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Di Tohoku University3 giugno 2023

Illustrazione di una pellicola di grafene forata mediante irradiazione laser. La dimensione degli atomi di carbonio è esagerata e differisce dalla dimensione reale. Credito: Yuuki Uesugi et al.

Researchers at Tohoku University used a femtosecond laser to successfully micro/nanofabricate grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> pellicole di grafene, creando fori multipunto senza danni e rimuovendo i contaminanti. La tecnica potrebbe sostituire i metodi tradizionali e più complessi, offrendo potenziali progressi nella ricerca sui materiali quantistici e nello sviluppo di biosensori.

Scoperto nel 2004, il grafene ha rivoluzionato diversi campi scientifici. Possiede proprietà notevoli come elevata mobilità degli elettroni, resistenza meccanica e conduttività termica. Sono stati investiti molto tempo e impegno nell’esplorazione del suo potenziale come materiale semiconduttore di prossima generazione, portando allo sviluppo di transistor a base di grafene, elettrodi trasparenti e sensori.

But to render these devices into practical application, it's crucial to have efficient processing techniques that can structure graphene films at micrometer and nanometer scale. Typically, micro/nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> La lavorazione dei materiali su scala nanometrica e la produzione di dispositivi utilizzano la nanolitografia e metodi con fascio ionico focalizzato. Tuttavia, questi hanno posto sfide di lunga data per i ricercatori di laboratorio a causa della loro necessità di attrezzature su larga scala, tempi di produzione lunghi e operazioni complesse.

Già a gennaio, i ricercatori dell'Università di Tohoku hanno creato una tecnica in grado di micro/nanofabbricare dispositivi sottili di nitruro di silicio con spessori compresi tra 5 e 50 nanometri. Il metodo utilizzava un laser a femtosecondi, che emetteva impulsi di luce estremamente brevi e rapidi. Si è rivelato in grado di elaborare rapidamente e comodamente materiali sottili senza un ambiente sotto vuoto.

(a) Schema del sistema di elaborazione laser. (b) Formazione di 32 punti laser sulla pellicola di grafene. (c) Immagine di una pellicola di grafene che è stata perforata in più punti. Credito: Yuuki Uesugi et al.

Applicando questo metodo a uno strato atomico ultrasottile di grafene, lo stesso gruppo è ora riuscito a eseguire una perforazione multipunto senza danneggiare la pellicola di grafene. I dettagli della loro svolta sono stati riportati nella rivista Nano Letters il 16 maggio 2023.

"Con un controllo adeguato dell'energia in ingresso e del numero di colpi laser, siamo stati in grado di eseguire lavorazioni precise e creare fori con diametri che vanno da 70 nanometri - molto più piccoli della lunghezza d'onda del laser di 520 nanometri - a oltre 1 millimetro", afferma Yuuki Uesugi , professore assistente presso l'Istituto di ricerca multidisciplinare per i materiali avanzati dell'Università di Tohoku e coautore dell'articolo.

Immagine della pellicola di grafene lavorata al laser osservata mediante microscopia elettronica a trasmissione a scansione. Le aree nere indicano i fori passanti. Gli oggetti bianchi indicano contaminanti superficiali. Credito: Yuuki Uesugi et al.