電気化学センシングのためのレーザー挿入グラフェン（LIG）電極のバッチからバッチへの変動

レーザー登録グラフェン（LIG）は、マイクロエレクトロニクスアプリケーションの新たな材料であり、スーパーキャパシター、ソフトアクチュエーター、トリビエレクトリックジェネレーター、およびセンサーの開発に使用されています。製造技術はシンプルですが、LIG品質のバッチからバッチまでのバリエーションは文献では十分に文書化されていません。この研究では、電気化学センシングの用途向けのLIG電極の製造におけるバッチ間変動を特徴付ける実験を実施します。ポリイミドフィルム上のCO2レーザーシステムを使用して、36のLIG電極の多数のバッチが合成されました。LIG材料は、生殖腺測定、立体顕微鏡、開回路増強測定、および環状ボルタンメトリーを使用して特徴付けられました。疎水性と電気化学スクリーニング（周期的なボルタンメトリー）は、商業的参照電極とカウンター電極を使用する場合、LIG電極バッチからバッチへの変動が5％未満であることを示しています。LIGのメタ化は、ピーク電流と比容量（陽極/陰極曲線の間の面積）の大幅な増加をもたらしました。ただし、バッチからバッチへの変動は約30％に増加しました。ガルバノスタティックと周波数変調電極を含む、2つの異なるプラチナ電極技術が研究されました。この研究では、高分子電流とピーク電流を持つ金属化LIG電極の形成が、高いバッチの変動性を犠牲にして生じる可能性があることを示しています。この設計トレードオフは文献では議論されておらず、大量使用のためのスケーリングセンサー設計が望まれる場合に重要な考慮事項です。この研究は、LIGセンサーのスケーラブルな開発のためのLIG材料特性の変動に関する重要な洞察を提供します。この変動の基礎となるメカニズムを理解するには、品質管理を改善するために再現性を改善するための戦略を開発するために追加の研究が必要です。この調査のデータセットは、オープンアクセスリポジトリから入手できます。

Laser-inscribed graphene (LIG) is an emerging material for micro-electronic applications and is being used to develop supercapacitors, soft actuators, triboelectric generators, and sensors. The fabrication technique is simple, yet the batch-to-batch variation of LIG quality is not well documented in the literature. In this study, we conduct experiments to characterize batch-to-batch variation in the manufacturing of LIG electrodes for applications in electrochemical sensing. Numerous batches of 36 LIG electrodes were synthesized using a CO2 laser system on polyimide film. The LIG material was characterized using goniometry, stereomicroscopy, open circuit potentiometry, and cyclic voltammetry. Hydrophobicity and electrochemical screening (cyclic voltammetry) indicate that LIG electrode batch-to-batch variation is less than 5% when using a commercial reference and counter electrode. Metallization of LIG led to a significant increase in peak current and specific capacitance (area between anodic/cathodic curve). However, batch-to-batch variation increased to approximately 30%. Two different platinum electrodeposition techniques were studied, including galvanostatic and frequency-modulated electrodeposition. The study shows that formation of metallized LIG electrodes with high specific capacitance and peak current may come at the expense of high batch variability. This design tradeoff has not been discussed in the literature and is an important consideration if scaling sensor designs for mass use is desired. This study provides important insight into the variation of LIG material properties for scalable development of LIG sensors. Additional studies are needed to understand the underlying mechanism(s) of this variability so that strategies to improve the repeatability may be developed for improving quality control. The dataset from this study is available via an open access repository.