CN115092913B - 一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的技术与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置，主要是利用超短脉冲激光共振激发生物质类含碳前体材料中的有机分子振动模式而具有较高能量，使其中的相应化学键断裂，含碳前体材料产生裂解并重新组合成键制备石墨烯量子材料。本发明，能够显著增加诱导裂解深度，提高制备石墨烯量子材料的效率，同时本发明以生物质为含碳前体材料，显著降低了制备石墨烯量子材料的物料成本。本发明的装置由激光部分100、微波部分200、腔体单元300、真空***400和控制***500组成，能够实现包括超短脉冲激光诱导裂解过程，连续/脉冲激光诱导还原过程，以及微波加热过程，可以实现高度的集成化和自动化。

Description

一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的技术与 装置

技术领域

本发明属于石墨烯材料的加工技术领域，具体涉及一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置。

背景技术

石墨烯作为一种新型的二维蜂窝状结构的碳材料，其具有优异的导电性、导热性、机械性能，同时具有大的比表面积、以及超轻的特性。因此，石墨烯材料被广泛关注及研究，可应用制备高性能复合材料、环境净化材料、储能电极材料、导热散热材料等，广泛应用于能源、环境、半导体、生物医药、航空航天等领域。除了在先进领域的应用，石墨烯材料及产品已经走进了人们的日常生活，因此对于石墨烯的制备方法、效率以及成本的控制也越来至关重要。

由此可见，石墨烯材料制备方法需要不断的发展及创新，才能引领石墨烯产业及其相关应用的发展，甚至改变人们的日常生活。目前，常用的制备石墨烯的方法包括：机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法。此外，激光诱导石墨烯(Laser InducedGraphene，LIG)技术利用激光对材料的光热效应使材料局部区域温度升高，造成材料的化学键断裂，同时伴随着新的碳碳单键和双键的重组形成石墨烯，LIG技术得到了广泛关注及应用。本发明以激光制备石墨烯方法为基础，采用超短脉冲激光作为能量源，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光对材料中有机分子的光化学效应造成分子中相应的化学键断裂，裂解形成石墨烯，即为超短脉冲激光诱导裂解石墨烯(Ultra-fast Laser DecomposedGraphene,ULDG)技术。ULDG技术以超短脉冲激光在加工过程的光化学效应为主导，对材料激光加工区域附近无热效应影响，利用超短脉冲激光的双光子或多光子共振激发分子振动模式能够实现对各种含碳前体材料分子的化学键断裂、重构等分子加工，从而实现各种材料的诱导裂解制备石墨烯量子材料。在光化学效应过程中，材料分子吸收光子使内部电子发生能级跃迁形成不稳定的激发态，激发态的分子寿命极短，发生快速裂解等反应，由于不同波长的激励激光具有不同的能量，且材料分子的化学键对应不同的键能，该技术还可通过对激光激励波长的控制实现对化学键或基团的选择性诱导裂解，实现对精确的“分子裁剪”，从而制备具备特定官能团的石墨烯。

本发明提出的超短脉冲激光诱导裂解石墨烯技术，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光共振激发使材料中有机分子达到振动模式，并产生光化学效应实现对含碳前体材料诱导裂解制备石墨烯。具体来说，含碳前体材料中的有机分子吸收双光子或多光子后，有机分子由稳定的基态转化到不稳定的激发态，处于激发态的有机分子高速振动拉伸其内部的相应的化学键振动而使其化学键断裂，并通过碳元素的重新键合形成石墨烯。本发明能够充分利用超短脉冲激光的热冲击作用，明显增加单次激光扫描诱导裂解制备石墨烯的深度，提高石墨烯制备效率；同时基于超短脉冲激光对材料的光化学效应，诱导裂解过程所需激光能量较低。并且通过控制特定的激发波长能够使制备的石墨烯的特定官能团保留，制备具有特定官能团的石墨烯；此外，基于超短脉冲激光的在加工过程无热效应的特点，能够精确控制加工区域尺寸精度到微纳等级的优势，本发明可直接加工石墨烯微纳结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光对含碳前体材料中的有机分子的光化学效应，使其裂解制备石墨量子材料。从而显著提升石墨烯制备效率，降低制备成本，并且能够实现特殊功能团结构的石墨烯制备，直接加工特殊的石墨烯微纳结构。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明的一方面，一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术，其特征在于，利用超短脉冲激光共振激发含碳前体材料中的分子振动而具有较高能量，使其中的相应化学键断裂，含碳前体材料发生裂解并重新组合成键制备石墨烯量子材料，具体包括以下步骤：

