新近出现的激光直写技术是利用高能激光的局域光热作用，在可碳化高分子表面原位生成碳阵列。激光直写工艺条件温和可控使其成为了低成本、高产出、适用于大规模生产的新工艺。碳阵列多尺度结构的精准调控是激光直写各种高性能、多功能电子元器件的关键。

  近年来苏州大学刘涛教授课题组围绕这一核心问题，在新型先驱体材料开发、光热转换和传热过程的实验与理论模拟、界面传热控制，及其与高分子转印、复合、粘接工艺结合等方面开展系统工作，由此实现了激光直写碳材料多尺度结构的灵活调控。利用激光直写技术成功实现从微米多孔碳材料到致密纳米碳薄层，再到激光直写超薄碳微盘和有序多孔膜的灵活加工和制备。在碳材料多尺度结构灵活调控的基础上，开发了激光直写超高敏感度压阻传感材料，并利用激光直写材料制备/器件加工一体化的优势，开发了多功能、多模式传感器原型。

  1. CO₂激光碳化聚酰亚胺(PI)的光热转换和传热过程的实验与理论研究，为激光直写碳化技术的加工-结构-性质-性能相关性奠定基础。聚焦激光直写PI等可碳化高分子过程中的复杂的光热转换和传热行为，结合实验与有限元模拟揭示了高斯激光光束各参数对激光书写碳结构的影响规律和控制因素，为更好地理解、控制、优化激光直写碳化技术奠定了良好的基础（Materials and Design, 2018,160, 1168–1177）。

图1.激光直写PI过程中的光热转换模拟及加工-结构关系的构建

  2. 利用价格低廉、环境友好、来源丰富的木质素磺酸钠、纤维素纸作为碳化前驱体，由此开发了激光直写生物质碳基传感材料，敏感系数达到~180。进一步结合纸容易裁剪、折叠、可3D塑形的特点，获得具有可调刚度结构的多功能力敏传感器（Cellulose, 2019,26,7423–7435；Ind. Eng. Chem. Res, 2019, 58, 24, 10364-10372）。此外，利用激光直写木质素磺酸钠/纤维素复合纸制备多孔碳结构，进一步与水浸润结合可以实现碳小片从基材上自发脱除，由此获得尺寸均一、形状任意的自支撑碳小片。这种制备灵活的多孔碳小片有望应用于染料吸附、柔性传感器、超级电容器等领域（ACS Omega, 2019, 4, 5870?5878）。

图2. 激光直写生物质碳基传感材料

  3. 提出激光碳化PI光热调控新思路,首次通过激光直写获得致密纳米碳薄膜。传统激光碳化书写工艺只能获得多孔碳结构并凸起于薄膜表面，本工作独辟蹊径地从激光直写的支撑基材入手从而调节激光碳化过程中的传热行为，获得厚度从8-270 nm可调的激光直写超薄碳膜，该超薄碳膜具有致密均匀的结构特点（J. Mater. Chem. C,2019, 7, 11276-11284） 。尤其值得一提的是，在上述激光直写超薄碳膜的基础上，进一步与微接触印刷技术相结合由此开发了全新的超薄碳基微盘阵列、有序多孔薄膜的制备方法。该论文发表在Small杂志，并入选为内页封面文章（Small, 2019, 1902819） 。

图3.激光直写的超薄致密碳膜；激光直写结合微接触印刷制备的纳米厚度碳微片阵列和有序孔洞碳薄膜。

  4. 在激光直写碳材料多尺度灵活调控的基础上，开发超高敏感度压阻材料。课题组2016年提出多级接触结构设计理念，成功实现了激光直写超高敏感度压阻材料的开发，压阻敏感系数可接近10，000，远高于常用的金属应变片、陶瓷厚膜工艺、MEMS单晶硅等。甚至高于单根碳纳米管和硅纳米线的压阻敏感系数。2018年，在激光直写超薄致密碳薄膜这一材料平台上，课题组进一步构筑均匀微纳裂纹，得到了敏感系数高达47万的压阻碳阵列。指标达到世界领先水平，是目前商品化的单晶硅MEMS的数千倍；这些具有超高敏感度的激光直写碳阵列具有良好的可靠性，以及长期稳定性，可实现对低频和高频机械信号的检测 (ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 43133?43142; J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 11276-11284）

图4. 激光直写超高敏感度压阻材料

  5. 利用激光直写材料制备/器件加工一体化的优势，开发了多功能、多模式传感器原型。综合力学、传热、电磁学多物理有限元模拟设计工具，课题组致力于面向需求的传感器设计，开发具有不同传感特性要求的传感器。利用PI和纸对于湿气的不同响应，成功展示了PI/纸双层薄膜传感器对力和湿度的双重传感特性，并成功实现了对人体呼吸活动的监测（J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 4727-4736）。此外,利用激光直写灵活地在曲面上直接书写各种压阻碳阵列，由此开发了3D管状传感器，用于监测不同受力状态的应用场景如液体粘度、风力风速、动态超声和步态分析（ACS Appl. Polym. Mater. DOI: 10.1021/acsapm.9b00622）。该论文发表在ACS Appl. Polym. Mater.杂志，并入选为封面文章。

图5.多功能传感原型及应用

  这些研究得到了中国国家自然科学基金，苏州大学启动资金，国家和地方新型功能高分子材料联合工程实验室，以及由江苏省高等学校优先学术计划开发（PAPD）资助等项目的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.10.050

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/tc/c9tc03466h#!divAbstract

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201902819

https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-019-02617-4

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.9b00408

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b00850

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b14495

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.9b00622

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc00457a#!divAbstract