韩国科学技术院Keon Jae Lee教授等：使用激光和闪光光源进行能量转换和存储应用中的光-材料相互作用

Nano-Micro Letters 发布于 2024-10-15
分类：化学科学
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研究背景

能源设备技术的重大进步通过彻底改变能源的管理、消费、储存和生产，深刻地影响了我们的日常生活。这些创新为日益增长的能源需求提供了有效的解决方案，促进了清洁能源、可持续社区的发展，并提高了整体福祉。传统的能源转换与存储系统存在效率低下、成本高昂等问题，限制了其在现代电子设备中的应用。为了突破这些限制，科学家们一直在探索新型的材料相互作用技术，以期实现更高效的能量管理。其中，利用激光和闪光光源与材料之间的相互作用(LMI)技术，因其具有可诱导瞬时的、多物理的、时空可控的非热平衡光子反应能力，为能源材料和器件的开发提供了新的可能性。

Light–Material Interactions Using Laser and Flash Sources for Energy Conversion and Storage Applications

Jung Hwan Park, Srinivas Pattipaka, Geon-Tae Hwang, Minok Park, Yu Mi Woo, Young Bin Kim, Han Eol Lee, Chang Kyu Jeong, Tiandong Zhang, Yuho Min, Kwi-Il Park*, Keon Jae Lee* & Jungho Ryu*

Nano-Micro Letters (2024)16: 276

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01483-5

本文亮点

1. 综述了光-材料相互作用(LMI)参数的综合分析，并提出了在材料加工中的意义。

2. 考察了广泛的光热和光化学过程，展示了它们在先进能量转换和存储材料应用中的多功能性。

3. 提出了推进LMI技术的多学科方法，并强调了其对未来能源转换和存储系统商业化的潜在贡献。

内容简介

韩国科学技术院Keon Jae Lee教授等综述了光-材料相互作用的研究进展，重点介绍了激光和闪光光源在能量转换和存储方面的应用。讨论了光源、相互作用时间和光密度等复杂的LMI参数，以阐明他们在材料加工中的重要性。此外，本研究涵盖了从熔化、结晶、烧蚀到掺杂和合成的各种光诱导光热和光化学过程，这些过程对于开发能源材料和器件至关重要。最后，展示了LMI技术在能源转换和存储应用中的广泛示范，包括能量收集器、传感器、电容器和电池。尽管LMIs面临诸如复杂机制和高自由度等挑战，我们相信，通过全面的学术研究和多学科合作推动光学技术，可以为未来能源系统商业化做出实质性贡献和潜力。

图文导读

I LMIs的关键加工参数

LMIs能够精确且有选择性地在可控的时间间隔内操控热能传输，这在使用传统的微加工和炉式退火方法时是难以实现的。实现 LMIs 的复杂性涉及多个必须仔细考虑的同步参数，以实现期望的物理化学反应及其相应的结果。图1突出了光与材料之间相互作用的关键因素，包括入射波长、辐照持续时间、光密度或功率、重复率、空间重叠和环境条件。

1.1 波长

激光器产生特定波长的单色和相干辐射，这归因于激光介质的特征激发。相比之下，闪光灯发出的光子具有从紫外到红外的宽光谱，如图1a中不同激光器和闪光灯的概述所示。对于LMIs，应精心选择来自光源的这些波长，因为它们对于确定有效的光吸收至关重要。如图1b所示，吸收系数较低的波长比吸收系数较高的波长能更深入地穿透材料。

1.2 辐照时间

1.3 通量和强度

1.4 重复率和空间重叠

1.5 环境条件

图1. (a)激光和闪光光源的波长和相互作用时间特征；(b)光波长对吸光材料光穿透深度的影响；(c)决定热扩散距离的相互作用时间；(d)与LMI事件相关的光密度和相互作用时间范围；(e)重复率和空间重叠，有助于(f)热量积累/消散效应；(g)触发物理化学反应的环境条件。

II LMI在能量转换和存储应用中的例子

2.1 剥离(激光+闪光)