(1)含碳前体材料的选择及准备；

(2)通过控制超短脉冲激光扫描的方式诱导含碳前体材料裂解制备石墨烯；

(3)通过控制激光扫描的方式诱导氧化石墨烯还原转化为石墨烯；

(4)通过微波加热的方式对制备的石墨烯进行膨化处理。

所述的技术可实现包括但不限于石墨烯粉末、石墨烯量子点、石墨烯介孔材料等石墨烯量子材料的制备。

所述的技术可实现单层或多层石墨烯对基底材料的包覆。

所述步骤(1)中的含碳前体材料选用含纤维素、木质素、淀粉等的生物质；所述的含碳前体材料可采用制片或制粉工艺，得到片状或粉末状的含碳前体材料；

所述的生物质选用植物类生物质，包括但不限于：农作物秸秆、壳类，木材、木屑，树皮、树枝、树根、树叶或果蔬。

所述的生物质中可添加有机聚合物粉末、非聚合碳材料粉末中的一种或多种；

所述的有机聚合物包括但不限于：聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)；

所述的非聚合碳材料包括但不限于：石墨、木炭、炭黑、煤。

所述的植物类生物质可采用脱水干燥处理或真空碳化处理，使其干燥或碳化。

所述的含碳前体材料中可选择性添加石墨量子点、氧化石墨烯量子点、石墨烯量子点的一种或几种组合，作为催化剂。所述的量子点材料在激光诱导制备过程中形成高速振动实现对含碳前体材料内部的嵌入、渗透以及诱导裂解制备石墨烯的催化。

所述步骤(2)中的含碳前体材料裂解为光化学效应。

所述步骤(2)中的超短脉冲激光为：皮秒激光或飞秒激光。

优选地，所述的超短脉冲激光选用飞秒激光。

所述步骤(2)中的超短脉冲激光波段为紫外到近红外、中红外、以及远红外，波长范围为200-14000nm。

所述步骤(2)中的超短脉冲激光采用单波长或双波长或多波长组合的方式，

所述的双波长或多波长组合通过控制不同波长的超短脉冲激光共振激发对分子中的不同化学键的拉伸振动，可对不同化学键或基团的裂解，实现选择性诱导裂解。

所述的双波长或多波长组合可采用同步诱导裂解或分步诱导裂解。

所述步骤(2)中的超短脉冲激光的加工位置可选用：激光聚焦位置，激光离焦位置；

所述的超短脉冲激光的输出可选用：激光点或激光线。可实现点扫描或线扫描。

所述的超短脉冲激光的扫描方式可选用：单次连续扫描、多次循环扫描。

所述步骤(3)可在步骤(2)后选择性采用，用于实现对超短脉冲激光诱导裂解制备的石墨烯中的氧化石墨烯及含有机官能团的石墨烯激光诱导还原。

所述步骤(3)中的激光可选用：连续激光或脉冲激光。

所述步骤(3)中的激光波长可选用：紫外200-400nm，可见400-760nm，红外760-14000nm。

所述步骤(3)中的激光的加工位置可选用：激光聚焦位置，激光离焦位置；

所述的激光的输出可选用：激光点或激光线。可实现点扫描或线扫描。

所述的激光的扫描方式可选用：单次连续扫描、多次循环扫描。

所述步骤(4)可选择性采用，用于实现对制备的石墨烯的不同程度的膨化处理；

所述步骤(4)中的微波加热可在惰性保护环境或真空环境中进行。

所述步骤(4)中的微波可选用：连续微波或脉冲微波。

本发明的另一方面，同时提供了一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置，其特征在于，所述的装置包括：激光部分100、微波部分200、腔体单元300、真空***400、控制***500。

