Ultrarychlé lasery (pikosekundy nebo femtosekundy) se stále více používají při zpracování filmových vzorů pro vývoj a výrobu mikroelektronických a nanoelektronických zařízení. Mezi jeho produktové aplikace patří fotovoltaické články, displeje, senzory nebo velkoformátové elektronické elektronické produkty. Mezi hlavní výhody ultrarychlých laserů patří omezený tepelný efekt a rychlý rozptyl energie, což pomáhá realizovatvzorzpracování složitých ultratenkých vícevrstvých filmových struktur.
Příchod éry nanomateriálů poskytuje nové možnosti zpracování pro extrémně vysokorychlostní, vysoce efektivní a miniaturizovaná zařízení. Zpracování takových nových nanomateriálů s tloušťkami tak nízkými jako jedna atomová vrstva je však technicky nesmírně náročné. Tento článek popisuje použití ultrarychlých laserů pro barevné zpracování dvourozměrných uhlíkových mřížek na atomové úrovni, konkrétně grafenu.
Grafenové a laserové záření
V posledních deseti letech přitáhl grafen velkou pozornost díky svým jedinečným vlastnostem a jeho použití v různých oblastech, včetně fotovoltaických článků, optoelektroniky, senzorů, chemických reakcí a ukládání energie. Toto odvětví postupně vyvinulo řadu technologií založených na grafenu založených na tradičních metodách, jako je křemíková mikroelektronika. Laserové zpracování se právě začalo používat při vývoji grafenového vybavení, ale ukázalo se, že má velký potenciál. Laserové paprsky lze použít k provedení různých ošetření grafenu, včetně laserem podporovaného růstu grafenu a ablace vzoru na různých substrátech.
Ultrarychlé lasery mohou použít jednostupňový laserový proces s přímým zápisem k nahrazení vícekrokového fotolitografického procesu. Jedná se o zásadní a mimořádně prospěšný proces, aby se zabránilo jakýmkoli nečistotám vytvořeným na povrchu grafenu v důsledku mokrého zpracování.
Ablace grafenového vzoru
Ačkoli je tloušťka tlustá pouze jako jedna nebo několik atomových monovrstev, je rychlost absorpce světla grafenu v širokém okně elektromagnetického spektra relativně vysoká. U jednovrstvého suspendovaného grafenu je přesná hodnota měření viditelného světla 2,3%. Kromě toho může být v závislosti na vlastnostech podkladu a povrchu pojiva absorpční schopnost grafenu na konkrétním podkladu dokonce 10krát vyšší. Při použití ultrarychlých laserů s vysokou hustotou fotonů lze absorpční rychlost dále zlepšit.
Obrázek 1: Příklad laserové ablace velkoplošných grafenových obrazců.
To poskytuje možnost přesné a účinné laserové ablace grafenu (obrázek 1). Elektronické aplikace často vyžadují, aby byl grafen umístěn na tepelně pěstovaný oxid křemičitý na silikonový substrát. V této struktuře zajišťuje vysoce účinný absorpční výkon grafenu, že grafen může být zpracováván laserovou ablací bez poškození křemíku nebo oxidu křemičitého.
Protože tloušťka grafenu je na atomové úrovni, je možné použít zkrácenou dobu zpracování metodou jednorázové ablace. Velikost prvků 1μm nebo dokonce ředidlo může být získáno a laserem indukované multiphotonové zpracování může být použito pro dosažení rozlišení pod vlnovou délkou.
Fotochemie grafenu
Fotochemické zpracování povrchu materiálu je dobře známá metoda. Při ultrafialovém světelném záření se v důsledku interního fázového posunu nebo reakce s okolním prostředím (plyn, pára a kapalina) změní materiálové vlastnosti. Nejběžnější aplikací, která využívá fotochemické vlastnosti laserového zpracování, je aditivní výrobní proces multiphotonové polymerace pomocí laserového záření. Poskytuje jedinečné zpracovatelské nástroje pro 3D chemické zpracování polymerů a kompozitů. Totéž platí pro grafen na bázi uhlíku, který lze také chemicky upravit silnou UV oxidací.
Grafen je jedinečný materiál bez ohledu na jeho elektronické vlastnosti nebo optické vlastnosti. Grafen ověřil nelineární optické efekty, jako je absorpce více fotonů, generování plazmy (plazma je kolektivní excitace elektronických&"; tekutin GG"; ve vodivých materiálech), Q-spínání atd. Zkoumáním těchto nelineárních optických efektů se očekává že vysoce intenzivní viditelné světlo lze použít ke změně chemických a optických vlastností grafenu. Obrázek 2 ukazuje typickou reakci lokální oxidace grafenu pomocí ultrarychlého laseru 515 nm v atmosféře kyslík / voda.
Obrázek 2: Elektronový mikrograf oxidačních proužků grafenu.
Výsledkem je, že při vysokorychlostní metodě zpracování (s tradičním optickým skenerem při rychlosti zpracování až několik metrů za sekundu) může vytvořit volnou strukturu s submikronovým rozlišením (bez stopy). Má povrchové vlastnosti, jako je extrémní spínání a rozdíl vodivosti, získání manévrovatelnosti a smáčivosti. Tento výsledek je velmi užitečný a může rychle vyvinout celou řadu zařízení nebo zařízení používaných v biologických, bezpečnostních nebo komunikačních oblastech.
Různé technické vlastnosti grafenu dnes daleko převyšují tradiční pevné látky používané v elektronice, mikroelektromechanických systémech (MEMS) a mikrooptoelektromechanických systémech (MOEMS). Tyto nové funkce je třeba dále prozkoumat, aby bylo možné použít laserové zpracování k získání technologií s větším měřítkem, vyšší rychlostí, vyšší reprodukovatelností a lepší čistotou, aby bylo možné integrovat grafen do nových mikroelektronických platforem.