Laser reduction of graphene oxide: local control of material properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We present a detailed analysis of the available data on the laser reduction of graphene oxide (GO). Issues of GO synthesis, structural models, and methods for controlling the properties of the material are considered. The chemical and thermal reduction mechanisms, the two main photoinduced mech„anisms for the transformation of dielectric GO films into conducting structures, are described, and their combined effect is illustrated. The impact of laser radiation parameters on the local functionalization of the material, which determines its properties, is critically analyzed. A summary table of the available data on the laser effect on GO is presented. Various applications are outlined, such as electronics, photovoltaics, energy, and flexible sensors, including medical applications. This study systematizes the results presented in the literature and contributes to the further study of the interaction of laser radiation with carbon materials, their transformation, control of properties, and the potential for application in all-carbon electronics.

About the authors

Gennadiy Viktorovich Murastov

Tomsk Polytechnic University

without scientific degree, Scientific Employee

Anna Anatol'evna Lipovka

Tomsk Polytechnic University

without scientific degree, no status

Maksim Il'gizovich Fatkullin

Tomsk Polytechnic University

Raul David Rodriguez Contreras

Tomsk Polytechnic University

Evgeniya Sergeevna Sheremet

Tomsk Polytechnic University

References

  1. Ferrari A. C. et al., Nanoscale, 7 (2015), 4598
  2. Novoselov K. S. et al., Science, 306 (2004), 666
  3. Губин С. П., Ткачев С. В., Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии. РЭНСИТ, 2:1—-2 (2010), 99
  4. Jiat L. X. et al., J. Taiwan Inst. Chem. Eng., 98 (2019), 163
  5. Mishra N. et al., Phys. Status Solidi A, 213 (2016), 2277
  6. Tarcan R. et al., J. Mater. Chem. C, 8 (2020), 1198
  7. Zhang Y. et al., Nano Today, 5:1 (2010), 15
  8. Wan Z. et al., Adv. Mater. Technol., 3 (2018), 1700315
  9. Ye R., James D. K., Tour J. M., Adv. Mater., 31 (2019), 1803621
  10. Kumar R. et al., Coord. Chem. Rev., 342 (2017), 34
  11. Чернозатонский Л. А., Сорокин Б. П., Артюх А. А., Успехи химии, 83 (2014), 251
  12. Wallace P. R., Phys. Rev., 71 (1947), 622
  13. Perez E. M., Martin N., Chem. Soc. Rev., 44 (2015), 6425
  14. Lonkar S. P., Deshmukh Y. S., Abdala A. A., Nano Res., 8 (2015), 1039
  15. Шульга Ю. М., Шульга Н. Ю., Пархоменко Ю. Н., Изв. вузов. Материалы электронной техники, 2014, № 3, 157
  16. Poh H. L. et al., Nanoscale, 4 (2012), 3515
  17. Paredes J. I. et al., Langmuir, 24 (2008), 10560
  18. Yan J.-A., Chou M. Y., Phys. Rev. B, 82 (2010), 125403
  19. Brodie B., Ann. Chim. Phys., 45 (1855), 351
  20. Staudenmaier L., Berichte Deutschen Chem. Gesellschaft, 3 (1898), 1
  21. Hummers W. S., Offeman R. E., J. Am. Chem. Soc., 80 (1958), 1339
  22. Marcano D. C. et al., ACS Nano, 4 (2010), 4806
  23. Chen J. et al., Carbon, 64 (2013), 225
  24. Guerrero-Contreras J., Caballero-Briones F., Mater. Chem. Phys., 153 (2015), 209
  25. Sheshmani S., Fashapoyeh M. A., Acta Chim. Slov., 60 (2013), 813