所述的激光部分100由超短脉冲激光器101、连续/脉冲激光器102、激光器切换机构103、二维运动***104和聚焦***105组成。

所述的超短脉冲激光器101为用于实现超短脉冲激光诱导裂解石墨烯的能量源，可为单波长、双波长或多波长超短脉冲激光器。

所述的连续/脉冲激光器102为用于实现氧化石墨烯或含官能团的石墨烯的激光诱导还原的能量源，可为连续或脉冲激光器。

所述的激光器切换机构103用于实现超短脉冲激光器101和连续/脉冲激光器102之间的切换。

所述的二维运动***104用于实现超短脉冲激光和连续/脉冲激光的扫描加工。

所述的聚焦***105用于实现超短脉冲激光和连续/脉冲激光的聚焦，以及激光焦斑位置的调节。

所述的微波部分200由微波源201和波导管202组成。

所述的微波源201用于实现石墨烯膨化处理微波加工的能量源，可为连续微波源或脉冲微波源。

所述的波导管202分别与微波源201和加工单元300相连，用于导入微波能量到加工单元300。

所述的腔体单元300由包括进出料口311、待加工平台312、真空阀门313 的进出料腔体310，和包括待加工平台321、平台转换机构322、激光窗口323、微波导入口324、真空阀门325的加工腔体320组成。

所述的进出料腔体310用于实现待加工含碳前体材料的进料以及制备的石墨烯量子材料的出料；所述的加工腔体320用于实现对待加工碳前体材料的制备石墨烯量子点的加工过程。所述的进出料腔体310和加工腔体320之间采用自动升降腔门实现两者间的连通及断开；所述的进出料腔体310容量小、能够在完成进出料后快速实现真空环境条件；所述的加工腔体320容积大，能够在与进出料腔体310连通时保持稳定的真空环境条件。

所述的待加工平台312、待加工平台321用于放置待加工含碳前体材料。

所述的平台转换机构322与待加工平台312和待加工平台321相连接，用于实现待加工平台312和待加工平台321的位置转换。

所述的激光窗口323用于实现激光导入至加工腔体320内，并作用于其内部的待加工平台上的含碳前体材料。

所述的微波导入口324用于实现微波导入至加工腔体320内，并作用于其内部的待加工平台上的含碳前体材料。

所述的真空阀门313、真空阀门324分别用于实现对进出料腔体310和加工腔体320的真空环境条件的控制。

所述的真空***400由真空泵401、真空管道402和404、开闭开关403 和405组成，用于实现对加工腔体内的真空环境条件。

所述的真空泵401连接真空管道402、开闭开关403与进出料腔体310的真空阀门313相连，用于实现对进出料腔体310的真空条件的控制；所述的真空泵401连接真空管道404、开闭开关405与加工腔体320的真空阀门325 相连，用于实现对加工腔体320的真空条件的控制。

所述的控制***500用于实现对激光部分100、微波部分200、腔体单元 300和真空***400的集成控制。

所述的控制***500用于实现对激光器参数的调控，激光器的开启、关闭，以及激光器的切换，以及激光二维运动扫描的控制。

所述的控制***500用于实现对微波源参数的调控，微波源的开启、关闭的控制。

所述的控制***500用于实现对含碳前体材料进料及制备的石墨烯量子材料的出料的批量生产自动控制。

所述的控制***500用于实现对真空泵的开启、关闭的控制。

本发明由于采用上述技术方案，具有以下优点：

(1)本发明利用超短脉冲激光作为加工能量源，通过超短脉冲激光对含碳前体材料的热冲击作用，能够显著增加诱导裂解的深度，实现在材料表面、近表面及内部的诱导裂解制备石墨烯，提高了制备石墨烯的效率；

(2)本发明利用超短脉冲激光共振激发含碳前体材料中有机分子的振动模式，分子通过吸收特定波长的光子由基态转化到激发态，通过光化学效应可在较低激光功率条件下实现诱导裂解制备石墨烯的过程，显著降低了激光加工的功率条件；