剥离过程已被广泛用于将整个无机薄膜或器件转移到柔性基底上，以用于柔性电子、光电子和能量收集器。首先，制造的电子设备和经过热退火处理的无机薄膜被固定在塑料接收基底上。当激光束照射到对所照射光波长透明的刚性母基底的背面时，被照射的激光会穿过基底。随后，它到达活性电子/无机薄膜和刚性基底之间的界面层，以支持光热反应。这些光-材料相互作用(LMI)行为使得基于薄层结构的器件能够在不出现裂纹、皱纹或机械变形的情况下从刚性基底上剥离。

图2. (a)利用LLO转移技术将压电PZT从刚性晶片剥离到柔性基板上的示意图；(b)采用激光辐照在透明蓝宝石晶圆片上剥离塑料衬底上的柔性PZT薄膜；(c)PZT薄膜光源诱导区域的光学图像(左图)和SEM图像(右图)；(d)基于激光多重扫描加工f-TEGs的LLO程序说明；(e)从块状石英中剥离的f-TEG照片；(f)用有限元法对最佳氧化黄油层厚度进行了数值模拟；(g)激光多次扫描后Si层暴露区域的SEM图像；(h)KrF激光从透明体晶圆上分离GaN基f-VLED的制作步骤示意图；(i)捕捉到透明的蓝色f-VLED阵列在打开和关闭状态下转移到人类指甲的曲面上的图像；(j)用PLO法将PV从LAL/玻璃基板剥离到PI薄层上的示意图；(k)模拟了LAL-PI界面的温度变化，以证实柔性PV从刚性基板上剥离的可行性。

2.2 结晶(激光)

将光子能量转化为热能的激光-材料相互作用技术，被视为传统炉式热处理的有希望的替代方案。当激光束照射到晶体结构较差的材料时，光子能量主要通过光学吸收被吸收，这使得材料温度升高甚至超过其熔点。熔化的材料开始迅速向周围环境散热，引发连续的结晶动力学，包括成核、晶体生长和晶体结构的形成：i)在不稳定的熔化状态向稳定的晶体状态转变过程中，熔化材料内部形成小的晶体核；ii)熔化材料围绕晶体核逐渐附着，使晶体得以生长。生长速率取决于冷却速率、材料的热属性及其化学组成；iii)随着晶体生长的进行，材料通过从原始的较差晶体结构转变为规则的晶体格子结构，形成更大的晶体。晶体的大小和形状严重依赖于初始成核条件和生长速率，这些可以通过激光参数如光功率、脉冲宽度和扫描速度来控制。

图3. (a)连续波(CW)激光辐照处理的示意图，用于将无机PZT薄膜退火到Metglas箔上；(b)制备好的PZT薄膜和(c)用390 J mm⁻²激光能量密度处理的激光薄膜的明场TEM图像；(d)用于实现柔性钙钛矿太阳能电池的激光基结晶MAPbI3混合薄膜的示意图；(e)激光与钙钛矿MAPbI3相互作用期间相变步骤的图形插图；(f-i)用红外激光退火处理的钙钛矿薄膜的SEM图像，功率密度从0到100 W cm⁻²；(j)通过激光诱导光热相互作用得到的退火钙钛矿薄膜的X射线衍射(XRD)图谱。

2.3 结晶(闪光)

闪光灯由于其快速处理能力、高效的光输出和大规模可加工性而受到了广泛关注。氙气闪光灯诱导的光子退火技术能够使能源材料在毫秒级内快速加热/冷却至结晶温度，从而在不造成明显辐射损伤的情况下促进结晶。

图4. (a)气溶胶沉积过程和使用基于氙闪光灯的IPL热退火处理的结晶处理示意图；(b)不同脉冲时间下制备的薄膜和闪光灯辐照的薄膜的XRD谱图；(c)PZT/Metglas ME复合膜的明场HR-TEM图像；(d)用于纳米晶再结晶和提高磁性能的非晶态Metglas片的整体闪光光子退火过程；(e)裸露Metglas和(f)部分表面纳米晶化的闪光退火片的微观结构特征；顶部，底部插图：分别是每个样品的SEM图像和快速傅里叶变换图案；(g)基于闪光灯的MAPbBr₃钙钛矿薄膜超快再结晶过程的总体示意图。

2.4 烧结(激光)