  26. Lavin-Lopez M. del P et al., Indus. Eng. Chem. Res., 55 (2016), 12836
  27. Yu H. et al., Sci. Rep., 6 (2016), 36810
  28. Pendolino F., Armata N., Graphene Oxide in Environmental Remediation Process, Springer, Cham, 2017
  29. Wan Z. et al., Adv. Mater. Technol., 3 (2018), 1700315
  30. Lerf A. et al., J. Phys. Chem. B, 102 (1998), 4477
  31. Hofmann U., Holst R., Berichte Deutschen Chem. Gesellschaft A, B, 72 (1939), 754
  32. Szabo T. et al., Chem. Mater., 18 (2006), 2740
  33. Ruess G., Monatshefte Chemie, 76 (1947), 381
  34. Nakajima T., Mabuchi A., Hagiwara R., Carbon, 26 (1988), 357
  35. Pei S., Cheng H.-M., Carbon, 50 (2012), 3210
  36. Gomez-Navarro C. et al., Nano Lett., 10 (2010), 1144
  37. Lopez-Diaz D. et al., Coat. World, 10 (2020), 524
  38. Bagri A. et al., Nat. Chem., 2 (2010), 581
  39. Ju H.-M. et al., Mater. Lett., 64 (2010), 357
  40. Agarwal V., Zetterlund P. B., Chem. Eng. J., 405 (2021), 127018
  41. Wei Z. et al., Science, 328 (2010), 1373
  42. Su Y. et al., Nano Res., 6 (2013), 842
  43. Stankovich S. et al., Carbon, 45 (2007), 1558
  44. Gilje S. et al., Nano Lett., 7 (2007), 3394
  45. Ekiz O. O. et al., ACS Nano, 5 (2011), 2475
  46. Voiry D. et al., Science, 353 (2016), 1413
  47. Prezioso S. et al., Langmuir, 28 (2012), 5489
  48. Cote L. J. et al., J. Am. Chem. Soc., 131 (2009), 11027
  49. CanУado L. G. et al., Nano Lett., 11 (2011), 3190
  50. Malinsky P. et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 19 (2017), 10282
  51. Kwon S.-N. et al., Organic Electron., 34 (2016), 67
  52. Huh S. H. et al., J. Korean Phys. Soc., 59 (2011), 3428
  53. Yang Y. et al., RSC Adv., 9 (2019), 3597
  54. Blanton T. N., Majumdar D., Powder Diffraction, 28 (2013), 68
  55. Aslam S., Mustafa F., Ashfaq Ahmad M., Ceramics Int., 44 (2018), 6823
  56. Gao X., Jang J., Nagas S., J. Phys. Chem. C, 114 (2010), 832
  57. Chua C. K., Pumera M., Chem. Commun., 52 (2016), 72
  58. Thakur S., Karak N., Carbon, 94 (2015), 224
  59. Qiu L. et al., Nat. Commun., 3 (2012), 1241
  60. Zhang J. et al., Chem. Commun., 46 (2010), 1112
  61. Zhu C. et al., ACS Nano, 4 (2010), 2429
  62. Thakur S., Karak N., Carbon, 50 (2012), 5331
  63. Lingaraju K. et al., Biotechnol. Rep. Amst, 24 (2019), e00376
  64. Gao W. et al., Nat. Chem., 1 (2009), 403
  65. Faucett A. C., Mativetsky J. M., Carbon, 95 (2015), 1069
  66. Ghadim E. E. et al., Appl. Surf. Sci., 301 (2014), 183
  67. Pei S., Cheng H.-M., Carbon, 50 (2012), 3210
  68. Tu N. D. K. et al., Chem. Mater., 27 (2015), 7362
  69. Demazeau G., J. Mater. Chem., 9 (1999), 15
  70. Eda G., Fanchini G., Chhowalla M., Nat. Nanotechnol., 3 (2008), 270
  71. Pei S., Cheng H.-M., Carbon, 50 (2012), 3210
  72. Gao W. et al., Nat. Chem., 1 (2009), 403
  73. Cao G. et al., Opto-Electron. Adv., 1 (2018), 18001201
  74. Cao G. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 11 (2019), 20298
  75. Jiang H.-B. et al., Adv. Funct. Mater., 24 (2014), 4595
  76. Tran T. X. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018), 39777
  77. Gao W. et al., Nat. Nanotechnol., 6 (2011), 496
  78. Li X. et al., Nat. Commun., 6 (2015), 6984
  79. Yang C.-R., Tseng S.-F., Chen Y.-T., Appl. Surf. Sci., 444 (2018), 578
