Ultra rýchle lasery (pikosekundy alebo femtosekundy) sa čoraz viac používajú pri spracovaní filmových vzorov na vývoj a výrobu mikroelektronických a nanoelektronických zariadení. Medzi jeho produktové aplikácie patria fotovoltaické články, displeje, senzory alebo veľkoformátové elektronické elektronické výrobky. Medzi hlavné výhody ultrarýchlych laserov patrí obmedzený tepelný efekt a rýchly rozptyl energie, čo pomáha realizovaťvzorspracovanie komplexných ultratenkých viacvrstvových filmových štruktúr.
Príchod éry nanomateriálov poskytuje nové možnosti spracovania extrémne vysokorýchlostného, vysokoúčinného a miniaturizovaného zariadenia. Spracovanie takýchto nových nanomateriálov s takou hrúbkou, ako je jedna atómová vrstva, je však technicky veľmi náročné. Tento článok popisuje použitie ultrarýchlych laserov na farebné spracovanie dvojrozmerných uhlíkových mriežok na atómovej úrovni, menovite grafénu.
Grafénové a laserové žiarenie
V posledných desiatich rokoch získal grafén veľkú pozornosť vďaka svojim jedinečným vlastnostiam a jeho použitiu v rôznych oblastiach vrátane fotovoltaických článkov, optoelektroniky, senzorov, chemických reakcií a ukladania energie. Tento priemysel postupne vyvinul množstvo technológií založených na graféne založených na tradičných metódach, ako je kremíková mikroelektronika. Laserové spracovanie sa práve začalo používať pri vývoji grafénového zariadenia, ale ukázalo sa, že má veľký potenciál. Laserové lúče sa môžu použiť na vykonávanie rôznych ošetrení grafénu, vrátane laserom podporovaného rastu grafénu a ablácie vzoru na rôznych substrátoch.
Ultra rýchle lasery môžu použiť jednokrokový laserový proces s priamym zápisom ako náhradu za viacstupňový fotolitografický proces. Je to životne dôležitý a mimoriadne prospešný proces, ktorý zabraňuje akýmkoľvek nečistotám vznikajúcim na povrchu grafénu v dôsledku mokrého spracovania.
Grafová ablácia
Hoci je hrúbka len taká hustá ako jeden alebo niekoľko atómových monovrstiev, miera absorpcie svetla grafénu je v širokom okne elektromagnetického spektra pomerne vysoká. V prípade jednovrstvového suspendovaného grafénu je presná hodnota merania viditeľného svetla 2,3%. Okrem toho, v závislosti na vlastnostiach substrátu a spojovacieho povrchu, môže byť nasiakavosť grafénu na špecifickom substráte dokonca desaťkrát vyššia. Pri použití ultrarýchlych laserov s vysokou hustotou fotónov je možné rýchlosť absorpcie ďalej zvýšiť.
Obrázok 1: Príklad laserovej ablácie rozsiahlych grafénových obrazcov.
Toto poskytuje možnosť presnej a účinnej laserovej ablácie grafénu (obrázok 1). Elektronické aplikácie často vyžadujú umiestnenie grafénu na tepelne pestovaný oxid kremičitý na povrchu kremíkového substrátu. V tejto štruktúre vysokoúčinná absorpčná schopnosť grafénu zaisťuje, že sa grafén môže spracovávať laserovou abláciou bez poškodenia kremíka alebo oxidu kremíka.
Pretože hrúbka grafénu je na atómovej úrovni, je možné na zníženie celkového času spracovania použiť jednorazovú ablačnú metódu. Veľkosť prvkov 1μm alebo je možné získať aj tenšie a laserom indukované multipotónové spracovanie sa môže použiť na dosiahnutie rozlíšenia pod vlnovou dĺžkou.
Fotochémia grafénu
Fotochemické spracovanie povrchu materiálu je dobre známou metódou. Pri ultrafialovom svetelnom žiarení sa v dôsledku vnútorného fázového posunu alebo reakcie s okolitým prostredím (plyn, para a kvapalina) vlastnosti materiálu zmenia. Najbežnejšou aplikáciou, ktorá využíva fotochemické vlastnosti laserového spracovania, je aditívny výrobný proces multipotónovej polymerizácie pomocou laserového žiarenia. Poskytuje jedinečné spracovateľské nástroje pre 3D chemické spracovanie polymérov a kompozitov. To isté platí pre uhlík na báze grafénu, ktorý môže byť tiež chemicky modifikovaný silnou oxidáciou UV.
Graphene je jedinečný materiál bez ohľadu na jeho elektronické vlastnosti alebo optické vlastnosti. Graphene overil nelineárne optické efekty, ako je multipotónová absorpcia, tvorba plazmy (plazma je kolektívne budenie elektronických&"tekutín GG" vo vodivých materiáloch), Q-prepínanie atď. Pri skúmaní týchto nelineárnych optických efektov sa očakáva, že že viditeľné svetlo s vysokou intenzitou sa môže použiť na zmenu chemických a optických vlastností grafénu. Obrázok 2 ukazuje typickú reakciu lokálnej oxidácie grafénu s použitím 515nm ultra rýchlyho lasera v atmosfére kyslík / voda.
Obrázok 2: Elektrónový mikrograf grafenových oxidačných prúžkov.
Výsledkom je, že pri vysokorýchlostnom spôsobe spracovania (s tradičným optickým skenerom pri rýchlosti spracovania až niekoľko metrov za sekundu) môže vytvoriť voľnú štruktúru so sub-mikrónovým rozlíšením (bez stopy). Má povrchové vlastnosti, ako je extrémne prepínanie a rozdiel vodivosti, dosiahnutie ľahkej ovládateľnosti a zmáčateľnosti. Tento výsledok je veľmi užitočný a môže rýchlo vyvinúť celý rad zariadení alebo zariadení používaných v biologických, bezpečnostných alebo komunikačných oblastiach.
Rôzne technické vlastnosti grafénu ďaleko presahujú tradičné materiály v tuhom stave používané v elektronike, mikroelektromechanických systémoch (MEMS) a mikro-optoelektromechanických systémoch (MOEMS). Tieto nové vlastnosti je potrebné ďalej skúmať, aby sa umožnilo použitie laserového spracovania na získanie technológií s väčším rozsahom, vyššou rýchlosťou, vyššou reprodukovateľnosťou a lepšou čistotou, aby sa grafén mohol integrovať do nových mikroelektronických platforiem.