石墨烯于 2004 年被發(fā)現(xiàn)，徹底改變了各個科學領域。它具有顯著的性能，如高電子遷移率、機械強度和導熱性。人們投入了大量的時間和精力來探索其作為下一代半導體材料的潛力，從而開發(fā)出了基于石墨烯的晶體管、透明電極和傳感器。
但要將這些設備投入實際應用，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至關重要。通常，微/納米級材料加工和設備制造采用納米光刻和聚焦離子束方法。然而，由于需要大型設備、制造時間長和操作復雜，這些對實驗室研究人員構(gòu)成了長期挑戰(zhàn)。
回到一月份, 東北大學的研究人員創(chuàng)造了一種技術，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。事實證明，它能夠在沒有真空環(huán)境的情況下快速方便地處理薄材料。
通過將這種方法應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行多點鉆孔。2023 年 5 月 16 日的《Nano Letters》期刊報道了他們研究結(jié)果。
Yuuki Uesugi （東北大學先進材料多學科研究所助理教授，該論文的合作者）說：“通過適當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（遠小于 520 納米的激光波長）到超過 1 毫米的孔。
Uesugi 和他的同事通過高性能電子顯微鏡仔細檢查了用低能量激光脈沖照射的區(qū)域，這些區(qū)域沒有形成孔，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缺陷，其中石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)中缺少幾個碳原子。
石墨烯中的原子缺陷既有害又有利，具體取決于應用。雖然缺陷有時會降低某些屬性，但它們也會引入新功能或增強特定特性。
“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使我們得出結(jié)論，可以通過使用飛秒激光照射來控制納米孔和缺陷的形成，”Uesugi 補充道。“通過在石墨烯中形成納米孔和原子級缺陷，不僅可以控制導電性，還可以控制自旋和谷等量子級特征。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發(fā)一種新方法無損清洗高純度石墨烯。”
展望未來，該團隊的目標是建立一種使用激光的清潔技術，并對如何進行原子缺陷形成進行詳細研究。進一步的突破將對從量子材料研究到生物傳感器開發(fā)等領域產(chǎn)生重大影響。
摘自《The Graphene Council》網(wǎng)站
