经过扩束器后，通过两个振镜，进入远心扫描场镜，投射到聚酰亚胺薄膜。本发明的优点是：可以快速高精度地制备出高质量的多孔石墨烯，可以实现更高精度的聚焦能力，具有更好的消像差能力，加工能力更强。加工能力更强。加工能力更强。


技术研发人员：胡滨 王宗源 刘伟光 汪国崔
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.12.23
技术公布日：2022/5/17