Team demonstreert met succes lasergeïnduceerde monolaag grafeen nanoprocessing

Grafeen, ontdekt in 2004, heeft een revolutie teweeggebracht in verschillende wetenschappelijke gebieden. Het bezit opmerkelijke eigenschappen zoals hoge elektronenmobiliteit, mechanische sterkte en thermische geleidbaarheid. Er is veel tijd en moeite geïnvesteerd in het verkennen van het potentieel ervan als halfgeleidermateriaal van de volgende generatie, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde transistors, transparante elektroden en sensoren.

Maar om deze apparaten in praktische toepassing te brengen, is het cruciaal om efficiënte verwerkingstechnieken te hebben die grafeenfilms op micrometer- en nanometerschaal kunnen structureren. Doorgaans maken materiaalverwerking op micro-/nanoschaal en de fabricage van apparaten gebruik van nanolithografie en gefocusseerde ionenbundelmethoden. Deze vormen echter al lang een uitdaging voor laboratoriumonderzoekers vanwege hun behoefte aan grootschalige apparatuur, lange productietijden en complexe operaties.

In januari 2023, Tohoku University-onderzoekers creëerden een techniek die siliciumnitride-apparaten met een dikte van vijf tot 50 nanometer kon micro- / nanofabriceren. De methode maakte gebruik van een femtosecondelaser, die extreem korte, snelle lichtpulsen uitzond. Het bleek in staat om snel en gemakkelijk dunne materialen te verwerken zonder vacuümomgeving.

Door deze methode toe te passen op een ultradunne atomaire laag grafeen, is dezelfde groep er nu in geslaagd om meerpuntsgaten te boren zonder de grafeenfilm te beschadigen. Details van hun doorbraak werden gerapporteerd in het tijdschrift Nano-brieven op 16 mei 2023.

“Met de juiste controle van de invoerenergie en het aantal laserschoten, waren we in staat om nauwkeurige bewerkingen uit te voeren en gaten te maken met diameters variërend van 70 nanometer (veel kleiner dan de lasergolflengte van 520 nanometer) tot meer dan een millimeter”, zegt Yuuki Uesugi , assistent-professor aan het Instituut voor Multidisciplinair Onderzoek voor Geavanceerde Materialen van Tohoku University en co-auteur van het artikel.

Bij nader onderzoek van de gebieden die werden bestraald met laserpulsen met lage energie, die geen gaten maakten, via een krachtige elektronenmicroscoop, ontdekten Uesugi en zijn collega’s dat verontreinigingen op het grafeen ook waren verwijderd. Verdere vergrote observatie onthulde nanoporiën met een diameter van minder dan 10 nanometer en defecten op atomair niveau, waar verschillende koolstofatomen ontbraken in de kristalstructuren van het grafeen.

Atoomdefecten in grafeen zijn zowel schadelijk als voordelig, afhankelijk van de toepassing. Hoewel defecten soms bepaalde eigenschappen naar beneden halen, introduceren ze ook nieuwe functionaliteiten of versterken ze specifieke kenmerken.

“Het observeren van een tendens voor de dichtheid van nanoporiën en defecten om proportioneel toe te nemen met de energie en het aantal laserschoten, leidde ons tot de conclusie dat de vorming van nanoporiën en defecten kon worden gemanipuleerd door een femtoseconde laserbestraling te gebruiken”, voegt Uesugi toe.

“Door nanoporiën en defecten op atomair niveau in grafeen te vormen, kan niet alleen de elektrische geleidbaarheid worden gecontroleerd, maar ook eigenschappen op kwantumniveau, zoals spin en dal. Bovendien zou de verwijdering van verontreinigingen door femtoseconde laserbestraling die in dit onderzoek is gevonden, een nieuwe methode kunnen ontwikkelen voor niet-destructief en schoon wassen van zeer zuiver grafeen.”

Vooruitkijkend, wil het team een ​​reinigingstechniek ontwikkelen met behulp van de laser en een gedetailleerd onderzoek uitvoeren naar hoe atoomdefectvorming kan worden uitgevoerd. Verdere doorbraken zullen een grote impact hebben op gebieden van onderzoek naar kwantummaterialen tot de ontwikkeling van biosensoren.