用飞秒激光加工纳米石墨烯，迎突破性进展！

2023-06-05 11:25

近日，日本东北大学（Tohoku University）的研究人员使用飞秒激光成功地制造了微／纳米石墨烯薄膜，在不损坏的情况下制造了多点孔，并去除了污染物。该团队表示，这项技术将有望取代传统的、更复杂的方法，为量子材料研究和生物传感器开发带来潜在的进展。

石墨烯于2004年被发现，至今它带来的颠覆性影响已经影响了各个科学领域。它具有高电子迁移率、机械强度和导热性等显著性能。至今，业界已投入了大量的时间和精力，来探索石墨烯作为下一代半导体材料的潜力，从而开发了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器。

但要使这些设备投入实际应用，关键是要有有效的加工技术，也意味着可以在微米和纳米尺度上构建石墨烯薄膜。通常，微／纳米级材料加工和器件制造采用纳米光刻和聚焦离子束方法。然而，由于需要大型设备，制造时间长，操作复杂，这些都给实验室研究人员带来了长期的挑战。

早在1月份，日本东北大学的研究人员就发明了一种技术，可以微／纳米制造厚度在5－50纳米之间的氮化硅薄器件。该方法使用飞秒激光器，发射极短、极快的光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速、方便地加工薄材料。

通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，同一个研究小组现在已经成功地在不破坏石墨烯薄膜的情况下进行了多点钻孔。他们的这一突破成功已发表在2023年5月16日的《纳米快报》（Nano Letters）杂志上。

日本东北大学先进材料多学科研究所助理教授、论文合著者Yuuki Uesugi表示：“通过对输入能量和激光输出次数的适当控制，我们能够进行精确的加工，并创造出直径从70纳米到1毫米以上的孔，这些孔比520纳米的激光波长小得多。”

在通过高性能电子显微镜对低能量激光脉冲照射的区域进行更仔细的检查后，Uesugi和他的同事发现石墨烯上的污染物也被去除了。进一步放大观察发现，石墨烯的晶体结构中存在直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，其中几个碳原子已缺失。

根据应用的不同，石墨烯中的原子缺陷既有不利的一面，也有有利的一面。虽然缺陷有时会降低某些属性，但它们也会引入新的功能或增强特定的特性。

Uesugi补充称：“我们观察到了纳米孔和缺陷的密度随激光照射能量和次数成比例增加的趋势，并得出结论——纳米孔和缺陷的形成可以通过使用飞秒激光照射来控制。”“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。此外，该研究中发现的飞秒激光去除污染物的方法，可以开发出一种无损清洁洗涤高纯度石墨烯的新方法。”

展望未来，该团队的目标是建立一种使用激光的清洁技术，并对如何进行原子缺陷形成进行详细的研究。进一步的突破，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。