激光烧结技术在制造纳米结构(例如分层结构和图案化)方面的应用越来越受到关注，这些纳米结构应用于能源器件，如电池、太阳能电池、超级电容器和电催化电极。这些过程允许设计具有高度特定结构的材料，如定制的孔隙率和复杂的几何形状，这对于提高能源系统的性能至关重要。

图5. (a)LLZTO薄膜的CO₂激光烧结示意图；(b)选择性激光烧结和激光脉冲轮廓；(c)泡沫镍上的BCZYSm横截面SEM图像；(d)在ITO涂层PEN基底上生长的TiO₂薄膜的激光束照射示意图；(e)用于天然石材表面上3D多孔Cu电极结构的CuO纳米粒子的激光诱导爆炸性还原和烧结。

2.5 烧结(闪光)

具有广泛光子能量范围的闪光光源可以被各种类型的材料吸收，包括用于烧结和退火的陶瓷、金属和碳纳米材料，这些材料在毫秒级内迅速升温。波长范围的广泛性确保了复合材料的不同组分吸收相关的闪光光波长，从而实现均匀处理并改善材料性能。闪光诱导的对微观结构特征的精确控制使得电子和离子传输路径最优化，显著提高了能源转换和存储应用的性能和可靠性。

图6. (a)硅负极闪光辐照的制造步骤示意图，以及在(b)干燥后、(c)闪光退火和(d)闪光功能化条件下捕获的硅负极的SEM图像；(e)玻璃基板上铜电极闪光辐照的示意图，用于μLED互连；(f)闪光过程中光子烧结的银栅格结构的光学照片；(g)(i)用于透明、柔性能量收集器的AgNW闪光辐照的示意图和3D有限差分时域分析；(ii)PET薄膜上焊接AgNWs的平面视图和SEM图像。

2.6 表面纹理和修饰(激光+闪光)

激光和闪光光源引起的材料表面改性已在太阳能电池、燃料电池、锂离子电池和纳米发电机等能量转换/存储应用中得到报道。通过利用激光或闪光灯发出的强烈、瞬时的光能量，可以实现对选择性表面区域的精确物理移除或纹理化，而不改变目标材料的化学结构。这种光热效应可以用来增强能源材料的属性和能源应用的表面积，从而提高设备的性能和效率。

图7. (a)激光消融纹理的横截面SEM图像；(b)激光纹理化ZnO:Al薄膜的示意图；(c)改性阳极基底的表面粗糙度形态；(d)激光设置示意图，显示了金属卤化物钙钛矿薄膜表面的光栅扫描(左侧)和用于太阳能电池制造的激光抛光薄膜(右侧)；(e)用绿色圆圈表示的激光纹理化Al CCs表面的表面形貌；(f)使用超快激光辐照的PDMS表面图案化示意图(左侧)以及在29和132 mW激光功率下激光辐照的PDMS的SEM图像(右侧)；(g)用于MMTENG的闪光诱导制造过程的示意图。

2.7 碳化(激光+闪光)

激光和闪光诱导的碳化效应已经在电子和能量存储设备应用中得到了广泛探索，成功展示了多种碳基材料，包括碳纤维、碳纳米管、石墨烯和石墨。碳化是将有机材料在受控环境中通过加热转化为碳或含碳残留物的过程，通常以高温和限制氧气供应为特征。这些碳化条件可以通过瞬时光-材料相互作用(LMI)特性高效实现。

图8. (a)激光诱导聚酰亚胺薄膜合成石墨烯的示意图；(b)激光诱导石墨烯图案的SEM图像；(c)使用CO₂激光刻划将松木转换成分层多孔石墨烯的示意图；(d)激光诱导石墨烯在木头上形成图案的光学图像；(e)在椰子和面包等基底上形成的激光诱导石墨烯；(f)整体闪光诱导石墨烯制造过程的示意图。

2.8 化学反应(激光)

激光辐照过程能够在毫秒内将能源材料加热到极高的温度，为光热化学反应(如氧化、还原和掺杂)提供高效、有效和精确策略的巨大潜力。氧化和还原是特定类型的化学反应，专注于物质之间的电子转移。掺杂过程涉及将非常少量的外来元素(杂质原子)添加到现有的块状物质中，允许这些原子扩散到材料的基质中。与合成过程不同，这种方法可以在不显著改变原始材料的基本化学结构框架的情况下，改变材料的电学、光学和电化学性质。

