Nedávno výskumníci naUniverzita Tohoku(Japonsko) použili femtosekundové lasery na úspešnú výrobu mikro/nanografénových filmov, čím vytvorili viacbodové diery bez poškodenia a odstránili kontaminanty. Tím hovorí, že táto technika snáď nahradí konvenčné, zložitejšie metódy, čo povedie k potenciálnemu pokroku vo výskume kvantových materiálov a vývoji biosenzorov.
Grafén bol objavený v roku 2004 a jeho rušivý vplyv odvtedy ovplyvnil rôzne vedecké oblasti. Má pozoruhodné vlastnosti, ako je vysoká pohyblivosť elektrónov, mechanická pevnosť a tepelná vodivosť. Priemysel doteraz investoval značný čas a úsilie do skúmania potenciálu grafénu ako polovodičového materiálu novej generácie, čo viedlo k vývoju tranzistorov na báze grafénu, priehľadných elektród a senzorov.
Kľúčom k sprístupneniu týchto zariadení pre praktické aplikácie je však efektívna technológia spracovania, čo tiež znamená, že grafénové filmy možno skonštruovať v mikro- a nanoúrovni. Metódy nanolitografie a fokusovaného iónového lúča sa zvyčajne používajú na spracovanie materiálu v mikro/nanoúrovni a výrobu zariadení. Potreba veľkého vybavenia, dlhé výrobné časy a zložité operácie však predstavujú dlhodobé výzvy pre laboratórnych výskumníkov.
V januári výskumníci z Tohoku University v Japonsku vynašli techniku, ktorá umožňuje mikro/nanofabrikáciu tenkých zariadení z nitridu kremíka s hrúbkou medzi 5 a 50 nanometrami. Metóda využíva afemtosekundový laserktorý vyžaruje veľmi krátke, veľmi rýchle impulzy svetla. Ukázalo sa, že dokáže spracovať tenké materiály rýchlo a jednoducho bez vákuového prostredia.
Aplikovaním tejto metódy na ultratenké atómové vrstvy grafénu tá istá výskumná skupina teraz úspešne vykonala viacbodové vŕtanie bez poškodenia grafénového filmu. Ich úspech s týmto prelomom bol zverejnený vo vydaní Nano Letters zo 16. mája 2023.
Yuuki Uesugi, odborný asistent na Multidisciplinárnom výskumnom inštitúte pre pokročilé materiály na univerzite Tohoku v Japonsku a spoluautor článku, povedal: „Správnym riadením vstupnej energie a počtu laserových výstupov sme boli schopní vykonávať presné spracovanie a vytvorte otvory s priemerom od 70 nm do viac ako 1 mm, čo je oveľa menšie ako vlnová dĺžka lasera 520 nm."
Po bližšom preskúmaní oblasti ožiarenej nízkoenergetickým laserovým pulzom cez vysokovýkonný elektrónový mikroskop Uesugi a jeho kolegovia zistili, že z grafénu boli odstránené aj nečistoty. Ďalšie zväčšené pozorovania odhalili nanopóry s priemerom menším ako 10 nm a defekty na atómovej úrovni v kryštálovej štruktúre grafénu, kde chýbalo niekoľko atómov uhlíka.
V závislosti od aplikácie majú atómové defekty v graféne škodlivé aj prospešné stránky. Zatiaľ čo defekty môžu niekedy zhoršiť určité vlastnosti, môžu tiež priniesť nové funkcie alebo zlepšiť špecifické vlastnosti.
Uesugi dodal: "Pozorovali sme tendenciu hustoty nanopórov a defektov zvyšovať sa úmerne s energiou a počtom laserových ožiarení a dospeli sme k záveru, že - tvorba nanopórov a defektov môže byť kontrolovaná použitím femtosekundového laserového žiarenia." "Tvorbou nanopórov a defektov na atómovej úrovni v graféne je možné kontrolovať nielen vodivosť, ale aj vlastnosti na kvantovej úrovni, ako je spin a údolie. Okrem toho odstránenie kontaminantov nachádzajúcich sa v tomto výskume femtosekundovým laserom by mohlo viesť k vývoju novej metódy nedeštruktívneho čistenia premytého vysoko čistého grafénu."
Pri pohľade do budúcnosti je cieľom tímu vytvoriť čistiacu techniku pomocou laserov a vykonať podrobné štúdie o tom, ako vytvoriť atómový defekt. Ďalšie objavy budú mať významný vplyv na oblasti od výskumu kvantových materiálov až po vývoj biosenzorov.
