石墨烯于 2004 年被發(fā)現(xiàn)，徹底改變了各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域。它具有顯著的性能，如高電子遷移率、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。人們投入了大量的時(shí)間和精力來(lái)探索其作為下一代半導(dǎo)體材料的潛力，從而開(kāi)發(fā)出了基于石墨烯的晶體管、透明電極和傳感器。
但要將這些設(shè)備投入實(shí)際應(yīng)用，擁有能夠在微米和納米尺度上構(gòu)建石墨烯薄膜的高效加工技術(shù)至關(guān)重要。通常，微/納米級(jí)材料加工和設(shè)備制造采用納米光刻和聚焦離子束方法。然而，由于需要大型設(shè)備、制造時(shí)間長(zhǎng)和操作復(fù)雜，這些對(duì)實(shí)驗(yàn)室研究人員構(gòu)成了長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。
回到一月份, 東北大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種技術(shù)，可以制造厚度從 5 到 50 納米不等的氮化硅薄器件。該方法采用飛秒激光，它發(fā)射極短、快速的光脈沖。事實(shí)證明，它能夠在沒(méi)有真空環(huán)境的情況下快速方便地處理薄材料。
通過(guò)將這種方法應(yīng)用于石墨烯的超薄原子層，該小組現(xiàn)已成功地在不損壞石墨烯薄膜的情況下進(jìn)行多點(diǎn)鉆孔。2023 年 5 月 16 日的《Nano Letters》期刊報(bào)道了他們研究結(jié)果。
Yuuki Uesugi （東北大學(xué)先進(jìn)材料多學(xué)科研究所助理教授，該論文的合作者）說(shuō)：“通過(guò)適當(dāng)控制輸入能量和激光發(fā)射次數(shù)，我們能夠執(zhí)行精確加工并制造直徑從 70 納米（遠(yuǎn)小于 520 納米的激光波長(zhǎng)）到超過(guò) 1 毫米的孔。
Uesugi 和他的同事通過(guò)高性能電子顯微鏡仔細(xì)檢查了用低能量激光脈沖照射的區(qū)域，這些區(qū)域沒(méi)有形成孔，Uesugi 和他的同事發(fā)現(xiàn)石墨烯上的污染物也已被去除。進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)直徑小于 10 納米的納米孔和原子級(jí)缺陷，其中石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)中缺少幾個(gè)碳原子。
石墨烯中的原子缺陷既有害又有利，具體取決于應(yīng)用。雖然缺陷有時(shí)會(huì)降低某些屬性，但它們也會(huì)引入新功能或增強(qiáng)特定特性。
“觀察到納米孔和缺陷的密度隨激光發(fā)射的能量和數(shù)量成比例增加的趨勢(shì)使我們得出結(jié)論，可以通過(guò)使用飛秒激光照射來(lái)控制納米孔和缺陷的形成，”Uesugi 補(bǔ)充道。“通過(guò)在石墨烯中形成納米孔和原子級(jí)缺陷，不僅可以控制導(dǎo)電性，還可以控制自旋和谷等量子級(jí)特征。此外，本研究中發(fā)現(xiàn)的飛秒激光照射去除污染物可以開(kāi)發(fā)一種新方法無(wú)損清洗高純度石墨烯。”
展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是建立一種使用激光的清潔技術(shù)，并對(duì)如何進(jìn)行原子缺陷形成進(jìn)行詳細(xì)研究。進(jìn)一步的突破將對(duì)從量子材料研究到生物傳感器開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
