Hiljuti uurisid teadlased aadressilTohoku ülikool(Jaapan) on kasutanud femtosekundeid lasereid, et edukalt valmistada mikro-/nanografeenkilesid, luues kahjustusteta mitmepunktilisi auke ja eemaldades saasteaineid. Meeskond ütleb, et see tehnika asendab loodetavasti tavapäraseid keerukamaid meetodeid, mis toob kaasa potentsiaalseid edusamme kvantmaterjalide uurimisel ja biosensorite arendamisel.
Grafeen avastati 2004. aastal ja selle häiriv mõju on sellest ajast alates mõjutanud erinevaid teadusvaldkondi. Sellel on märkimisväärsed omadused, nagu suur elektronide liikuvus, mehaaniline tugevus ja soojusjuhtivus. Tänaseks on tööstus investeerinud märkimisväärselt aega ja jõupingutusi, et uurida grafeeni kui järgmise põlvkonna pooljuhtmaterjali potentsiaali, mis on viinud grafeenipõhiste transistoride, läbipaistvate elektroodide ja andurite väljatöötamiseni.
Nende seadmete praktiliste rakenduste jaoks kättesaadavaks tegemise võti on aga tõhus töötlemistehnoloogia, mis tähendab ka seda, et grafeenkilesid saab konstrueerida mikro- ja nanotasandil. Tavaliselt kasutatakse mikro-/nanomastaabis materjalide töötlemiseks ja seadmete valmistamiseks nanolitograafiat ja fokuseeritud ioonkiirte meetodeid. Vajadus suurte seadmete, pikkade tootmisaegade ja keerukate operatsioonide järele seab aga laboriteadlastele pikaajalisi väljakutseid.
Jaanuaris leiutasid Jaapani Tohoku ülikooli teadlased tehnika, mis võimaldab mikro-/nanotöötlemist õhukeste räninitriidseadmete paksusega 5–50 nanomeetrit. Meetod kasutab afemtosekundiline lasermis kiirgab väga lühikesi ja väga kiireid valgusimpulsse. See on osutunud võimeliseks õhukesi materjale kiiresti ja lihtsalt ilma vaakumkeskkonnata töödelda.
Rakendades seda meetodit grafeeni üliõhukeste aatomikihtide puhul, on sama uurimisrühm nüüdseks edukalt teostanud mitmepunktilist puurimist ilma grafeenikilet kahjustamata. Nende edu selle läbimurde puhul on avaldatud Nano Lettersi 16. mai 2023. aasta numbris.
Yuuki Uesugi, Jaapani Tohoku ülikooli kõrgtehnoloogiliste materjalide multidistsiplinaarse uurimisinstituudi dotsent ja artikli kaasautor, ütles: "Sisendenergia ja laserväljundite arvu nõuetekohase kontrollimisega suutsime teostada täpset töötlemist ja luua auke läbimõõduga 70 nm kuni üle 1 mm, mis on palju väiksem kui 520 nm laseri lainepikkus.
Pärast madala energiatarbega laserimpulsiga kiiritatud ala põhjalikumat uurimist läbi suure jõudlusega elektronmikroskoobi leidsid Uesugi ja tema kolleegid, et grafeenist eemaldati ka saasteained. Edasised suurendatud vaatlused näitasid alla 10 nm läbimõõduga nanopoore ja aatomitaseme defekte grafeeni kristallstruktuuris, kus mitu süsinikuaatomit olid puudu.
Olenevalt rakendusest on grafeeni aatomidefektidel nii kahjulikud kui ka kasulikud küljed. Kuigi defektid võivad mõnikord teatud omadusi halvendada, võivad need kasutusele võtta ka uusi funktsioone või täiustada konkreetseid omadusi.
Uesugi lisas: "Me täheldasime tendentsi, et nanopooride ja defektide tihedus suureneb proportsionaalselt laserkiirguse energia ja arvuga ning järeldasime, et - nanopooride ja defektide teket saab kontrollida femtosekundilise laserkiirguse abil." "Moodustades grafeenis nanopoore ja aatomitasemel defekte, on võimalik lisaks juhtivusele kontrollida ka kvanttaseme omadusi, nagu spin ja org. Lisaks võib selle uurimistöö käigus leitud saasteainete eemaldamine femtosekundilise laseriga viia arenguni. uue meetodi pestud kõrge puhtusastmega grafeeni mittepurustavaks puhastamiseks."
Tulevikku vaadates on meeskonna eesmärk luua laserite abil puhastustehnika ja viia läbi üksikasjalikud uuringud aatomidefektide moodustamise kohta. Edasised läbimurded avaldavad märkimisväärset mõju valdkondadele, mis ulatuvad kvantmaterjalide uurimisest kuni biosensorite väljatöötamiseni.
