激光诱导单层石墨烯纳米加工

石墨烯于2004年被发现，已经彻底改变了各个科学领域。它具有高电子迁移率、机械强度和导热性等显着特性。人们投入了大量的时间和精力来探索其作为下一代半导体材料的潜力，从而开发了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器。

但是，为了使这些设备投入实际应用，拥有高效的加工技术至关重要，可以在微米和纳米尺度上构建石墨烯薄膜。通常，微/纳米级材料加工和设备制造采用纳米光刻和聚焦离子束方法。然而，由于需要大型设备、制造时间长和操作复杂，给实验室研究人员带来了长期挑战。

早在一月份，日本东北大学的研究人员就创造了一种技术，可以微/纳米制造厚度范围从5至50纳米的氮化硅薄器件。该方法采用飞秒激光，发射极短、快速的光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速方便地加工薄材料。

通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，该研究小组已经成功地在不损坏石墨烯薄膜的情况下进行多点孔钻孔，并在 2023 年 5 月 16 日的《Nano Letters》杂志上报道。

（a） 激光加工系统示意图。（b）在石墨烯薄膜上形成32个激光斑点。（c） 经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像。©Uesugi等.

“通过适当控制输入能量和激光发射次数，我们能够执行精确加工并创建直径从 70 纳米（远小于 520 纳米的激光波长）到超过 1 毫米的孔，”日本东北大学先进材料多学科研究所助理教授，该论文的合著者Yuuki Uesugi说。

通过高性能电子显微镜仔细检查了用低能激光脉冲照射的区域，这些区域不会形成孔洞，Uesugi和他的同事发现石墨烯上的污染物也被去除了。进一步放大的观察发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，其中石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。

通过扫描透射电子显微镜观察的激光加工石墨烯薄膜的图像。黑色区域表示通孔。白色物体表示表面污染物。©Uesugi等.

石墨烯中的原子缺陷既有害又有利，具体取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也会引入新功能或增强特定特性。

“观察到纳米孔和缺陷的密度与激光射击的能量和数量成比例增加的趋势使我们得出结论，纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来控制，”Uesugi补充道。“通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制电导率，还可以控制自旋和谷等量子级特性。此外，本研究中发现的飞秒激光辐照去除污染物可以开发一种无损和清洁清洗高纯度石墨烯的新方法。

展望未来，该团队的目标是建立一种使用激光的清洁技术，并对如何进行原子缺陷形成进行详细研究。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发的领域产生重大影响。

通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。原子缺陷存在于箭头指示的位置。©Uesugi等.

出版详情：

Title: Nanoprocessing of self-suspended monolayer graphene and defect formation by femtosecond-laser irradiation

Authors: Naohiro Kadoguchi, Yuuki Uesugi, Makoto Nagasako, Tetsuro Kobayashi, Yuichi Kozawa, Shunichi Sato

Journal: Nano Letters

DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00594