Свет

Автор: Университет Тохоку, 3 июня 2023 г.

Иллюстрация графеновой пленки, в которой с помощью лазерного облучения просверливаются отверстия. Размер атомов углерода преувеличен и отличается от реального размера. Фото: Юки Уэсуги и др.

Researchers at Tohoku University used a femtosecond laser to successfully micro/nanofabricate grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> графеновые пленки, создавая многоточечные отверстия без повреждений и удаляя загрязнения. Этот метод может заменить традиционные, более сложные методы, предлагая потенциальные достижения в исследованиях квантовых материалов и разработке биосенсоров.

Обнаруженный в 2004 году графен произвел революцию в различных научных областях. Он обладает замечательными свойствами, такими как высокая подвижность электронов, механическая прочность и теплопроводность. Много времени и усилий было потрачено на изучение его потенциала как полупроводникового материала следующего поколения, что привело к разработке транзисторов на основе графена, прозрачных электродов и датчиков.

But to render these devices into practical application, it's crucial to have efficient processing techniques that can structure graphene films at micrometer and nanometer scale. Typically, micro/nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> В обработке наноразмерных материалов и производстве устройств используются методы нанолитографии и фокусированных ионных пучков. Однако это создает давние проблемы для лабораторных исследователей из-за необходимости крупномасштабного оборудования, длительного времени производства и сложных операций.

Еще в январе исследователи из Университета Тохоку создали технологию, которая позволяет микро/наноизготовлять тонкие устройства из нитрида кремния толщиной от 5 до 50 нанометров. В этом методе использовался фемтосекундный лазер, который излучал чрезвычайно короткие и быстрые импульсы света. Оказалось, что он способен быстро и удобно обрабатывать тонкие материалы без вакуумной среды.

(а) Схема системы лазерной обработки. (б) Формирование 32 лазерных пятен на графеновой пленке. (в) Изображение графеновой пленки, в которой просверлены многоточечные отверстия. Фото: Юки Уэсуги и др.

Применив этот метод к ультратонкому атомному слою графена, той же группе удалось выполнить многоточечное сверление без повреждения графеновой пленки. Подробности их прорыва были опубликованы в журнале Nano Letters 16 мая 2023 года.

«При правильном контроле входной энергии и количества лазерных импульсов мы смогли выполнить точную обработку и создать отверстия диаметром от 70 нанометров (что намного меньше длины волны лазера в 520 нанометров) до более 1 миллиметра», — говорит Юки Уэсуги. , доцент Института междисциплинарных исследований перспективных материалов Университета Тохоку и соавтор статьи.

Изображение графеновой пленки, обработанной лазером, полученное с помощью сканирующей просвечивающей электронной микроскопии. Черные области обозначают сквозные отверстия. Белые объекты указывают на поверхностные загрязнения. Фото: Юки Уэсуги и др.