真空环境下激光还原氧化石墨烯的质谱分析及其导电性能研究

本研究通过1064 nm纳秒脉冲激光在真空环境下辐照氧化石墨烯(GO)，利用高灵敏度四极杆质谱仪(1-300 amu)监测等离子体发射的碳原子、氧官能团等粒子，揭示了GO在低能量密度(1 J/cm2)下的还原机制。研究发现激光诱导的sp2碳网络重构显著提升了材料的电导率，为微电子器件中局部导电结构的制备提供了新思路。

　　

在二维材料研究领域，氧化石墨烯(GO)因其独特的结构和可调控的电学性能备受关注。然而，GO中大量含氧官能团导致其绝缘特性，严重制约了在微电子领域的应用。传统热还原法存在能耗高、空间分辨率低等问题，而激光还原技术因其精准的局部处理能力展现出独特优势。

意大利墨西拿大学(University of Messina, Italy)的Alfio Torrisi团队在《International Journal of Mass Spectrometry》发表研究，通过搭建高真空(10^-6 mbar)实验系统，采用1064 nm纳秒脉冲激光(3 ns脉宽，1 J/cm²能量密度)辐照GO薄膜，结合四极杆质谱仪(QMS)和飞行时间质谱(TOF-MS)实时监测等离子体组分。研究发现单次激光脉冲即可诱导羟基(-OH)、环氧基(C-O-C)等含氧基团解离，同时检测到大量碳簇(C_x)和H₂O、CO₂等挥发性产物。

关键技术包括：(1)高真空激光等离子体产生系统；(2)1-300 amu质量范围的在线质谱监测；(3)光学光谱与电导率联用表征；(4)采用旋转样品台实现均匀辐照。

【实验结果】

1. 质谱分析显示等离子体主要含m/z=12(C⁺)、16(O⁺)、18(H₂O⁺)等峰，证实氧官能团的逐步脱除；
2. TOF谱中3.3x10⁸ W/cm²强度下出现纳秒级离子发射峰；
3. XPS分析显示sp²碳含量从原始GO的45%提升至78%；
4. 电导率提升两个数量级，达到10³ (Ω·cm)^-1量级。

【结论】该研究首次系统阐明了纳秒激光诱导GO还原的动力学过程，证实低能量密度下即可实现局部导电区制备。这种非接触式加工技术为柔性电子器件中图案化导电结构的制造提供了新方案，在生物传感器和微型电路领域具有重要应用前景。