Lumière

Par Tohoku University3 juin 2023

Illustration d'un film de graphène percé d'un trou par irradiation laser. La taille des atomes de carbone est exagérée et diffère de la taille réelle. Crédit : 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"}]"> films de graphène, créant des trous multipoints sans dommage et éliminant les contaminants. La technique pourrait remplacer les méthodes traditionnelles plus complexes, offrant des avancées potentielles dans la recherche sur les matériaux quantiques et le développement de biocapteurs.

Découvert en 2004, le graphène a révolutionné divers domaines scientifiques. Il possède des propriétés remarquables telles qu'une mobilité électronique élevée, une résistance mécanique et une conductivité thermique. Beaucoup de temps et d'efforts ont été investis dans l'exploration de son potentiel en tant que matériau semi-conducteur de nouvelle génération, conduisant au développement de transistors à base de graphène, d'électrodes transparentes et de capteurs.

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"}]"> le traitement des matériaux à l'échelle nanométrique et la fabrication de dispositifs utilisent des méthodes de nanolithographie et de faisceaux d'ions focalisés. Cependant, ceux-ci ont posé des défis de longue date aux chercheurs de laboratoire en raison de leur besoin d'équipements à grande échelle, de longs délais de fabrication et d'opérations complexes.

En janvier dernier, des chercheurs de l'Université de Tohoku ont créé une technique qui pourrait micro/nanofabriquer des dispositifs minces en nitrure de silicium avec des épaisseurs allant de 5 à 50 nanomètres. La méthode utilisait un laser femtoseconde, qui émettait des impulsions lumineuses extrêmement courtes et rapides. Il s'est avéré capable de traiter rapidement et facilement des matériaux minces sans environnement sous vide.

(a) Schéma du système de traitement au laser. (b) Formation de 32 points laser sur le film de graphène. ( c ) Image d'un film de graphène qui a été percé en plusieurs points. Crédit : Yuuki Uesugi et al.

En appliquant cette méthode à une couche atomique ultra-mince de graphène, le même groupe a maintenant réussi à effectuer un perçage de trous multipoints sans endommager le film de graphène. Les détails de leur percée ont été rapportés dans la revue Nano Letters le 16 mai 2023.

« Avec un contrôle approprié de l'énergie d'entrée et du nombre de tirs laser, nous avons pu exécuter un usinage précis et créer des trous avec des diamètres allant de 70 nanomètres - beaucoup plus petits que la longueur d'onde laser de 520 nanomètres - à plus de 1 millimètre », explique Yuuki Uesugi. , professeur adjoint à l'Institut de recherche multidisciplinaire sur les matériaux avancés de l'Université de Tohoku et co-auteur de l'article.

Image d'un film de graphène traité au laser observé par microscopie électronique à transmission à balayage. Les zones noires indiquent les trous traversants. Les objets blancs indiquent les contaminants de surface. Crédit : Yuuki Uesugi et al.

Après un examen plus approfondi des zones irradiées avec des impulsions laser à faible énergie, qui ne faisaient pas de trous, via un microscope électronique à haute performance, Uesugi et ses collègues ont découvert que les contaminants sur le graphène avaient également été éliminés. Une observation plus approfondie a révélé des nanopores de moins de 10 nanomètres de diamètre et des défauts au niveau atomique, où plusieurs atomes de carbone manquaient dans les structures cristallines du graphène.

Les défauts atomiques du graphène sont à la fois préjudiciables et avantageux, selon l'application. Si les défauts dégradent parfois certaines propriétés, ils introduisent également de nouvelles fonctionnalités ou améliorent des caractéristiques spécifiques.

Une image obtenue par microscopie électronique à transmission à fort grossissement. Les zones rouges indiquent les nanopores. Les zones bleues indiquent les contaminants. Des défauts atomiques existent aux emplacements indiqués par les flèches. Crédit : Yuuki Uesugi et al.

"L'observation d'une tendance à la densité des nanopores et des défauts à augmenter proportionnellement à l'énergie et au nombre de tirs laser nous a amenés à conclure que la formation de nanopores et de défauts pourrait être manipulée en utilisant une irradiation laser femtoseconde", ajoute Uesugi. "En formant des nanopores et des défauts au niveau atomique dans le graphène, non seulement la conductivité électrique peut être contrôlée, mais également les caractéristiques au niveau quantique telles que le spin et la vallée. De plus, l'élimination des contaminants par irradiation laser femtoseconde trouvée dans cette recherche pourrait développer une nouvelle méthode pour laver de manière non destructive et propre le graphène de haute pureté."

Pour l'avenir, l'équipe vise à établir une technique de nettoyage utilisant le laser et à mener une enquête détaillée sur la manière de conduire la formation de défauts atomiques. D'autres percées auront un impact important sur des domaines allant de la recherche sur les matériaux quantiques au développement de biocapteurs.

Référence : "Nanoprocessing of Self-Suspended Monolayer Graphene and Defect Formation by Femtosecond-Laser Irradiation" par Nano Letters.DOI : 10.1021/acs .nanolett.3c00594