Нещодавно дослідники вУніверситет Тохоку(Японія) використовували фемтосекундні лазери для успішного виготовлення мікро/нанографенових плівок, створюючи багатоточкові отвори без пошкоджень і видаляючи забруднення. Команда каже, що ця техніка, сподіваємося, замінить звичайні, більш складні методи, що призведе до потенційного прогресу в дослідженні квантових матеріалів і розробці біосенсорів.
Графен був відкритий у 2004 році, і його руйнівний вплив відтоді вплинув на різні галузі науки. Він має такі чудові властивості, як висока рухливість електронів, механічна міцність і теплопровідність. На сьогоднішній день індустрія вклала багато часу та зусиль у дослідження потенціалу графену як напівпровідникового матеріалу наступного покоління, що призвело до розробки транзисторів на основі графену, прозорих електродів і датчиків.
Однак ключем до того, щоб зробити ці пристрої доступними для практичного застосування, є ефективна технологія обробки, яка також означає, що графенові плівки можна створювати в мікро- та наномасштабі. Як правило, нанолітографія та методи сфокусованого іонного променя використовуються для обробки мікро/нанорозмірних матеріалів і виготовлення пристроїв. Однак потреба у великому обладнанні, тривалий час виготовлення та складні операції створюють довгострокові проблеми для лабораторних дослідників.
Ще в січні дослідники з Університету Тохоку в Японії винайшли техніку, яка дозволяє мікро/нанофабрикати тонких пристроїв з нітриду кремнію товщиною від 5 до 50 нанометрів. Метод використовує aфемтосекундний лазерякий випромінює дуже короткі, дуже швидкі імпульси світла. Доведено, що він здатний швидко й легко обробляти тонкі матеріали без використання вакууму.
Застосувавши цей метод до надтонких атомних шарів графену, та ж дослідницька група успішно виконала багатоточкове свердління без пошкодження графенової плівки. Про їхні успіхи в цьому прориві було опубліковано у випуску Nano Letters за 16 травня 2023 року.
Юкі Уесугі, доцент Багатопрофільного науково-дослідного інституту передових матеріалів Університету Тохоку в Японії та співавтор статті, сказав: «Належним чином контролюючи вхідну енергію та кількість лазерних виходів, ми змогли виконати точну обробку та створювати отвори з діаметром від 70 нм до понад 1 мм, що набагато менше, ніж довжина хвилі лазера 520 нм».
Після більш детального дослідження ділянки, опромінюваної низькоенергетичним лазерним імпульсом за допомогою високопродуктивного електронного мікроскопа, Уесугі та його колеги виявили, що забруднення також були видалені з графену. Подальші збільшені спостереження виявили нанопори діаметром менше 10 нм і дефекти на атомному рівні в кристалічній структурі графену, де були відсутні кілька атомів вуглецю.
Залежно від застосування, атомні дефекти в графені мають як шкідливі, так і корисні сторони. Хоча дефекти можуть іноді погіршувати певні властивості, вони також можуть вводити нові функції або покращувати певні властивості.
Уесугі додав: «Ми спостерігали тенденцію до збільшення щільності нанопор і дефектів пропорційно енергії та кількості лазерних випромінювань і дійшли висновку, що утворенням нанопор і дефектів можна керувати за допомогою фемтосекундного лазерного випромінювання». «Шляхом формування нанопор і дефектів на атомному рівні в графені можна контролювати не тільки провідність, але й властивості квантового рівня, такі як спін і долина. Крім того, фемтосекундне лазерне видалення забруднень, знайдене в цьому дослідженні, може призвести до розробки нового методу неруйнівного очищення промитого графену високої чистоти».
Заглядаючи вперед, команда має на меті розробити методику очищення за допомогою лазерів і провести детальні дослідження способів утворення атомних дефектів. Подальші прориви матимуть значний вплив на різні сфери: від дослідження квантових матеріалів до розробки біосенсорів.
