Licht

Von der Tohoku-Universität, 3. Juni 2023

Abbildung eines Graphenfilms, der durch Laserbestrahlung Löcher gebohrt wird. Die Größe der Kohlenstoffatome ist übertrieben dargestellt und weicht von der tatsächlichen Größe ab. Bildnachweis: 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"}]"> Graphenfolien, wodurch Mehrpunktlöcher ohne Beschädigung erzeugt und Verunreinigungen entfernt werden. Die Technik könnte traditionelle, komplexere Methoden ersetzen und potenzielle Fortschritte in der Quantenmaterialforschung und der Biosensorentwicklung bieten.

Graphen wurde 2004 entdeckt und hat verschiedene wissenschaftliche Bereiche revolutioniert. Es besitzt bemerkenswerte Eigenschaften wie hohe Elektronenmobilität, mechanische Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Es wurde viel Zeit und Mühe in die Erforschung seines Potenzials als Halbleitermaterial der nächsten Generation investiert, was zur Entwicklung von Transistoren, transparenten Elektroden und Sensoren auf Graphenbasis führte.

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"}]"> Bei der nanoskaligen Materialverarbeitung und Geräteherstellung kommen Nanolithographie und fokussierte Ionenstrahlverfahren zum Einsatz. Allerdings stellen diese Laborforscher seit langem vor Herausforderungen, da sie umfangreiche Geräte, lange Herstellungszeiten und komplexe Abläufe benötigen.

Bereits im Januar entwickelten Forscher der Universität Tohoku eine Technik, mit der dünne Siliziumnitrid-Bauelemente mit einer Dicke von 5 bis 50 Nanometern im Mikro-/Nanobereich hergestellt werden konnten. Die Methode nutzte einen Femtosekundenlaser, der extrem kurze, schnelle Lichtimpulse aussendete. Es stellte sich heraus, dass es in der Lage war, dünne Materialien schnell und bequem ohne Vakuumumgebung zu verarbeiten.

(a) Schematische Darstellung des Laserbearbeitungssystems. (b) Bildung von 32 Laserpunkten auf dem Graphenfilm. (c) Bild eines Graphenfilms, der an mehreren Punkten gebohrt wurde. Bildnachweis: Yuuki Uesugi et al.

Durch die Anwendung dieser Methode auf eine ultradünne Atomschicht aus Graphen ist es derselben Gruppe nun gelungen, eine Mehrpunkt-Lochbohrung durchzuführen, ohne den Graphenfilm zu beschädigen. Einzelheiten zu ihrem Durchbruch wurden am 16. Mai 2023 in der Zeitschrift Nano Letters berichtet.

„Mit der richtigen Kontrolle der Eingangsenergie und der Anzahl der Laserschüsse konnten wir eine präzise Bearbeitung durchführen und Löcher mit Durchmessern von 70 Nanometern – viel kleiner als die Laserwellenlänge von 520 Nanometern – bis über 1 Millimeter erzeugen“, sagt Yuuki Uesugi , Assistenzprofessor am Institut für multidisziplinäre Forschung für fortgeschrittene Materialien der Universität Tohoku und Mitautor des Artikels.

Bild eines laserbearbeiteten Graphenfilms, beobachtet durch Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Die schwarzen Bereiche zeigen Durchgangslöcher an. Die weißen Objekte weisen auf Oberflächenverunreinigungen hin. Bildnachweis: Yuuki Uesugi et al.

Bei einer genaueren Untersuchung der mit niederenergetischen Laserpulsen bestrahlten Bereiche, die keine Löcher erzeugten, mittels eines Hochleistungselektronenmikroskops stellten Uesugi und seine Kollegen fest, dass auch Verunreinigungen auf dem Graphen entfernt worden waren. Eine weitere vergrößerte Beobachtung ergab Nanoporen mit einem Durchmesser von weniger als 10 Nanometern und Defekte auf atomarer Ebene, bei denen mehrere Kohlenstoffatome in den Kristallstrukturen des Graphens fehlten.

Atomare Defekte in Graphen sind je nach Anwendung sowohl schädlich als auch vorteilhaft. Während Mängel manchmal bestimmte Eigenschaften herabsetzen, führen sie auch neue Funktionalitäten ein oder verbessern bestimmte Eigenschaften.

Ein Bild, das durch Transmissionselektronenmikroskopie mit hoher Vergrößerung erhalten wurde. Die roten Bereiche weisen auf Nanoporen hin. Die blauen Bereiche weisen auf Verunreinigungen hin. An den durch die Pfeile gekennzeichneten Stellen liegen Atomdefekte vor. Bildnachweis: Yuuki Uesugi et al.

„Die Beobachtung einer Tendenz, dass die Dichte von Nanoporen und Defekten proportional mit der Energie und Anzahl der Laserschüsse zunimmt, führte uns zu dem Schluss, dass die Bildung von Nanoporen und Defekten durch die Verwendung einer Femtosekunden-Laserbestrahlung manipuliert werden könnte“, fügt Uesugi hinzu. „Durch die Bildung von Nanoporen und Defekten auf atomarer Ebene in Graphen können nicht nur die elektrische Leitfähigkeit, sondern auch Eigenschaften auf Quantenebene wie Spin und Valley gesteuert werden. Darüber hinaus könnte die in dieser Forschung gefundene Schadstoffentfernung durch Femtosekundenlaserbestrahlung eine neue Methode dafür entwickeln.“ hochreines Graphen zerstörungsfrei und sauber waschen.“

Mit Blick auf die Zukunft möchte das Team eine Reinigungstechnik mithilfe des Lasers etablieren und eine detaillierte Untersuchung darüber durchführen, wie die Bildung atomarer Defekte durchgeführt werden kann. Weitere Durchbrüche werden große Auswirkungen auf Bereiche von der Quantenmaterialforschung bis zur Biosensorentwicklung haben.

Referenz: „Nanoprocessing of Self-Suspended Monolayer Graphene and Defect Formation by Femtosecond-Laser Irradiation“ von Nano Letters.DOI: 10.1021/acs .nanolett.3c00594