Äskettäin tutkijat kloTohokun yliopisto(Japani) ovat käyttäneet femtosekuntilasereita menestyksekkäästi mikro-/nanografeenikalvojen valmistamiseen, luoden monipistereikiä vahingoittumatta ja poistaen epäpuhtauksia. Tiimi sanoo, että tekniikka toivottavasti korvaa perinteiset, monimutkaisemmat menetelmät, mikä johtaa mahdollisiin edistysaskeliin kvanttimateriaalien tutkimuksessa ja biosensorien kehityksessä.
Grafeeni löydettiin vuonna 2004, ja sen häiritsevä vaikutus on sittemmin vaikuttanut useille tieteenaloille. Sillä on merkittäviä ominaisuuksia, kuten korkea elektronien liikkuvuus, mekaaninen lujuus ja lämmönjohtavuus. Tähän mennessä teollisuus on investoinut paljon aikaa ja vaivaa tutkiakseen grafeenin mahdollisuuksia seuraavan sukupolven puolijohdemateriaalina, mikä on johtanut grafeenipohjaisten transistorien, läpinäkyvien elektrodien ja antureiden kehittämiseen.
Avain näiden laitteiden saataville käytännön sovelluksiin on kuitenkin tehokas prosessointitekniikka, mikä tarkoittaa myös sitä, että grafeenikalvoja voidaan rakentaa mikro- ja nanomittakaavassa. Tyypillisesti nanolitografiaa ja fokusoituja ionisuihkumenetelmiä käytetään mikro-/nanomittakaavan materiaalin käsittelyyn ja laitevalmistukseen. Suuren laitteiston tarve, pitkät valmistusajat ja monimutkaiset toiminnot asettavat kuitenkin pitkän aikavälin haasteita laboratoriotutkijoille.
Tammikuussa Japanin Tohoku-yliopiston tutkijat keksivät tekniikan, joka mahdollistaa ohuiden piinitridilaitteiden, joiden paksuus on 5-50 nanometriä, mikro-/nanovalmistuksen. Menetelmässä käytetään afemtosekunnin laserjoka lähettää hyvin lyhyitä, erittäin nopeita valopulsseja. Se on osoittautunut kykeneväksi käsittelemään ohuita materiaaleja nopeasti ja helposti ilman tyhjiöympäristöä.
Soveltamalla tätä menetelmää grafeenin ultraohuisiin atomikerroksiin, sama tutkimusryhmä on nyt onnistuneesti suorittanut monipisteporauksen vahingoittamatta grafeenikalvoa. Heidän menestyksensä tämän läpimurron avulla on julkaistu Nano Lettersin 16. toukokuuta 2023 ilmestyvässä numerossa.
Yuuki Uesugi, Japanin Tohoku-yliopiston edistyneiden materiaalien monitieteisen tutkimuslaitoksen apulaisprofessori ja julkaisun toinen kirjoittaja, sanoi: "Säätämällä syöttöenergiaa ja laserlähtöjen määrää oikein pystyimme suorittamaan tarkan käsittelyn ja luoda reikiä, joiden halkaisija vaihtelee 70 nm:stä yli 1 mm:iin, mikä on paljon pienempi kuin 520 nm:n laseraallonpituus."
Tutkittuaan lähemmin matalaenergisen laserpulssin säteilyttämää aluetta tehokkaan elektronimikroskoopin läpi Uesugi ja hänen kollegansa havaitsivat, että myös epäpuhtaudet poistuivat grafeenista. Lisäsuurennetut havainnot paljastivat halkaisijaltaan alle 10 nm:n nanohuokosia ja atomitason vikoja grafeenin kiderakenteessa, joista useita hiiliatomeja oli puuttunut.
Sovelluksesta riippuen grafeenin atomivirheillä on sekä haitallisia että hyödyllisiä puolia. Vaikka viat voivat joskus heikentää tiettyjä ominaisuuksia, ne voivat myös tuoda uusia toimintoja tai parantaa tiettyjä ominaisuuksia.
Uesugi lisäsi: "Havaitsimme taipumusta nanohuokosten ja vikojen tiheyteen kasvaa suhteessa lasersäteilyn energiaan ja lukumäärään ja päättelimme, että - nanohuokosten ja vikojen muodostumista voidaan hallita käyttämällä femtosekuntia lasersäteilyä." "Muodostamalla grafeeniin nanohuokosia ja atomitason vikoja on mahdollista hallita johtavuuden lisäksi myös kvanttitason ominaisuuksia, kuten spiniä ja laaksoa. Lisäksi tässä tutkimuksessa löydetty kontaminanttien femtosekunnin laserpoisto voi johtaa kehitykseen. uudesta menetelmästä pestyn erittäin puhtaan grafeenin tuhoamattomaan puhdistamiseen."
Tulevaisuudessa tiimi pyrkii kehittämään laseria käyttävän puhdistustekniikan ja tekemään yksityiskohtaisia tutkimuksia atomivikojen muodostusta varten. Uusilla läpimurroilla on merkittävä vaikutus alueille kvanttimateriaalitutkimuksesta biosensorien kehittämiseen.