(3)本发明主要以生物质作为包括碳前体材料，在显著降低原材料成本的同时，诱导裂解制备石墨烯的过程无有害、有毒气体及产物形成，加工制备过程绿色、无污染；

(4)本发明通过对超短脉冲激光波长的控制，能够实现含特殊官能团的石墨烯量子材料的制备，同时超短脉冲激光能够有效控制加工过程中的热效应区域，能够实现石墨烯特殊微纳结构的直接加工。

附图说明

图1为本发明超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的超短脉冲激光共振激发原理示意图及实施例图；其中，(a)超短脉冲激光共振激发原理示意图，(b)制备的2cm×2cm薄片状石墨烯量子材料宏观照片，(c)制备的2cm×2cm薄片状石墨烯量子材料显微照片，(d)制备的2cm×2cm薄片状石墨烯量子材料拉曼光谱图；

图2为本发明超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的流程示意图图；

图3为本发明超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置组成单元示意图；

图4为本发明中涉及的激光器切换的示意图；其中，101超短脉冲激光器， 102连续/脉冲激光器，103激光器切换机构，104二维运动***104，1031反射镜，1032高精度旋转电机，1041X方向上的反射镜，1042Y方向上的反射镜反射镜，1043二维运动滑台1043。

具体实施方式

本发明提供了一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料技术与装置，主要以生物质作为含碳前体材料，利用超短脉冲激光共振激发生物质中有机分子的振动模式，从而实现以光化学效应为主导的反应，诱导其裂解制备石墨烯量子材料。下面结合附图及实施例将对本发明做一进步说明。

图1为本发明超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的超短脉冲激光共振激发原理示意图及实施例图。

参见图1(a)，超短脉冲激光共振激发能够使处于基态的能量较低的分子稳定模式，激发转化为激发态的能量较高的分子共振模式。具体原理在于，在超短脉冲激光的双光子或多光子效应的作用下，基态的分子吸收了双光子或多光子从而使电子激发，分子由基态提升到激发态，此时激发态的分子处于经激光共振激发的振动模式，具有较高的能量且寿命较短，通过对分子化学键的拉伸振动实现对化学键的“剪切”，实现分子快速裂解及重构，形成新的分子结构。基于上述原理及过程，超短脉冲激光诱导裂解实现对含碳前体材料到石墨烯量子材料的转化。

不同波长的超短脉冲激光具备不同的光子能量，随着波长的增大，光频率逐渐减小，光子能量逐渐变小，即紫外光，可见光，近红外光，中远红外光的光子能量逐渐变小。同样，分子中的不同化学键具有不同的键能，通过调控特定波长或多波长的超短脉冲激光共振激励分子振动模式能够实现使不同化学键的断裂，当分子吸收的光子能量足够大时能够使分子中的化学键完全断裂。

参见图1(b)-(d)，基于上述超短脉冲激光共振激发原理制备的薄片状石墨烯量子材料，具体制备方法及流程见实施例1。图1(b)-(d)分别为制备的2cm×2cm薄片状石墨烯量子材料的宏观照片、显微照片和拉曼光谱图。

图2为本发明超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料的流程示意图。

首先，选择生物质作为含碳前体材料，并将其进行干燥脱水处理。所述的生物质优选植物类生物质，包括但不限于：农作物秸秆、壳类，木材、木屑，树皮、树枝、树根、树叶，果蔬等。特别地，如工业***麻皮、麻杆、麻根等可作为含碳前体材料，制备高性能石墨烯量子材料。

随后，可在含碳前体材料中选择性添加有机聚合物粉末，如PI(聚酰亚胺)、PE(聚乙烯)粉末、PP(聚丙烯)粉末等，或者非聚合碳材料粉末，如石墨、木炭、炭黑、煤等粉末；添加石墨量子点或氧化石墨烯量子点或石墨烯量子点材料作为催化剂。将上述混合物根据生产需求进行充分混合，并进行制片或制粉处理，制得片状原料或粉末状原料，待制备石墨烯量子材料用。

