Onlangs hebben onderzoekers vanTohoku-universiteit(Japan) hebben femtosecondelasers gebruikt om met succes micro-/nanograaffilms te fabriceren, waarbij gaten met meerdere punten zonder schade worden gemaakt en verontreinigingen worden verwijderd. Het team zegt dat de techniek hopelijk conventionele, complexere methoden zal vervangen, wat kan leiden tot potentiële vooruitgang in het onderzoek naar kwantummaterialen en de ontwikkeling van biosensoren.
Grafeen werd ontdekt in 2004 en de ontwrichtende impact ervan heeft sindsdien verschillende wetenschappelijke gebieden beïnvloed. Het heeft opmerkelijke eigenschappen zoals hoge elektronenmobiliteit, mechanische sterkte en thermische geleidbaarheid. Tot op heden heeft de industrie veel tijd en moeite geïnvesteerd om het potentieel van grafeen als halfgeleidermateriaal van de volgende generatie te verkennen, wat heeft geleid tot de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde transistors, transparante elektroden en sensoren.
De sleutel tot het beschikbaar maken van deze apparaten voor praktische toepassingen is echter effectieve verwerkingstechnologie, wat ook betekent dat grafeenfilms op micro- en nanoschaal kunnen worden geconstrueerd. Doorgaans worden nanolithografie en gefocusseerde ionenbundelmethoden gebruikt voor materiaalverwerking op micro-/nanoschaal en de fabricage van apparaten. De behoefte aan grote apparatuur, lange fabricagetijden en complexe operaties vormen echter uitdagingen op de lange termijn voor laboratoriumonderzoekers.
In januari vonden onderzoekers van de Tohoku University in Japan een techniek uit die micro-/nanofabricage mogelijk maakt van dunne siliciumnitride-apparaten met een dikte tussen 5 en 50 nanometer. De methode maakt gebruik van eenfemtoseconde laserdie zeer korte, zeer snelle lichtpulsen uitzendt. Het heeft bewezen dunne materialen snel en eenvoudig te kunnen verwerken zonder vacuümomgeving.
Door deze methode toe te passen op de ultradunne atoomlagen van grafeen, heeft dezelfde onderzoeksgroep nu met succes meerpuntsboringen uitgevoerd zonder de grafeenfilm te beschadigen. Hun succes met deze doorbraak is gepubliceerd in Nano Letters van 16 mei 2023.
Yuuki Uesugi, assistent-professor aan het Multidisciplinair Onderzoeksinstituut voor Geavanceerde Materialen aan de Tohoku Universiteit in Japan en co-auteur van het artikel, zei: "Door de input-energie en het aantal laseroutputs goed te regelen, waren we in staat om nauwkeurige verwerking uit te voeren en maak gaten met diameters variërend van 70 nm tot meer dan 1 mm, wat veel kleiner is dan de lasergolflengte van 520 nm. "
Na een nader onderzoek van het gebied dat werd bestraald door de energiezuinige laserpuls door een krachtige elektronenmicroscoop, ontdekten Uesugi en zijn collega's dat ook verontreinigingen uit het grafeen werden verwijderd. Verdere vergrote waarnemingen onthulden nanoporiën met een diameter van minder dan 10 nm en defecten op atomair niveau in de kristalstructuur van grafeen, waar verschillende koolstofatomen ontbraken.
Afhankelijk van de toepassing hebben atoomdefecten in grafeen zowel nadelige als gunstige kanten. Hoewel defecten soms bepaalde eigenschappen kunnen aantasten, kunnen ze ook nieuwe functies introduceren of specifieke eigenschappen verbeteren.
Uesugi voegde eraan toe: "We hebben een tendens waargenomen dat de dichtheid van nanoporiën en defecten evenredig toeneemt met de energie en het aantal laserbestralingen en concludeerden dat - de vorming van nanoporiën en defecten kan worden gecontroleerd door femtoseconde laserbestraling te gebruiken." "Door nanoporiën en defecten op atomair niveau in grafeen te vormen, is het mogelijk om niet alleen geleidbaarheid te beheersen, maar ook eigenschappen op kwantumniveau, zoals spin en dal. Bovendien zou de femtoseconde laserverwijdering van verontreinigingen die in dit onderzoek zijn gevonden, kunnen leiden tot de ontwikkeling van een nieuwe methode voor niet-destructieve reiniging van gewassen hoogzuiver grafeen."
Vooruitkijkend wil het team een reinigingstechniek ontwikkelen met behulp van lasers en gedetailleerde studies uitvoeren over hoe atoomdefectvorming kan worden uitgevoerd. Verdere doorbraken zullen een aanzienlijke impact hebben op gebieden variërend van onderzoek naar kwantummaterialen tot de ontwikkeling van biosensoren.
