Наскоро изследователи отУниверситет Тохоку(Япония) са използвали фемтосекундни лазери за успешно производство на микро/нанографенови филми, създавайки многоточкови дупки без повреди и премахвайки замърсители. Екипът казва, че се надяваме, че техниката ще замени конвенционалните, по-сложни методи, което ще доведе до потенциален напредък в изследванията на квантовите материали и разработването на биосензори.
Графенът е открит през 2004 г. и оттогава неговото разрушително въздействие е повлияло на различни научни области. Той има забележителни свойства като висока подвижност на електрони, механична якост и топлопроводимост. Към днешна дата индустрията е инвестирала значително време и усилия, за да проучи потенциала на графена като полупроводников материал от следващо поколение, което води до разработването на базирани на графен транзистори, прозрачни електроди и сензори.
Въпреки това, ключът към предоставянето на тези устройства за практически приложения е ефективната технология за обработка, което също означава, че графеновите филми могат да бъдат конструирани в микро- и наномащаб. Обикновено методите на нанолитография и фокусиран йонен лъч се използват за микро/наномащабна обработка на материали и производство на устройства. Въпреки това необходимостта от голямо оборудване, дългите времена за производство и сложните операции поставят дългосрочни предизвикателства за лабораторните изследователи.
Още през януари изследователи от университета Тохоку в Япония изобретиха техника, която позволява микро/нанопроизводство на тънки устройства от силициев нитрид с дебелина между 5 и 50 нанометра. Методът използва aфемтосекунден лазеркойто излъчва много кратки, много бързи светлинни импулси. Доказано е, че може да обработва тънки материали бързо и лесно без вакуумна среда.
Чрез прилагането на този метод към ултратънките атомни слоеве на графена, същата изследователска група вече успешно извърши многоточково пробиване, без да повреди графеновия филм. Техният успех с този пробив е публикуван в броя на Nano Letters от 16 май 2023 г.
Юуки Уесуги, асистент в Мултидисциплинарния изследователски институт за съвременни материали към университета Тохоку в Япония и съавтор на статията, каза: „Чрез правилно контролиране на входящата енергия и броя на лазерните изходи, успяхме да извършим прецизна обработка и създават дупки с диаметри, вариращи от 70 nm до повече от 1 mm, което е много по-малко от 520 nm дължина на вълната на лазера.
След по-внимателно изследване на зоната, облъчена от нискоенергийния лазерен импулс чрез високоефективен електронен микроскоп, Уесуги и колегите му установиха, че замърсителите също са отстранени от графена. По-нататъшни увеличени наблюдения разкриват нанопори с диаметър по-малък от 10 nm и дефекти на атомно ниво в кристалната структура на графена, където липсват няколко въглеродни атома.
В зависимост от приложението, атомните дефекти в графена имат както вредни, така и полезни страни. Докато дефектите понякога могат да влошат определени свойства, те могат също да въведат нови функции или да подобрят специфични свойства.
Уесуги добави: „Наблюдавахме тенденция за увеличаване на плътността на нанопорите и дефектите пропорционално на енергията и броя на лазерните облъчвания и заключихме, че - образуването на нанопори и дефекти може да се контролира чрез използване на фемтосекундно лазерно облъчване.“ „Чрез образуването на нанопори и дефекти на атомно ниво в графена е възможно да се контролира не само проводимостта, но и свойствата на квантово ниво като въртене и долина. В допълнение, фемтосекундното лазерно отстраняване на замърсители, открити в това изследване, може да доведе до развитие на нов метод за безразрушително почистване на измит графен с висока чистота."
Гледайки напред, екипът има за цел да създаде техника за почистване с помощта на лазери и да проведе подробни проучвания за това как да се извърши образуването на атомни дефекти. По-нататъшни пробиви ще имат значително въздействие върху области, вариращи от изследване на квантовите материали до разработване на биосензори.
