超快激光器用于石墨烯的化学和物理处理

2016-05-17 09:03

　在微观纳米电子设备包括光伏、显示器、传感器或者大型有机电子器件的开发和制造过程中，超快激光器（皮秒和飞秒）被广泛用于薄膜构图。

　　超快激光器的主要优点是其有限的热效应和快速能量消散，从而实现复杂的多层结构超薄膜的构图。

　　即将到来的纳米材料时代也将带来超快、高效微型化设备。但是处理这些新型纳米材料，精确至单原子层，具有极大的技术困难。下面就介绍了超快激光器图案化用于二维碳晶格即石墨烯的原子级应用。

　　石墨烯与激光辐照

　　在过去十年，石墨烯已经引起了巨大的轰动。由于其独特的性质，使其广泛被用于各种应用，包括光子、光电、传感器、化学反应以及能源存储等。已经针对石墨烯技术开发了不同的处理工艺，但主要都是基于硅的微电子常规处理方法。激光加工刚刚开始被用于石墨烯设备的开发，但是已经显示出了其巨大的潜力。激光束可用于不同类型石墨烯的处理，包括激光辅助石墨烯生长（LIG，碳化硅和聚酰亚胺）、不同衬底图案消融、甚至是化学改性（氧化和功能化；如下图）。这些过程可用于不同光电、光子以及纳米机电系统（NEMS）设备的直接整合。

　　超快激光器可以通过单一步骤的激光直写取代多步骤光刻；这样一来，可以避免通过湿法工艺在表面形成的任何杂质。

　　石墨烯图案消融

　　在厚度上只有一个或者少数几个原子单层时，石墨烯在较宽的电磁频谱窗口的光吸收性也相对较高。对单层悬浮石墨烯来讲，可见光的这种数值可以精确到2.3%。此外，衬底上的石墨烯可以根据衬底的性质和界面提供高达10倍的光吸收性。在使用具有非常高的光子密度的超快激光器时，可以进一步提高光吸收性。这样一来就能提供更准确高效的石墨烯消融（如下图）。

电子应用往往需要石墨烯放置在硅衬底热生长氧化硅上。在这种情况下，石墨烯的高效吸收特性能够实现硅或氧化硅无损石墨烯消融（如下图）。

　　由于石墨烯的原子级厚度，可以通过单次消融法减少处理时间。进而实现1μm或者更小尺寸设备，此外还能通过激光诱导多光子加工法实现次波长分辨率。

　　石墨烯的光化学处理

　　材料表面的光化学处理众所周知，利用光辐照（通常是紫外光），通过内部相变或者与周围环境（气体、蒸汽和液体等）的化学反应来改变材料的性能。激光加工过程应用最广的光化学处理法是通过激光辐照多光子聚合的增材制造工艺。这为聚合物和复合材料的3D化学加工提供了一个独特的流程。这种方法同样适用于碳基石墨烯，可以通过强烈的紫外光氧化进行化学加工。

　　石墨烯的其他新特性正在进行研究，可以通过利用激光加工在新的微电子平台对石墨烯整合提供可扩展的、快速、可重复的无杂质技术。（文/Oscar译）