图9. (a)激光刻划石墨烯基电容器(ECs)制造过程的示意图；(b)通过激光诱导的硼掺杂MSCs；(c)通过空间整形飞秒激光策略制造的石墨烯/二氧化锰(MnO₂)微超级电容器；(d)通过激光刻划在铜箔上制造的氮掺杂3D石墨烯电极。

2.9 化学反应(闪光)

闪光灯技术已成为一种简单且可大面积处理的用于开发能源材料和设备方法，这一技术因其能够诱导有益的化学反应(如还原和掺杂)而受到推动。这种技术利用强烈的脉冲闪光在短时期内产生高温，从而实现对材料属性的精确光热化学控制，避免了传统退火方法通常伴随的热降解。这种方法通过激活特定的化学反应和形成新型材料相，提高了能源材料的性能和效率。

图10. (a)由还原氧化石墨烯和聚苯乙烯组成的柔性尼龙薄膜上的闪光诱导交错电极阵列；(b)闪光还原氧化石墨烯纤维的示意图；(c)闪光加热氮掺杂还原氧化石墨烯(FH-NrGO)；(d)通过二维量子点组装的闪光光照射合成包裹二维(2D)材料的铜纳米线；(e)i整体闪光热冲击过程合成单原子催化剂稳定的氮掺杂石墨烯；ii金属-三聚氰胺氧化石墨烯的温度-时间响应。

2.10 合成(激光+闪光)

非平衡光子相互作用特性的激光和闪光诱导技术已被用于合成具有增强功能的新型材料，以用于先进的能量转换和存储应用。基于激光诱导材料合成的合成过程使用大量的反应物来创建完全不同类型的化合物，通过形成新的原子间或原子团间的键来实现，可以根据最终产品所需的数量进行放大。这些技术可以通过精确的空间-时间能量输入来设计物理/化学相互作用和材料结构。通过强烈且瞬时的激光诱导效应，可以启动和控制光-热化学反应，从而合成量子点、金属氧化物和复杂混合物等材料。

图11. (a)在SiO₂/Si基底上激光引导合成二维MoS₂的示意图；(b)激光烧结的碳-氧化钴复合材料的合成过程；(c，d)激光诱导的NiS纳米结构及其EDX元素映射的示意图；(e)双级激光热解反应器的示意图；(f)N-CNTs的传统热解和闪光焦耳加热方法的示意图；(g)有机硅PCP薄膜光热热解的示意图；(h)PB膜的整体PLS过程的示意图；(i)闪光诱导的亚稳态Ag, ZnS:α-In₂S₃量子点一步连续自形成的示意图。

III LMI在能量转换和存储装置中的应用

LMI过程以其瞬时性、空间选择性、多物理性和非平衡光子相互作用特征，对于在多种材料上实现独特的光热和光化学反应至关重要。LMI技术在能量转换和存储领域的广泛应用使各种设备取得了重大进展。这些设备包括能量收集器、传感器、电容器和电池，使LMI技术成为以能量转换和存储为中心的未来电子系统的关键。

3.1 能量收集装置的LMI过程

图12. (a)i 基于LLO的柔性PZT能量收集器的照片；ii 柔性PZT能量收集器开路输出电压测量图；(b)i 捕捉了与柔性、透明AgNWs电极层集成的TSP能量收集系统的照片；ii 书写运动时TSP采集器短路电流响应图；(c)i 位于亥姆霍兹线圈内的MMTENG装置的照片；ii 小鼠自供电光遗传脑刺激实验示意图；(d)i 原始PZT与不同PZT闪光照射条件下在Metglass衬底上观察到的αME值的对比分析图；ii 闪光诱导的PZT/Metglas双层的αME值与先前报道的ME异质结构的比较图；(e)i 详细描述f-TEG设备热电结构的照片和横截面视图；ii 不同ΔT条件下测量的f-TEG输出特性的图表;(f)i 太阳能电池模块的照片; ii 使用原始和各种闪光烧结条件样品的太阳能模块性能的IV曲线图

