Nedávno výzkumníci naUniverzita Tohoku(Japonsko) použili femtosekundové lasery k úspěšné výrobě mikro/nanografenových filmů, vytvářejících vícebodové otvory bez poškození a odstraňování kontaminantů. Tým říká, že tato technika doufejme nahradí konvenční, složitější metody, což povede k potenciálnímu pokroku ve výzkumu kvantových materiálů a vývoji biosenzorů.
Grafen byl objeven v roce 2004 a jeho rušivý dopad od té doby ovlivnil různé vědecké oblasti. Má pozoruhodné vlastnosti, jako je vysoká mobilita elektronů, mechanická pevnost a tepelná vodivost. K dnešnímu dni průmysl investoval značný čas a úsilí do prozkoumání potenciálu grafenu jako polovodičového materiálu nové generace, což vedlo k vývoji tranzistorů na bázi grafenu, transparentních elektrod a senzorů.
Klíčem ke zpřístupnění těchto zařízení pro praktické aplikace je však efektivní technologie zpracování, což také znamená, že grafenové filmy lze konstruovat v mikro- a nanoměřítku. Typicky se pro zpracování materiálů v mikro/nanoměřítku a výrobu zařízení používají metody nanolitografie a fokusovaného iontového paprsku. Potřeba velkého vybavení, dlouhé výrobní časy a složité operace však představují pro laboratorní výzkumníky dlouhodobé výzvy.
V lednu vynalezli vědci z Tohoku University v Japonsku techniku, která umožňuje mikro/nanovýrobu tenkých zařízení z nitridu křemíku o tloušťkách mezi 5 a 50 nanometry. Metoda využívá afemtosekundový laserkterý vysílá velmi krátké, velmi rychlé pulsy světla. Prokázala schopnost zpracovávat tenké materiály rychle a snadno bez vakuového prostředí.
Aplikací této metody na ultratenké atomové vrstvy grafenu nyní stejná výzkumná skupina úspěšně provedla vícebodové vrtání bez poškození grafenového filmu. Jejich úspěch s tímto průlomem byl zveřejněn ve vydání Nano Letters z 16. května 2023.
Yuuki Uesugi, odborný asistent na Multidisciplinárním výzkumném institutu pro pokročilé materiály na Tohoku University v Japonsku a spoluautor článku, řekl: „Správným řízením vstupní energie a počtu laserových výstupů jsme byli schopni provádět přesné zpracování a vytvořte otvory o průměru od 70 nm do více než 1 mm, což je mnohem menší než vlnová délka laseru 520 nm."
Po bližším prozkoumání oblasti ozařované nízkoenergetickým laserovým pulzem pomocí vysoce výkonného elektronového mikroskopu Uesugi a jeho kolegové zjistili, že z grafenu byly odstraněny i nečistoty. Další zvětšená pozorování odhalila nanopóry o průměru menším než 10 nm a defekty na atomové úrovni v krystalové struktuře grafenu, kde chybělo několik atomů uhlíku.
V závislosti na aplikaci mají atomové defekty v grafenu škodlivé i prospěšné stránky. Zatímco defekty mohou někdy zhoršit určité vlastnosti, mohou také zavést nové funkce nebo zlepšit specifické vlastnosti.
Uesugi dodal: "Pozorovali jsme tendenci hustoty nanopórů a defektů vzrůstat úměrně s energií a počtem laserových ozařování a došli jsme k závěru, že - tvorba nanopórů a defektů může být řízena pomocí ozařování femtosekundovým laserem." "Tvorbou nanopórů a defektů na atomové úrovni v grafenu je možné řídit nejen vodivost, ale také vlastnosti na kvantové úrovni, jako je spin a údolí. Kromě toho odstranění kontaminantů nalezených v tomto výzkumu femtosekundovým laserem by mohlo vést k vývoji nové metody nedestruktivního čištění promytého vysoce čistého grafenu."
Do budoucna je cílem týmu zavést techniku čištění pomocí laserů a provést podrobné studie o tom, jak provádět tvorbu atomových defektů. Další průlomy budou mít významný dopad na oblasti od výzkumu kvantových materiálů až po vývoj biosenzorů.