  80. Smirnov V. A. et al., High Energy Chem., 45 (2011), 57
  81. Smirnov V. A. et al., Nanotechnol. Russ., 7 (2012), 156
  82. Plotnikov V. G. et al., High Energy Chem., 45 (2011), 411
  83. Williams G., Seger B., Kamat P. V., ACS Nano, 2 (2008), 1487
  84. Williams G., Kamat P. V., Langmuir, 25 (2009), 13869
  85. Shul'ga Y. M. et al., High Energy Chem., 46 (2012), 117
  86. Vasilets V. N. et al., High Energy Chem., 52 (2018), 14
  87. Zhao X. et al., Appl. Phys. Lett., 98 (2011), 121905
  88. Zhou Y. et al., Adv. Mater., 22 (2010), 67
  89. Trusovas R. et al., Carbon, 52 (2013), 574
  90. Evlashin S. A. et al., Adv. Mater. Interfaces, 5 (2018), 1800737
  91. Orekhov N. D. et al., Carbon, 191 (2022), 546
  92. Thekkekara L. V. et al., Appl. Phys. Lett., 107 (2015), 031105
  93. Huh S. H., “Thermal reduction of graphene oxide”, Physics and Applications of Graphene, Ed. S. Mikhailov, IntechOpen, London, 2011, 73
  94. Arul R. et al., Carbon, 99 (2016), 423
  95. Petridis C. et al., Appl. Phys. Lett., 102 (2013), 093115
  96. de Lima B. S., Bernardi M. I. B., Mastelaro V. R., Appl. Surface Sci., 506 (2019), 144808
  97. Jiang H.-B. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018), 18416
  98. Perez L. A., Bajales N., Lacconi G. I., Appl. Surf. Sci., 495 (2019), 143539
  99. Wan Z. et al., Carbon, 141 (2019), 83
  100. Guo L. et al., J. Phys. Chem. C, 116 (2012), 3594
  101. Evlashin S. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 8 (2016), 28880
  102. Al-Gaashani R. et al., Ceramics Int., 45 (2019), 14439
  103. Kovtun A. et al., Carbon, 143 (2019), 268
  104. Колесов Б. А., Прикладная КР-спектроскопия, Изд-во СО РАН, Новосибирск, 2018
  105. Бабаев А. А. и др., Оптика и спектроскопия, 125 (2018), 820
  106. Childres I. et al., New Developments in Photon and Materials Research, Ed. J. I. Jang, Nova Science Publ., New York, 2013, 403
  107. Eigler S., Dotzer C., Hirsch A., Carbon, 50 (2012), 3666
  108. Strankowski M. et al., J. Spectrosc., 2016 (2016), 1
  109. Kudin K. N. et al., Nano Lett., 8 (2008), 36
  110. Rodriguez R. D. et al., Carbon, 151 (2019), 148
  111. Chen H.-Y. et al., Chem. Phys., 430 (2014), 13
  112. Deng N.-Q. et al., Carbon, 109 (2016), 173
  113. Yung K. C. et al., J. Appl. Phys., 113 (2013), 244903
  114. Bobrinetskiy I. I. et al., Mater. Lett., 187 (2017), 20
  115. Kasischke M. et al., Appl. Surf. Sci., 445 (2018), 197
  116. Guan Y. C. et al., Sci. Rep., 6 (2016), 28913
  117. Pei S. et al., Carbon, 48 (2010), 4466
  118. Tao Y. et al., Appl. Phys. A, 106 (2012), 523
  119. Mukherjee R. et al., ACS Nano, 6 (2012), 7867
  120. Sokolov D. A. et al., Carbon, 53 (2013), 81
  121. Ma B. et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 21 (2019), 10125
  122. Strong V. et al., ACS Nano, 6 (2012), 1395
  123. Murastov G. et al., Biosensors Bioelectron., 166 (2020), 112426
  124. Kuhnel D. T. et al., Adv. Mater. Technol., 4 (2019), 1800232
  125. Muttaqet al., J. Mater. Sci., 52 (2017), 749
  126. Evlashin S. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 8 (2016), 28880
  127. Hosseindokht Z. et al., Superlatt. Microstruct., 140 (2020), 106470
