Ostatnio badacze zUniwersytet Tohoku(Japonia) wykorzystali lasery femtosekundowe do skutecznego wytwarzania warstw mikro/nanografenowych, tworzenia wielopunktowych otworów bez uszkodzeń i usuwania zanieczyszczeń. Zespół twierdzi, że technika ta, miejmy nadzieję, zastąpi konwencjonalne, bardziej złożone metody, prowadząc do potencjalnych postępów w badaniach materiałów kwantowych i rozwoju biosensorów.
Grafen został odkryty w 2004 roku i od tego czasu jego destrukcyjny wpływ wpłynął na różne dziedziny nauki. Ma niezwykłe właściwości, takie jak wysoka ruchliwość elektronów, wytrzymałość mechaniczna i przewodność cieplna. Do tej pory branża zainwestowała dużo czasu i wysiłku w zbadanie potencjału grafenu jako materiału półprzewodnikowego nowej generacji, co doprowadziło do opracowania opartych na grafenie tranzystorów, przezroczystych elektrod i czujników.
Jednak kluczem do udostępnienia tych urządzeń do praktycznych zastosowań jest efektywna technologia przetwarzania, co oznacza również, że warstwy grafenu można konstruować w skali mikro i nano. Zazwyczaj metody nanolitografii i zogniskowanej wiązki jonów są wykorzystywane do przetwarzania materiałów w mikro/nanoskali i wytwarzania urządzeń. Jednak zapotrzebowanie na duży sprzęt, długi czas produkcji i złożone operacje stanowią długoterminowe wyzwania dla badaczy laboratoryjnych.
W styczniu naukowcy z Uniwersytetu Tohoku w Japonii wynaleźli technikę, która umożliwia mikro/nanoprodukcję cienkich urządzeń z azotku krzemu o grubości od 5 do 50 nanometrów. Metoda wykorzystuje Alaser femtosekundowyktóry emituje bardzo krótkie, bardzo szybkie impulsy światła. Udowodniono, że jest w stanie szybko i łatwo przetwarzać cienkie materiały bez środowiska próżniowego.
Stosując tę metodę do ultracienkich warstw atomowych grafenu, ta sama grupa badawcza z powodzeniem wykonała teraz wielopunktowe wiercenie bez uszkadzania warstwy grafenu. Ich sukces dzięki temu przełomowi został opublikowany w numerze Nano Letters z 16 maja 2023 r.
Yuuki Uesugi, adiunkt w Multidyscyplinarnym Instytucie Badań Materiałów Zaawansowanych na Uniwersytecie Tohoku w Japonii i współautor artykułu, powiedział: tworzyć dziury o średnicach od 70 nm do ponad 1 mm, czyli znacznie mniej niż długość fali lasera 520 nm”.
Po dokładniejszym zbadaniu obszaru napromieniowanego niskoenergetycznym impulsem laserowym przez wysokowydajny mikroskop elektronowy, Uesugi i jego współpracownicy odkryli, że zanieczyszczenia zostały również usunięte z grafenu. Dalsze obserwacje w powiększeniu ujawniły nanopory o średnicy mniejszej niż 10 nm i defekty na poziomie atomowym w strukturze krystalicznej grafenu, w której brakowało kilku atomów węgla.
W zależności od zastosowania defekty atomowe w grafenie mają zarówno szkodliwe, jak i korzystne strony. Chociaż defekty mogą czasami pogarszać niektóre właściwości, mogą również wprowadzać nowe funkcje lub poprawiać określone właściwości.
Uesugi dodał: „Zaobserwowaliśmy tendencję do zwiększania się gęstości nanoporów i defektów proporcjonalnie do energii i liczby napromieniowań laserowych i doszliśmy do wniosku, że – powstawanie nanoporów i defektów można kontrolować za pomocą femtosekundowego napromieniowania laserowego”. „Tworząc nanopory i defekty na poziomie atomowym w grafenie, możliwe jest kontrolowanie nie tylko przewodności, ale także właściwości na poziomie kwantowym, takich jak spin i dolina. Ponadto femtosekundowe usuwanie zanieczyszczeń laserem znalezione w tych badaniach może doprowadzić do rozwoju nowej metody nieniszczącego czyszczenia wypłukanego grafenu o wysokiej czystości”.
Wybiegając w przyszłość, zespół zamierza opracować technikę czyszczenia przy użyciu laserów i przeprowadzić szczegółowe badania nad sposobem tworzenia defektów atomowych. Dalsze przełomy będą miały znaczący wpływ na różne obszary, od badań nad materiałami kwantowymi po rozwój bioczujników.