3.2 机械/磁传感设备的LMI过程

图13. (a)i 用于腕部动脉脉搏无线监测的自供电压电压力传感器示意图；ii 压电压力传感器在正常和加强口腔呼吸时的输出电压信号示意图；(b)i 集成在表带内表面的超薄压电传感器的光学照片；ii Bland-Altman图用于验证WPBPS在测量DBP时的准确性，与35名参与者的振荡式血压计读数进行比较；(c)i 用于哺乳动物耳蜗内声波探测的iPANS的概念示意图；ii iPANS的工作机理；iii 位于硅膜结构上的iPANS的振动位移和随后的压电电压产生示意图；(d)i 照片展示了应用于人手的基于MoS₂的柔性摩擦电触觉传感器阵列；ii 展示了摩擦电触觉传感器在没有MoS₂层以及在不同外部机械力下使用平坦或皱褶MoS₂层时的电压输出信号；(e)i 由磁致伸缩Metglass层与压电PMN-PZT层耦合组成的ME复合磁场传感器示意图；ii 由磁致伸缩metglass层与压电PMN-PZT层耦合组成的ME复合磁场传感器示意图。

3.3 储能装置的LMI过程

图14. (a)i由3×3石基MSC模块阵列供电的LED照片；ii Ragone图比较了本研究中基于石头的MSC模块与先前报道的MSC设备的能源和功率密度；(b)i 自充电柔性陶瓷电容器体系的图片，展示了通过人体手指弯曲来证明其柔性；ii 人体手指弯曲运动下自充电柔性电容器体系的放电能量密度；(c)i 不同闪光能量密度下，真空退火和闪光诱导退火硅f负极在1 A g⁻¹下200次循环稳定性图；ii 在FLA和FLF条件下处理的Si负极的倍率性能图；(d)i 50~500 V s−1扫描速率下LITN基电容器的CV曲线；ii 与商用AEC一起包装的LITN电容器单元的照片；(e)i 结合N-CNTs的组装超级电容器示意图；ii 不同电流密度下氮碳纳米管超级电容器的充放电曲线。

IV 总结

LMI技术在能源转换和存储应用中取得了重大进展，克服了传统微加工和热处理过程的局限性。激光和闪光灯光源已广泛应用于众多LMI中，包括烧结、结晶、剥离、表面改性、碳化、氧化/还原、掺杂和合成，为从电池到自供能电子设备的众多能源设备提供了实用的光热或光化学策略。

然而，先进能源材料和设备的商业化存在几个挑战：(i) 对LMI的广泛理论研究仍然有限，因为LMI具有非平衡光子反应、超快的相互作用时间以及具有高度自由度的LMI参数，导致了在确定最佳LMI时存在多次尝试和错误。可以结合机器学习和人工智能，将多尺度模拟和反馈实验结果的大型数据库合并，以建立一个高效的深入LMI模型。(ii) 应提高光诱导能源设备的性能，以满足对更高效率能源解决方案的日益增长的需求。在这方面，合成具有优越性能的先进材料至关重要，因为它们可以用于新型LMI，如分级烧结、大规模晶体生长和光化学掺杂，以实现高性能能源系统。(iii) 需要提高LMI技术的空间精度和可控性，以实现其高集成能力和均匀性，这使得可以精确设计、制造、互连和封装技术，以展示多功能和可靠的能源应用。还需要提高材料合成和沉积的均匀性，以提高能源系统的生产率。(iv) 最后，需要持续进步，以提高可持续制造的高强度LMI过程的大规模生产能力。为了解决这个问题，可以引入大面积可处理的光源以及光束整形技术，以在不牺牲过程质量和精度的情况下，在广阔的表面上实现所需的光能量密度。

作者简介

Keon Jae Lee
本文通讯作者

韩国科学技术院教授

▍主要研究领域
用于生物，能源和电子的自供电柔性电子系统。

▍个人简介

Keon Jae Lee，韩国科学技术院材料科学与工程系讲座教授。2006年获美国加州大学洛杉矶分校博士学位。在长期致力于生物，能源和电子的自供电柔性电子系统等方面的研究工作。在《Science》、《Nature Materials》、《Advanced Materials》、《ACS Nano》、《Advanced Energy Materials》等期刊发表SCI论文80余篇。申请专利150余项，其中60余项已获得授权。

▍Email：keonlee@kaist.ac.kr

撰稿：《纳微快报(英文)》编辑部

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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