随后，将制备的片状原料或粉末状原料放置在加工平台上，利用特定波长或多波长的超短脉冲激光对其进行扫描加工，诱导其中含碳前体材料裂解转化为石墨烯。

随后，利用连续或脉冲激光对诱导裂解后的材料进行扫描加工，诱导其中的氧化石墨烯及含官能团石墨烯还原转化为石墨烯。所述连续或脉冲激光诱导还原处理可根据制备要求进行选择性采用。

最后，在惰性气体环境或真空环境下，利用微波加热对石墨烯进行膨化处理，得到石墨烯量子材料。

实施例1-3基于上述制备流程实现。

实施例1

本实施例以***杆粉末和PI粉末作为含碳前体材料，利用中心波长 515nm的单波长飞秒激光诱导裂解制备石墨烯量子材料。具体步骤如下：

(1)将***杆粗粉末在80-90℃条件下进行烘干处理4-5h，在将烘干干燥处理后的***杆粗粉末经球磨成细粉末，平均粒度范围为5-25μm；

(2)取500mg***杆细粉末同50mgPI粉末按照10:1的质量比例进行混合，同时添加10mg石墨烯量子点作为催化剂，并添加15mL的浓度为10-15％的丙烯酸乳液作为粘接剂；

(3)将准备的混合原料均匀平铺在载玻片上，控制其厚度为0.5-1.0mm，并放置在80-90℃条件下进行烘干处理4-5h，取下薄片状样件并进一步进行压制，裁剪成2cm×2cm的正方形片状试样；

(4)将制备的片状试样放置在激光加工平台上，利用中心波长515nm，脉冲宽度500fs的飞秒激光在焦点位置进行单次连续扫描加工；

(5)利用中心波长1030nm，脉冲宽度为15μs的微秒激光在焦点位置进行单次连续扫描加工，制得薄片状的石墨烯量子材料。

实施例2

本实施例以***杆粉末和炭黑粉末作为含碳前体材料，利用中心波长 343/515nm的双波长皮秒激光诱导裂解制备石墨烯量子材料。具体步骤如下：

(1)将***杆粗粉末在80-90℃条件下进行烘干处理4-5h，在将烘干干燥处理后的***杆粗粉末经球磨成细粉末，平均粒度范围为5-25μm；

(2)取500mg***杆细粉末同100mg炭黑粉末按照5:1的质量比例进行混合，同时添加20mg石墨烯量子点作为催化剂；

(3)将准备的混合粉末试样原料均匀平铺在镍片上，并放置在激光加工平台上；

(4)利用中心波长343nm，脉冲宽度10ps的皮秒激光在离焦高度2mm 位置进行2次连续扫描加工；切换激光中心波长515nm，脉冲宽度10ps的皮秒激光在离焦高度2mm位置进行2次连续扫描加工；

(5)利用中心波长1030nm，脉冲宽度为15μs的微秒激光进行焦点位置扫描加工；

(6)将经过超短脉冲激光诱导裂解，以及激光诱导还原处理的试样放置在真空微波设备中进行微波加工膨化处理，制得粉末状的石墨烯量子材料。

实施例3

本实施例以***杆粉末作为含碳前体材料，利用中心波长 343/515/1030nm的多波长皮秒激光诱导裂解制备石墨烯量子材料。具体步骤如下：

(1)将***杆粗粉末在80-90℃条件下进行烘干处理4-5h，在将烘干干燥处理后的***杆粗粉末经球磨成细粉末，平均粒度范围为5-25μm；

(2)取500mg***杆细粉末，并在制备的***杆细粉末中添加15mg石墨烯量子点作为催化剂；

(3)将准备的混合粉末试样原料均匀平铺在镍片上，并放置在激光加工平台上；

(4)利用中心波长343nm，脉冲宽度10ps的皮秒激光在焦点位置进行单次连续扫描加工；切换激光中心波长515nm，脉冲宽度10ps的皮秒激光在焦点位置进行单次连续扫描加工；切换激光中心波长1030nm，脉冲宽度10ps 的皮秒激光在焦点位置进行单次连续扫描加工；

