鑽石舞台

濟南大學前沿交叉科學研究院周偉家教授和劉宏教授團隊綜述了近年來激光合成碳基和非碳基納米材料的研究進展，概述了激光電子器件的各種應用。綜述首先討論了激光加工作為合成技術用於各類納米材料的合成，包括碳納米材料和非碳納米材料。其次，綜述也全面概述了激光作為一種微加工技術在光熱轉換器件、電池和超級電容器、傳感器、驅動器和電催化電極等器件方面的應用。最後，提出了當前激光加工納米材料的局限性和對應解決方案以及激光更具發展潛力的研究方向。希望本綜述能在激光合成技術和激光微加工技術製備的微/納結構材料在面向能量轉換和存儲應用方面提供一定的指導意義。

I激光合成技術

激光技術長期以來用於材料合成，其主要通過高可控性地在指定位置上照射激光產生的光熱反應、光化學反應或光-熱-化學反應來實現。通常情況下，碳納米材料是通過在管式爐或者烘箱中高溫退火或熱處理聚合物前驅體製備，但由於所加熱區域遠大於受熱樣品區域，因此具有較大的能量損耗並且耗時長。激光處理由於是局域熱效應，不會干擾周圍未被激光輻照區域，因此能夠構建不同微/納結構，實現指定區域可控碳化。

通過激光處理可以合成多種碳納米材料，本綜述分別總結了激光合成的石墨烯材料，類金剛石碳材料和雜原子摻雜碳材料。特別是激光誘導的石墨烯材料，可以通過激光處理不同的前驅體獲得，例如氧化石墨烯，聚合物，甲烷，碳化硅等。

1.2非碳納米材料

1.2.1激光在非水環境中合成非碳納米材料

除了激光合成不同的碳納米材料外，激光處理也可用於製備一些非碳納米材料。激光合成非碳納米材料可以在非水環境和液相環境兩種不同的條件下進行。在非水環境下激光合成時，燒蝕或加熱是納米材料形成的主要因素。本部分主要概述了激光在非水環境中合成金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、金屬二硫化物、雜原子摻雜的過渡金屬複合物以及其他非碳納米材料如鈣鈦礦材料等。總結了前驅體特性以及不同激光參數對非碳納米材料組成性質的影響作用。

1.2.2 激光液相合成非碳納米材料

激光液相合成非碳納米材料被廣泛應用於構築各種膠體納米結構。根據激光處理模式以及納米粒子的形成機理不同，可分為液相激光燒蝕(LAL)、液相激光破碎(LFL)和液相激光熔融 (LML) 等。特別是液相激光燒蝕和液相激光破碎是較常用的納米材料激光液相合成方法，因此在本節中，我們綜述了近年來通過LAL和LFL液相合成非碳納米材料的研究進展。

2.1 激光製備光熱轉換器件

太陽能驅動的水蒸發、廢水淨化和能量轉換等都是極具發展潛力的綠色可持續技術，在這些應用中高效的太陽能捕獲以及有效的光-熱轉換而不是以其他能量形式好散掉這兩個過程至關重要。值得注意的是，光熱轉換效率在很大程度上取決於材料。而對於光熱轉換材料而言，不僅要具備優異的光學和熱性能，還要考慮經濟實用性和大規模製造的簡易性。激光加工技術為大規模製備具有廣譜太陽能吸收性能的納米材料提供了一種可靠、經濟的策略。激光微加工材料被廣泛應用於各種光熱轉換器件、低反射塗層以及光捕獲器件應用中。

由於激光加工材料時其表面會產生瞬時局域高溫高壓環境，因此激光處理得到的材料表面結構具有多孔性和蓬鬆性，這種獨特的材料結構可以用於製備壓力或氣體傳感器。此外，激光微加工技術得到的陣列器件結構也是適用於傳感器件應用的主要因素。本節綜述了利用激光技術製備的各種傳感器器件，包括壓力傳感器和氣體傳感器。

高效的電解水體系依賴於高活性的電催化材料。無論在析氫反應(HER)、析氧反應(OER)還是氧還原反應(ORR)中，材料的表面結構和比表面積對於提高電催化電極材料的活性起着重要作用。激光微加工技術為製備不同表面微結構的電催化電極材料提供了一種實用的方法。對於激光微加工技術與高性能的構效關係，可以歸結為兩方面因素。一方面，激光液相燒蝕合成的粉末狀電催化劑由於激光誘導的缺陷以及大比表面積能夠暴露更多活性位點而具有較高的電催化活性。另一方面，激光微加工製備的三維電催化電極，其優異的性能歸因於激光所構建的不同表面微結構。在激光微加工過程中，可以實現親水表面、大的比表面積有利於暴露更多活性位點，甚至形成更活性的納米材料，這些都利於電催化性能的提高。

2.5 激光微加工技術在其他方面的應用

激光微加工技術在其他方面也有重要的應用，包括激光製備金屬的抗腐蝕層，激光構建親疏水錶界面結構以及激光在微流體方面的應用。

III挑戰與展望

最後本綜述對當前激光處理微/納結構材料研究所面臨的挑戰和機遇進行了總結：

(a) 總結了激光合成加工的原理和特點，具有局域高溫、高壓、能量集中和冷加工的特點。概述了激光參數對納米材料製備的影響。

(b)激光作為合成和微加工技術相比於傳統退火處理具有一定的優勢。可以實現快速、精確控制加工區域、大尺寸製備、實現無掩膜版圖案化製備和原位合成。

(c) 提出了當前激光加工納米材料的局限性和可能的解決方案。更重要的是,總結了激光處理技術在其它方面更具潛力的研究發展方向，如激光氣氛可控合成更多化合物、提高激光處理精度實現更高可控制備、激光冷加工和激光熱合成的結合有利於實現具有精密圖案和精細功能的更複雜的電子設備。