  128. Prakash V. et al., Analyst, 144 (2019), 3297
  129. Lin J. et al., Nat. Commun., 5 (2014), 5714
  130. Romero F. J. et al., Nanomaterials, 8 (2018), 517
  131. Yang D., Bock C., J. Power Sources, 337 (2017), 73
  132. Liu C. et al., Carbon, 166 (2020), 138
  133. Ibrahim Y. O. et al., Ceramics Int., 46 (2020), 444
  134. Ran P. et al., J. Mater. Chem. A, 6 (2018), 16430
  135. Liu C. et al., Nano Lett., 10 (2010), 4863
  136. Pandolfo A. G., Hollenkamp A. F., J. Power Sources, 157 (2006), 11
  137. Ghoniem E. et al., J. Power Sources, 324 (2016), 272
  138. El-Kady M. F. et al., Science, 335 (2012), 1326
  139. Borenstein A. et al., J. Mater. Chem. A, 6 (2018), 20463
  140. Stoller M. D. et al., Nano Lett., 8 (2008), 3498
  141. Romero F. J. et al., Sensors Actuators A, 274 (2018), 148
  142. Meng F.-L., Guo Z., Huang X.-J., TrAC Trends Analyt. Chem., 68 (2015), 37
  143. Guo L. et al., Sci. Rep., 8 (2018), 4918
  144. Cui S. et al., Anal. Chem., 86 (2014), 7516
  145. Bhati V. S. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 10 (2018), 11116
  146. Drmosh Q. A. et al., Sensors Actuators B, 290 (2019), 666
  147. Lai T. et al., Electrochim. Acta, 138 (2014), 48
  148. Han B. et al., Sensors Actuators B, 270 (2018), 500
  149. Silipigni L. et al., J. Instrum., 15 (2020), C04006
  150. An J. et al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 9 (2017), 44593
  151. Searle A., Kirkup L., Physiol. Meas., 21 (2000), 271
  152. He Y. et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 28 (2016), 1996
  153. Romero F. J. et al., Nanomaterials, 9 (2019), 897
  154. Wang Q. et al., Appl. Phys. Lett., 112 (2018), 133902
  155. Han B. et al., Adv. Mater., 31 (2019), 1806386
  156. Zhang T.-Y. et al., Appl. Phys. Lett., 111 (2017), 121901
  157. Bi H. et al., Nanoscale, 5 (2013), 9123
  158. Sang W. et al., Macromol. Mater. Eng., 302 (2017), 1700239
  159. Low M. J. et al., Appl. Surf. Sci., 526 (2020), 146647
  160. Zheng X. et al., Nat. Commun., 6 (2015), 8433
  161. Zheng X. et al., J. Phys. D, 50 (2017), 074003
  162. Bi Y.-G. et al., ACS Photon., 1 (2014), 690
  163. Wei J. et al., Opt. Lett., 42 (2017), 911
  164. Yuan Q., Lin C.-T., Chee K. W. A., APL Mater., 7 (2019), 030901
  165. Huang L. et al., Carbon, 49 (2011), 2431
  166. Malinsky P. et al., EPJ Web Conf., 167 (2018), 04010
  167. de Lima B. S., Bernardi M. I. B., Mastelaro V. R., Appl. Surf. Sci., 506 (2020), 144808
  168. Malek Hosseini S. M. B. et al., Appl. Surf. Sci., 427 (2018), 507
  169. Das S. R. et al., Nanoscale, 8 (2016), 15870
  170. Romero F. J. et al., Sensors Actuators B, 287 (2019), 459
  171. Watanabe A. et al., Proc. SPIE, 10906 (2019), 1090612
  172. Комаров И. А. и др., Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии, Под ред. Т. А. Кузнецова и др., Инст. тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова, Минск, 2018, 353
  173. Kavinkumar T., Shobin L. R., Manivannan S., J. Alloys Compd., 784 (2019), 301
  174. Тимофеева Т. Е., Николаев Д. В., Тимофеев В. Б., Инновационная наука, 2015, № 7, 18
  175. Cutroneo M. et al., Vacuum, 165 (2019), 134
  176. Tian Y. et al., J. Mater. Chem. A, 3 (2015), 11294

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».