(5)将经过超短脉冲激光诱导裂解的试样放置在真空微波设备中进行微波加工膨化处理，制得粉末状的石墨烯量子材料。

图3为本发明超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置组成单元示意图。

所述的超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置集成了包括超短脉冲激光诱导裂解、连续/脉冲激光诱导还原以及微波加热膨化的功能，从而实现石墨烯量子材料的连续制备及生产。所述的装置主要包括：激光部分100、微波部分200、腔体单元300、真空***400和控制***500五部分组成。其中，激光部分100主要提供制备石墨烯过程中所需的激光能量源，包括用于实现诱导裂解石墨烯的超短脉冲激光和诱导还原石墨烯的连续/脉冲激光；微波部分200主要提供制备石墨烯过程中所需的微波能量源，实现对石墨烯的膨化处理；腔体单元300主要提供制备石墨烯所需的环境条件，实现物料的进料、制备及出料；真空***400主要为腔体单元提供真空环境条件；控制***500主要实现对整个装置的集成化控制。

所述的超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯和连续/脉冲激光诱导还原石墨烯的激光传输路径具体来说，由超短脉冲激光器101或连续/脉冲激光器102 输出激光，经过激光器切换机构103，输出至二维运动***104，导入聚焦***105实现激光聚焦，并通过激光窗口323作用于待加工平台321，实现对待加工平台321上的含碳前体材料的激光诱导裂解/还原过程；所述的微波加工膨化过程的微波传输路径具体来说，由微波源201输出微波，通过波导管202 传输后经微波导入口324导入腔体单元300的加工腔体320中，并最终作用于待加工平台321上的经过激光诱导裂解制备的石墨烯；所述的含碳前体材料的传输路径具体来说，含碳前体材料通过进出料腔体310中的进出料口311 放置于待加工平台312上，通过平台转换机构322实现进出料腔体310和加工腔体320中的待加工平台进行位置互换，最终传输到待加工平台321位置。所述的石墨烯量子材料的传输路径则与含碳前体材料的传输路径相反。

所述的装置在连续制备石墨烯量子材料过程中，具体的进出料步骤如下：

首先，关闭开闭开关403，同时开启放气阀门314，待进出料腔体310达到常压，开启进出料口；

随后，取出待加工平台312上的已完成制备的石墨烯量子点材料，同时将待加工的含碳前体材料放置在待加工平台312上，关闭进出料口；

随后，关闭放气阀门314，同时开启开闭开关403，使进出料腔体进行抽真空状态，并快速达到所需的真空环境条件；

随后，控制开启进出料腔体310和加工腔体320间的自动升降腔门，控制平台转换机构322使待加工平台312和待加工平台321位置转换，待加工的含碳前体材料传输至加工腔体320内，加工完成的石墨烯量子材料传输至进出料腔体310内；

最后，控制关闭进出料腔体310和加工腔体320间的自动升降腔门，进行超短脉冲激光诱导裂解石墨烯、连续/脉冲激光诱导、真空微波加工等制备流程。

图4为本发明中涉及的激光器切换的示意图。

如附图4(a)所示，当利用超短脉冲激光进行诱导裂解过程时，超短脉冲激光器101输出的超短脉冲激光经过激光切换机构103中的反射镜1031导入二维运动***104中，并最终导入到聚焦***105中。其中，二维运动***104由在X、Y方向上的反射镜1041、反射镜1042和二维运动滑台1043 组成，通过控制反射镜1041和反射镜1042在X、Y方向上的运动实现扫描加工，聚焦***105也随着二维运动***104一同运动。当利用连续/脉冲激光进行诱导还原过程时，如附图4(b)所示，通过调控高精度旋转电机1032 控制反射镜1031旋转特定角度，实现激光器的切换，从而将连续/脉冲激光器 102输出的激光导入二维运动***104中，并最终导入聚焦***105中，实现激光诱导还原加工。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置，其特征在于，所述装置包括：激光部分（100）、微波部分（200）、腔体单元（300）、真空***（400）以及控制***（500），其中，

