Ultra brzi laseri (picosekunde ili femtosekunde) sve se češće koriste u obradi filmova za razvoj i proizvodnju mikroelektronike i nanoelektroničkih uređaja. Njegove aplikacije za proizvod uključuju fotonaponske ćelije, prikaze, senzore ili organske elektroničke proizvode velikog formata. Glavne prednosti ultrabrzih lasera uključuju ograničen toplotni učinak i brzo rasipanje energije, što pomaže u realizaciji ovogobrazacobrada složenih ultra tankih višeslojnih filmskih struktura.
Dolazak ere nanomaterijala pruža nove mogućnosti obrade izuzetno brze, visoke učinkovitosti i minijaturisane opreme. Međutim, obrada takvih novih nanomaterijala s debljinom od samo jednog atomskog sloja tehnički je izuzetno zahtjevna. Ovaj članak opisuje primjenu ultra brzih lasera za obradu boje dvodimenzionalnih ugljikovih rešetki na atomskom nivou, naime grafen.
Grafen i lasersko zračenje
U proteklih deset godina grafen je privukao veliku pažnju zbog svojih jedinstvenih svojstava i primjene u raznim poljima, uključujući fotonaponske ćelije, optoelektroniku, senzore, hemijske reakcije i skladištenje energije. Industrija je sukcesivno razvila razne tehnologije zasnovane na grafenu zasnovane na tradicionalnim metodama poput silicijske mikroelektronike. Laserska obrada tek se počela koristiti u razvoju grafenske opreme, ali pokazala je veliki potencijal. Laserske zrake mogu se koristiti za izvođenje različitih tretmana grafenom, uključujući laserski rast grafena i ablaciju uzorka na različitim podlogama.
Ultrabrzi laseri mogu koristiti laserski postupak sa jednim korakom, direktnim pisanjem, da bi zamijenili postupak u više koraka fotolitografije. Ovo je vitalni i izuzetno koristan postupak za izbjegavanje nečistoća koje se formiraju na površini grafena zbog vlažne obrade.
Ablacija grafenskim uzorkom
Iako je debljina debela samo jedan ili nekoliko atomskih jednoslojeva, brzina apsorpcije svjetlosti grafena relativno je velika u širokom prozoru elektromagnetskog spektra. Za jednoslojni suspendirani grafen tačna mjerna vrijednost vidljive svjetlosti je 2,3%. Uz to, ovisno o svojstvima podloge i površine vezivanja, apsorptivnost grafena na određenoj podlozi može biti i 10 puta veća. Kada se koriste ultrabrzi laseri s visokom gustinom fotona, brzina apsorpcije se može dodatno poboljšati.
Slika 1: Primjer laserske ablacije velikih grafenskih obrazaca.
To pruža mogućnost precizne i efikasne laserske ablacije grafena (slika 1). Elektronske aplikacije često zahtevaju da se grafen stavi na termički uzgojeni silicijum-oksid na vrhu silikonske podloge. U ovoj strukturi, visoka učinkovitost apsorpcije grafena osigurava da se grafen može preraditi laserskom ablacijom, a da pritom ne ošteti silicijum ili silicijum oksid.
Budući da je debljina grafena na atomskoj razini, moguće je upotrijebiti metodu ablacije jednim pucnjem kako bi se skratilo ukupno vrijeme obrade. Veličine karakteristika 1μm ili čak tanji može se dobiti, a lasersko-inducirana multifotonska obrada može se koristiti za postizanje rezolucije subvalnih duljina.
Fotohemija grafena
Fotohemijska obrada površine materijala je dobro poznata metoda. Pod ultraljubičastim zračenjem, zbog unutrašnjeg faznog pomaka ili reakcije sa okolnom okolinom (gasom, parom i tečnošću), svojstva materijala će se promeniti. Najčešća primjena koja koristi fotohemijska svojstva laserske obrade je aditivni proces proizvodnje multifotonske polimerizacije pomoću laserskog zračenja. Pruža jedinstvene alate za obradu za 3D hemijsku obradu polimera i kompozita. Isto vrijedi i za grafen na bazi ugljika koji se također može kemijski modificirati jakom UV oksidacijom.
Grafen je jedinstveni materijal bez obzira na njegova elektronička ili optička svojstva. Grafen je potvrdio nelinearne optičke efekte, kao što su multifotonska apsorpcija, stvaranje plazme (plazma je kolektivno pobuđivanje elektronskog GG; fluidi" u provodljivim materijalima), Q-prebacivanje itd. Istraživanjem ovih nelinearnih optičkih efekata očekuje se da se vidljiva svjetlost visokog intenziteta može koristiti za promjenu hemijskih i optičkih svojstava grafena. Na slici 2 prikazana je tipična reakcija lokalne oksidacije grafena upotrebom 515nm ultra brzog lasera u atmosferi kiseonik / voda.
Slika 2: Elektronska mikrografija pruga oksidacije grafena.
Rezultat je to što može stvoriti slobodnu strukturu sa submikron rezolucijom (bez traga) metodom velike brzine obrade (s tradicionalnim optičkim skenerom brzinom obrade do nekoliko metara u sekundi). Ima površinske karakteristike poput ekstremne razlike u prebacivanju i vodljivosti, čime se postiže lagana manevar i mogućnost mokraći. Ovaj rezultat je vrlo koristan i može brzo razviti raznoliku opremu ili uređaje koji se koriste u biološkom, sigurnosnom ili komunikacijskom polju.
Različite tehničke karakteristike grafena daleko nadmašuju tradicionalne čvrste materijale koji se danas koriste u elektronici, mikro-elektromehaničkim sistemima (MEMS) i mikro-opto-elektromehaničkim sistemima (MOEMS). Ove nove značajke treba dodatno istražiti kako bi se omogućila upotreba laserske obrade za dobivanje tehnologija s većim razmjerom, većom brzinom, većom obnovljivošću i boljom čistoćom kako bi se grafen integrirao u nove mikroelektroničke platforme.