Nedavno su istraživači naSveučilište Tohoku(Japan) koristili su femtosekundne lasere za uspješnu izradu mikro/nanografenskih filmova, stvarajući rupe s više točaka bez oštećenja i uklanjajući kontaminante. Tim kaže da će tehnika, nadamo se, zamijeniti konvencionalne, složenije metode, što će dovesti do potencijalnog napretka u istraživanju kvantnih materijala i razvoju biosenzora.
Grafen je otkriven 2004. godine, a njegov razorni učinak od tada je utjecao na razna znanstvena područja. Ima izvanredna svojstva kao što su visoka pokretljivost elektrona, mehanička čvrstoća i toplinska vodljivost. Do danas je industrija uložila značajno vrijeme i trud u istraživanje potencijala grafena kao poluvodičkog materijala sljedeće generacije, što je dovelo do razvoja tranzistora na bazi grafena, prozirnih elektroda i senzora.
Međutim, ključ za dostupnost ovih uređaja za praktičnu primjenu je učinkovita tehnologija obrade, što također znači da se grafenski filmovi mogu konstruirati na mikro i nano razini. Tipično, metode nanolitografije i fokusirane ionske zrake koriste se za mikro/nanorazmjernu obradu materijala i izradu uređaja. Međutim, potreba za velikom opremom, dugo vrijeme izrade i složene operacije postavljaju dugoročne izazove za laboratorijske istraživače.
Još u siječnju, istraživači sa Sveučilišta Tohoku u Japanu izumili su tehniku koja omogućuje mikro/nanofabrikaciju tankih uređaja od silicijevog nitrida debljine između 5 i 50 nanometara. Metoda koristi afemtosekundni laserkoji emitira vrlo kratke, vrlo brze pulseve svjetlosti. Dokazano je da može brzo i jednostavno obraditi tanke materijale bez vakuumskog okruženja.
Primjenom ove metode na ultratanke atomske slojeve grafena, ista je istraživačka skupina sada uspješno izvela bušenje u više točaka bez oštećenja filma grafena. Njihov uspjeh s ovim otkrićem objavljen je u izdanju časopisa Nano Letters od 16. svibnja 2023.
Yuuki Uesugi, docent na Multidisciplinarnom istraživačkom institutu za napredne materijale na Sveučilištu Tohoku u Japanu i koautor rada, rekao je: "Pravilnom kontrolom ulazne energije i broja laserskih izlaza, uspjeli smo izvesti preciznu obradu i stvoriti rupe promjera od 70 nm do više od 1 mm, što je puno manje od valne duljine lasera od 520 nm."
Nakon detaljnijeg ispitivanja područja ozračenog niskoenergetskim laserskim pulsom kroz elektronski mikroskop visokih performansi, Uesugi i njegovi kolege otkrili su da su kontaminanti također uklonjeni iz grafena. Daljnja povećana promatranja otkrila su nanopore promjera manje od 10 nm i defekte na atomskoj razini u kristalnoj strukturi grafena, gdje je nedostajalo nekoliko atoma ugljika.
Ovisno o primjeni, atomski defekti u grafenu imaju i štetne i korisne strane. Iako nedostaci ponekad mogu degradirati određena svojstva, oni također mogu uvesti nove funkcije ili poboljšati određena svojstva.
Uesugi je dodao: "Opazili smo tendenciju povećanja gustoće nanopora i defekata proporcionalno s energijom i brojem laserskog zračenja i zaključili da - se stvaranje nanopora i defekata može kontrolirati korištenjem femtosekundnog laserskog zračenja." "Formiranjem nanopora i defekata na atomskoj razini u grafenu, moguće je kontrolirati ne samo vodljivost nego i svojstva na kvantnoj razini kao što su spin i valley. Osim toga, femtosekundno lasersko uklanjanje kontaminanata pronađeno u ovom istraživanju moglo bi dovesti do razvoja nove metode za nedestruktivno čišćenje ispranog grafena visoke čistoće."
Gledajući unaprijed, cilj tima je uspostaviti tehniku čišćenja pomoću lasera i provesti detaljne studije o tome kako izvesti stvaranje atomskih defekata. Daljnja otkrića imat će značajan utjecaj na područja od istraživanja kvantnih materijala do razvoja biosenzora.
