Nyligen har forskare vidTohoku universitet(Japan) har använt femtosekundlasrar för att framgångsrikt tillverka mikro/nanografenfilmer, skapa flerpunktshål utan skador och ta bort föroreningar. Teamet säger att tekniken förhoppningsvis kommer att ersätta konventionella, mer komplexa metoder, vilket leder till potentiella framsteg inom kvantmaterialforskning och biosensorutveckling.
Grafen upptäcktes 2004, och dess störande inverkan har sedan dess påverkat olika vetenskapliga områden. Den har anmärkningsvärda egenskaper som hög elektronrörlighet, mekanisk styrka och värmeledningsförmåga. Hittills har industrin investerat betydande tid och ansträngningar för att utforska potentialen för grafen som nästa generations halvledarmaterial, vilket leder till utvecklingen av grafenbaserade transistorer, transparenta elektroder och sensorer.
Nyckeln till att göra dessa enheter tillgängliga för praktiska tillämpningar är dock effektiv bearbetningsteknik, vilket också innebär att grafenfilmer kan konstrueras i mikro- och nanoskala. Vanligtvis används nanolitografi och fokuserade jonstrålemetoder för materialbearbetning i mikro/nanoskala och tillverkning av enheter. Behovet av stor utrustning, långa tillverkningstider och komplexa operationer innebär dock långsiktiga utmaningar för laboratorieforskare.
Redan i januari uppfann forskare vid Tohoku University i Japan en teknik som möjliggör mikro/nanofabrikation av tunna kiselnitridenheter med tjocklekar mellan 5 och 50 nanometer. Metoden använder enfemtosekundlasersom avger mycket korta, mycket snabba ljuspulser. Den har visat sig kunna bearbeta tunna material snabbt och enkelt utan vakuummiljö.
Genom att tillämpa denna metod på de ultratunna atomskikten av grafen har samma forskargrupp nu framgångsrikt utfört flerpunktsborrning utan att skada grafenfilmen. Deras framgång med detta genombrott har publicerats i numret av Nano Letters den 16 maj 2023.
Yuuki Uesugi, biträdande professor vid Multidisciplinary Research Institute for Advanced Materials vid Tohoku University i Japan och medförfattare till artikeln, sa: "Genom att korrekt kontrollera ingångsenergin och antalet laserutgångar kunde vi utföra exakt bearbetning och skapa hål med diametrar från 70 nm till mer än 1 mm, vilket är mycket mindre än laservåglängden på 520 nm."
Efter en närmare undersökning av området som bestrålats av lågenergilaserpulsen genom ett högpresterande elektronmikroskop fann Uesugi och hans kollegor att föroreningar också avlägsnades från grafenet. Ytterligare förstorade observationer avslöjade nanoporer mindre än 10 nm i diameter och defekter på atomnivå i grafenets kristallstruktur, där flera kolatomer hade saknats.
Beroende på applikationen har atomära defekter i grafen både skadliga och fördelaktiga sidor. Även om defekter ibland kan försämra vissa egenskaper, kan de också introducera nya funktioner eller förbättra specifika egenskaper.
Uesugi tillade, "Vi observerade en tendens för tätheten av nanoporer och defekter att öka proportionellt med energin och antalet laserbestrålningar och drog slutsatsen att - bildandet av nanoporer och defekter kan kontrolleras genom att använda femtosekundlaserbestrålning." "Genom att bilda nanoporer och defekter på atomnivå i grafen är det möjligt att kontrollera inte bara ledningsförmåga utan även egenskaper på kvantnivå som spin och dal. Dessutom kan femtosekundlaserborttagningen av föroreningar som finns i denna forskning leda till utvecklingen av en ny metod för oförstörande rengöring av tvättad grafen med hög renhet."
När vi ser framåt strävar teamet efter att etablera en rengöringsteknik med laser och att genomföra detaljerade studier om hur man utför atomär defektbildning. Ytterligare genombrott kommer att ha en betydande inverkan på områden som sträcker sig från kvantmaterialforskning till utveckling av biosensorer.
