刘宏教授综述：激光微加工制备用于能量转换和存储的微/纳结构材料

激光技术长期以来用于材料合成，其主要通过高可控性地在指定位置上照射激光产生的光热反应、光化学反应或光-热-化学反应来实现。通常情况下，碳纳米材料是通过在管式炉或者烘箱中高温退火或热处理聚合物前驱体制备，但由于所加热区域远大于受热样品区域，因此具有较大的能量损耗并且耗时长。激光处理由于是局域热效应，不会干扰周围未被激光辐照区域，因此能够构建不同微/纳结构，实现指定区域可控碳化。

通过激光处理可以合成多种碳纳米材料，本综述分别总结了激光合成的石墨烯材料，类金刚石碳材料和杂原子掺杂碳材料。特别是激光诱导的石墨烯材料，可以通过激光处理不同的前驱体获得，例如氧化石墨烯，聚合物，甲烷，碳化硅等。

1.2 非碳纳米材料

1.2.1 激光在非水环境中合成非碳纳米材料

除了激光合成不同的碳纳米材料外，激光处理也可用于制备一些非碳纳米材料。激光合成非碳纳米材料可以在非水环境和液相环境两种不同的条件下进行。在非水环境下激光合成时，烧蚀或加热是纳米材料形成的主要因素。本部分主要概述了激光在非水环境中合成金属、金属氧化物、金属碳化物、金属二硫化物、杂原子掺杂的过渡金属复合物以及其他非碳纳米材料如钙钛矿材料等。总结了前驱体特性以及不同激光参数对非碳纳米材料组成性质的影响作用。

1.2.2 激光液相合成非碳纳米材料

激光液相合成非碳纳米材料被广泛应用于构筑各种胶体纳米结构。根据激光处理模式以及纳米粒子的形成机理不同，可分为液相激光烧蚀(LAL)、液相激光破碎(LFL)和液相激光熔融 (LML) 等。特别是液相激光烧蚀和液相激光破碎是较常用的纳米材料激光液相合成方法，因此在本节中，我们综述了近年来通过LAL和LFL液相合成非碳纳米材料的研究进展。

2.1 激光制备光热转换器件

太阳能驱动的水蒸发、废水净化和能量转换等都是极具发展潜力的绿色可持续技术，在这些应用中高效的太阳能捕获以及有效的光-热转换而不是以其他能量形式好散掉这两个过程至关重要。值得注意的是，光热转换效率在很大程度上取决于材料。而对于光热转换材料而言，不仅要具备优异的光学和热性能，还要考虑经济实用性和大规模制造的简易性。激光加工技术为大规模制备具有广谱太阳能吸收性能的纳米材料提供了一种可靠、经济的策略。激光微加工材料被广泛应用于各种光热转换器件、低反射涂层以及光捕获器件应用中。

由于激光加工材料时其表面会产生瞬时局域高温高压环境，因此激光处理得到的材料表面结构具有多孔性和蓬松性，这种独特的材料结构可以用于制备压力或气体传感器。此外，激光微加工技术得到的阵列器件结构也是适用于传感器件应用的主要因素。本节综述了利用激光技术制备的各种传感器器件，包括压力传感器和气体传感器。

高效的电解水体系依赖于高活性的电催化材料。无论在析氢反应(HER)、析氧反应(OER)还是氧还原反应(ORR)中，材料的表面结构和比表面积对于提高电催化电极材料的活性起着重要作用。激光微加工技术为制备不同表面微结构的电催化电极材料提供了一种实用的方法。对于激光微加工技术与高性能的构效关系，可以归结为两方面因素。一方面，激光液相烧蚀合成的粉末状电催化剂由于激光诱导的缺陷以及大比表面积能够暴露更多活性位点而具有较高的电催化活性。另一方面，激光微加工制备的三维电催化电极，其优异的性能归因于激光所构建的不同表面微结构。在激光微加工过程中，可以实现亲水表面、大的比表面积有利于暴露更多活性位点，甚至形成更活性的纳米材料，这些都利于电催化性能的提高。

2.5 激光微加工技术在其他方面的应用

激光微加工技术在其他方面也有重要的应用，包括激光制备金属的抗腐蚀层，激光构建亲疏水表界面结构以及激光在微流体方面的应用。

III 挑战与展望

最后本综述对当前激光处理微/纳结构材料研究所面临的挑战和机遇进行了总结：

(a) 总结了激光合成加工的原理和特点，具有局域高温、高压、能量集中和冷加工的特点。概述了激光参数对纳米材料制备的影响。

(b) 激光作为合成和微加工技术相比于传统退火处理具有一定的优势。可以实现快速、精确控制加工区域、大尺寸制备、实现无掩膜版图案化制备和原位合成。

(c) 提出了当前激光加工纳米材料的局限性和可能的解决方案。更重要的是,总结了激光处理技术在其它方面更具潜力的研究发展方向，如激光气氛可控合成更多化合物、提高激光处理精度实现更高可控制备、激光冷加工和激光热合成的结合有利于实现具有精密图案和精细功能的更复杂的电子设备。