Luz

Por Universidad de Tohoku 3 de junio de 2023

Ilustración de una película de grafeno perforada por irradiación láser. El tamaño de los átomos de carbono es exagerado y difiere del tamaño real. Crédito: Yuuki Uesugi et al.

Researchers at Tohoku University used a femtosecond laser to successfully micro/nanofabricate grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> películas de grafeno, creando orificios multipunto sin daños y eliminando contaminantes. La técnica podría reemplazar los métodos tradicionales más complejos y ofrecer avances potenciales en la investigación de materiales cuánticos y el desarrollo de biosensores.

Descubierto en 2004, el grafeno ha revolucionado varios campos científicos. Posee propiedades notables como alta movilidad de electrones, resistencia mecánica y conductividad térmica. Se ha invertido mucho tiempo y esfuerzo en explorar su potencial como material semiconductor de próxima generación, lo que ha llevado al desarrollo de transistores, electrodos transparentes y sensores basados ​​en grafeno.

But to render these devices into practical application, it's crucial to have efficient processing techniques that can structure graphene films at micrometer and nanometer scale. Typically, micro/nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> El procesamiento de materiales a nanoescala y la fabricación de dispositivos emplean nanolitografía y métodos de haz de iones enfocados. Sin embargo, estos han planteado desafíos de larga data para los investigadores de laboratorio debido a su necesidad de equipos a gran escala, largos tiempos de fabricación y operaciones complejas.

En enero, los investigadores de la Universidad de Tohoku crearon una técnica que podía micro/nanofabricar dispositivos delgados de nitruro de silicio con espesores que oscilaban entre 5 y 50 nanómetros. El método empleaba un láser de femtosegundo, que emitía pulsos de luz extremadamente cortos y rápidos. Resultó ser capaz de procesar rápida y convenientemente materiales delgados sin un entorno de vacío.

(a) Esquema del sistema de procesamiento láser. (b) Formación de 32 puntos láser en la película de grafeno. (c) Imagen de una película de grafeno perforada en varios puntos. Crédito: Yuuki Uesugi et al.

Al aplicar este método a una capa atómica ultrafina de grafeno, el mismo grupo ahora ha logrado realizar una perforación de múltiples puntos sin dañar la película de grafeno. Los detalles de su avance se informaron en la revista Nano Letters el 16 de mayo de 2023.

"Con el control adecuado de la energía de entrada y la cantidad de disparos del láser, pudimos ejecutar un mecanizado preciso y crear orificios con diámetros que van desde los 70 nanómetros, mucho más pequeños que la longitud de onda del láser de 520 nanómetros, hasta más de 1 milímetro", dice Yuuki Uesugi. , profesor asistente en el Instituto de Investigación Multidisciplinaria de Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku y coautor del artículo.

Imagen de película de grafeno procesada con láser observada mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido. Las áreas negras indican agujeros pasantes. Los objetos blancos indican contaminantes superficiales. Crédito: Yuuki Uesugi et al.

Tras un examen más detallado de las áreas irradiadas con pulsos de láser de baja energía, que no hicieron agujeros, a través de un microscopio electrónico de alto rendimiento, Uesugi y sus colegas encontraron que también se habían eliminado los contaminantes en el grafeno. La observación ampliada reveló nanoporos de menos de 10 nanómetros de diámetro y defectos a nivel atómico, donde faltaban varios átomos de carbono en las estructuras cristalinas del grafeno.

Los defectos atómicos en el grafeno son a la vez perjudiciales y ventajosos, según la aplicación. Mientras que los defectos a veces degradan ciertas propiedades, también introducen nuevas funcionalidades o mejoran características específicas.

Una imagen obtenida por microscopía electrónica de transmisión de gran aumento. Las áreas rojas indican nanoporos. Las áreas azules indican contaminantes. Existen defectos atómicos en las ubicaciones indicadas por las flechas. Crédito: Yuuki Uesugi et al.

"Observar una tendencia a que la densidad de nanoporos y defectos aumente proporcionalmente con la energía y la cantidad de disparos de láser nos llevó a concluir que la formación de nanoporos y defectos podría manipularse mediante el uso de una irradiación láser de femtosegundo", agrega Uesugi. "Al formar nanoporos y defectos a nivel atómico en el grafeno, no solo se puede controlar la conductividad eléctrica, sino también las características a nivel cuántico, como el espín y el valle. Además, la eliminación de contaminantes mediante la irradiación con láser de femtosegundos encontrada en esta investigación podría desarrollar un nuevo método para lavado limpio y no destructivo de grafeno de alta pureza".

De cara al futuro, el equipo tiene como objetivo establecer una técnica de limpieza utilizando el láser y llevar a cabo una investigación detallada sobre cómo llevar a cabo la formación de defectos atómicos. Otros avances tendrán un gran impacto en áreas que van desde la investigación de materiales cuánticos hasta el desarrollo de biosensores.

Referencia: "Nanoprocesamiento de grafeno monocapa autosuspendido y formación de defectos mediante irradiación láser de femtosegundo" por Nano Letters.DOI: 10.1021/acs .nanolett.3c00594