石墨烯在高强度激光作用下的损伤形貌

　　碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质，从无定形的炭黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来绚丽多彩的科学思路。而二维碳基材料石墨烯的发现，不仅极大地丰富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论还是实验方面都已展示出了重大的科学意义和应用价值[1 - 3].石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，虽然石墨烯只有一个碳原子厚度，并且是已知材料中最薄的一种，但是其强度比钻石还要硬[1].石墨烯电阻率仅约10- 6‘·m,比铜和银更低，是目前电阻率最小的材料，电阻率低，电子运动速度就快，所以石墨烯是目前已知材料中导电性能最出色的材料[2].石墨烯还具有较高的杨氏模量（ ~1100 GPa）、热导率（ ~5000 W·m -1·K -1）、较高的载流子迁移率（2 ×105 cm2V- 1S - 1）、巨大的比表面积（理论计算 2630 m2g- 1）、铁磁性等[4 -9]优良特性。其优异的电学、光学特性使其有望取代硅基电子器件成为新一代的优良半导体，广泛应用于低能耗、高电子迁移率的纳米光电子器件中。随着激光光电子学的发展，基于石墨烯的光电子器件越来越受到人们的关注[10,11],所以石墨烯材料的抗激光损伤特性对基于石墨烯的激光光电子器件的开发和发展至关重要。石墨烯仅含有单层或基层碳原子层，故即使在低功率激光的辐照下也有可能产生严重的破坏。

　　本文采用化学气化沉积法制备了单层和多层石墨烯样品，使用 532nm 高强度激光辐照石墨烯样本，得到了石墨烯在高强度激光作用下的损伤形貌；同时利用激光支持的爆轰波理论分析了石墨烯损伤形貌。

　　1 石墨烯样本制备
　　
　　本文使用的石墨烯样本均采用化学气化沉积法（CVD）生长在铜片上，然后机械地转在盖玻片或镀有二氧化硅薄膜的硅基底上，图 1 给出了 1 - 4 层石墨烯照片，基底为盖玻片。为了进一步表征所制得的石墨烯样本，将所制得的单层石墨烯样本放入拉曼光谱仪得到其拉曼光谱如图 2 所示。从图 2 可以看出，石墨烯 2D 峰值强度明显高于 G 峰值强度，这说明此石墨烯样品为单层石墨烯。图 2 所示拉曼光谱中还存在明显的 D 峰，这说明此石墨烯样品中含有明显的缺陷。
　　
　　2 石墨烯损伤实验研究

　　2. 1 实验装置

　　实验装置如图 3 所示，532nm 连续激光经分光镜分光后，一部分经透镜聚焦在石墨烯样本表面，另一部分经一衰减片后进入光束质量分析仪，光束质量分析仪将信号送入计算机，计算机进行运算分析得出光束的空间分布。CCD 用于监测石墨烯在激光辐照下的损伤情况。透过石墨烯样本的激光经分光片分光后一部分进入吸收池，另一部分经衰减片后进入能量计，用于监测透过 KTP 晶体的 532nm 激光的能量，能量计将测得的数据实时送到计算机，计算机根据接收的数据进行实时控制。

　　2. 2 实验结果

　　将 532nm 连续激光聚焦到单层石墨烯样品表面，经过一段时间连续照射后，石墨烯样品表面即在高能激光的作用下发生损伤，将损伤的石墨烯样品放入扫描电子显微镜即得到其损伤形貌，如图 4 所示。从图 4（a）可以看出，石墨烯样品在激光辐照下出现了明显的损伤痕迹，但并未出现明显去除痕迹，损伤痕迹几何形状同光斑形状相似，损伤点的中心处损伤最严重，损伤程度向外依次递减。从图 4（b）的局部损伤形貌可以看出，损伤的具体形貌成波纹层状断裂结构，具有明显的烧蚀熔化特征。

　　3 实验结果理论分析

　　当激光照射在石墨烯样本上时，石墨烯吸收入射激光的能量发生熔融气化，并产生高温高压等离子体，由于逆韧致吸收作用，高温高压等离子体强烈吸收后 续 激 光 能 量 形 成 激 光 支 持 的 爆 轰 波 （ LS-DW）[12 -14],高温高压等离子体对邻近石墨烯表面产生巨大的溶蚀和冲击作用，从而出现波纹状损伤形貌。

　　高强度激光与物质相互作用产生的激光支持的爆轰波的压强可以用流体力学的方法得到，其压强表达式为[15,16]:【1】

　　
　　根据公式（1），采用 matlab 模拟得到不同功率532nm 激光作用下，LSDW 产生的压强距光束中心的关系曲线如图 5 所示。从图 5 可以看出，在光束的中心处 LSDW 产生的压强最强，随着距离的增加，LSDW产生的压强逐渐减小。LSDW 产生的压强不仅与距离有关，还与入射激光的功率有关，随着入射激光功率的增加，LSDW 产生的压强增加。激光与石墨烯相互作用时，石墨烯吸收入射激光的能量发生熔融气化，由于逆韧致吸收产生高温高压等离子体，等离子体的横向膨胀，导致石墨烯的损伤面积远大于光斑面积，并且出现波纹状损伤形貌。本文中采用的石墨烯样品为单层石墨烯，只有一层碳原子组成，根据图 2所示的拉曼光谱，可以看出，此石墨烯样品中含有明显的缺陷，石墨烯中的缺陷将大量吸收入射激光，导致石墨烯样品熔融气化，熔融气化状态下的石墨烯样品在随后产生的 LSDW 的冲击下产生层状断裂。

　　4 结论

　　532nm 激光与石墨烯相互作用时，石墨烯吸收入射激光的能量产生熔融气化，并产生高温高压等离子体，由于逆韧致吸收，高温高压等离子体大量吸收后续激光的能量产生激光支持的爆轰波（LSDW），高温高压等离子体的横向膨胀导致石墨烯产生层状断裂。

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