石墨烯上的纳米钻孔和原子级缺陷

2023-05-31 09:52

文/陈根

据发表于《纳米快报》杂志的最新研究介绍，东北大学的研究人员创造了一种可以微/纳米制造厚度从5纳米到50纳米的氮化硅薄膜器件的技术。通过将该方法应用于石墨烯的超薄原子层，可以在不损坏石墨烯膜的情况下进行多点钻孔。

石墨烯是一种由碳单层组成的材料，由获得2010年诺贝尔物理学奖的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在2004年首次制备成功。自被发现以来，石墨烯彻底改变了各个科学领域。其极高的强度、导电性和热稳定性等独特性质，赋予了它巨大的应用潜力，比如可以用于电池、电子器件、传感器、生物医学领域等。

基于大量时间和精力的探索，研究人员开发了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器。而为了将这些器件更广泛地投入实际应用领域，科学家们着力于在微米和纳米尺度上构建石墨烯膜的高效加工技术的探索研究。直到今年一月份，东北大学研究团队采用飞秒激光，发射极短、快速的光脉冲，创造了微/纳米制造纳米级氮化硅薄膜器件的技术，它能够在没有真空环境的情况下快速方便地处理薄材料。

“通过适当控制输入能量和激光发射次数，我们能够进行精确的加工，并产生直径从70纳米到1毫米以上的孔”。据东北大学助理教授Yuuki Uesugi介绍，通过高性能电子显微镜对用低能量激光脉冲照射的区域进行更仔细的检查，发现石墨烯上的污染物也被去除了；进一步放大观察则可以显示，石墨烯上直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷。

关于石墨烯中的原子级缺陷，Uesugi表示，其利弊不能一概而论，而是要取决于其实际应用。缺陷有时候会降低某些属性，但它们也会引入新功能或增强特定特性。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。

“我们观察到纳米孔和缺陷的密度与激光发射的能量和次数成比例增加的趋势。”Uesugi补充道：我们得出结论是可以通过使用飞秒激光照射来控制纳米孔和缺损的形成。而且，飞秒激光去除污染物可以开发出一种无损清洁清洗高纯度石墨烯的新方法。

目前，石墨烯的应用仍处于早期阶段，但是科学家们已经在多个领域实现了突破，相信未来它会成为一个非常重要的材料。而通过对如何进行原子缺陷形成的详细研究，将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生重大影响。

原文标题 : 陈根：石墨烯上的纳米钻孔和原子级缺陷