所述激光部分（100）由超短脉冲激光器（101）、连续/脉冲激光器（102）、激光器切换机构（103）、二维运动***（104）和聚焦***（105）组成；

所述超短脉冲激光器（101）为用于实现超短脉冲激光诱导裂解石墨烯的能量源，超短脉冲激光器（101）为单波长、双波长或多波长超短脉冲激光器；

所述连续/脉冲激光器（102）为用于实现氧化石墨烯或含官能团的石墨烯的激光诱导还原的能量源，连续/脉冲激光器（102）为连续或脉冲激光器；

所述激光器切换机构（103）用于实现超短脉冲激光器（101）和连续/脉冲激光器（102）之间的切换；

所述二维运动***（104）用于实现超短脉冲激光和连续/脉冲激光扫描加工；

所述聚焦***（105）用于实现超短脉冲激光和连续/脉冲激光的聚焦，以及激光焦斑位置的调节；其中，

所述腔体单元（300）由包括进出料口（311）、第一待加工平台（312）、第一真空阀门（313）、放气阀门（314）的进出料腔体（310），和包括第二待加工平台（321）、平台转换机构（322）、激光窗口（323）、微波导入口（324）、第二真空阀门（325）的加工腔体（320）组成；

所述进出料腔体（310）用于实现待加工含碳前体材料的进料以及制备的石墨烯量子材料的出料；所述加工腔体（320）用于实现对待加工碳前体材料的制备石墨烯量子点的加工过程；所述进出料腔体（310）和加工腔体（320）之间采用自动升降腔门实现两者间的连通及断开；所述进出料腔体（310）容量小、能够在完成进出料后快速实现真空环境条件；所述加工腔体（320）容积大，能够在与进出料腔体（310）连通时保持稳定的真空环境条件；

所述第一待加工平台（312）、第二待加工平台（321）用于放置待加工含碳前体材料；

所述的平台转换机构（322）与第一待加工平台（312）和第二待加工平台（321）相连接，用于实现第一待加工平台（312）和第二待加工平台（321）的位置转换；

所述激光窗口（323）用于实现激光导入至加工腔体（320）内，并作用于内部的待加工平台上的含碳前体材料；

所述微波导入口（324）用于实现微波导入至加工腔体（320）内，并作用于其内部的待加工平台上的含碳前体材料；

所述第一真空阀门（313）、第二真空阀门（325）分别用于实现对进出料腔体（310）和加工腔体（320）的真空环境条件的控制。

2.根据权利要求1所述的一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置，其特征在于，所述微波部分（200）由微波源（201）和波导管（202）组成；

所述微波源（201）用于实现石墨烯膨化处理微波加工的能量源，微波源（201）为连续微波源或脉冲微波源；

所述波导管（202）分别与微波源（201）和腔体单元（300）相连，用于导入微波能量到腔体单元（300）。

3.根据权利要求1所述的一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置，其特征在于，所述真空***（400）由真空泵（401）、第一真空管道（402）、第二真空管道（404）、第一开闭开关（403）和第二开闭开关（405）组成，用于实现加工腔体内的真空环境条件；

所述真空泵（401）连接第一真空管道（402）、第一开闭开关（403）与进出料腔体（310）的第一真空阀门（313）相连，用于实现对进出料腔体（310）的真空条件的控制；所述真空泵（401）连接第二真空管道（404）、第二开闭开关（405）与加工腔体（320）的第二真空阀门（325）相连，用于实现对加工腔体（320）的真空条件的控制。

4.根据权利要求1所述的一种超短脉冲激光诱导裂解制备石墨烯量子材料装置，其特征在于，所述控制***（500）用于实现对激光部分（100）、微波部分（200）、腔体单元（300）和真空***（400）的集成控制；

所述控制***（500）用于实现对激光器参数的调控，激光器的开启、关闭，以及激光器的切换，以及激光二维运动扫描的控制；

所述控制***（500）用于实现对微波源参数的调控，微波源的开启、关闭的控制；

所述控制***（500）用于实现对含碳前体材料进料及制备的石墨烯量子材料的出料的批量生产自动控制；

所述控制***（500）用于实现对真空泵的开启、关闭的控制。