Ultraszybkie lasery (pikosekundy lub femtosekundy) są coraz częściej wykorzystywane w przetwarzaniu wzorów folii do opracowywania i produkcji urządzeń mikroelektronicznych i nanoelektronicznych. Jej zastosowania produktowe obejmują ogniwa fotowoltaiczne, wyświetlacze, czujniki lub wielkoformatowe organiczne produkty elektroniczne. Główne zalety ultraszybkich laserów to ograniczony efekt termiczny i szybkie rozpraszanie energii, co pomaga zrealizowaćwzórprzetwarzanie złożonych ultracienkich, wielowarstwowych struktur filmowych.
Nadejście ery nanomateriałów zapewnia nowe możliwości przetwarzania niezwykle szybkich, wysoce wydajnych i zminiaturyzowanych urządzeń. Jednak przetwarzanie takich nowych nanomateriałów o grubości zaledwie pojedynczej warstwy atomowej jest technicznie niezwykle trudne. W artykule opisano zastosowanie ultraszybkich laserów do przetwarzania koloru dwuwymiarowych sieci węglowych na poziomie atomowym, a mianowicie grafenu.
Grafen i promieniowanie laserowe
W ciągu ostatnich dziesięciu lat grafen wzbudził duże zainteresowanie ze względu na swoje wyjątkowe właściwości i zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym w ogniwach fotowoltaicznych, optoelektronice, czujnikach, reakcjach chemicznych i magazynowaniu energii. W przemyśle sukcesywnie rozwijano różnorodne technologie oparte na grafenie, oparte na tradycyjnych metodach, takich jak krzemowa mikroelektronika. Obróbka laserowa właśnie zaczęła być wykorzystywana w opracowywaniu sprzętu grafenowego, ale wykazała duży potencjał. Wiązki laserowe mogą być używane do wykonywania różnych zabiegów na grafenie, w tym wspomaganego laserem wzrostu grafenu i ablacji wzoru na różnych podłożach.
Ultraszybkie lasery mogą wykorzystywać jednoetapowy, bezpośredni proces laserowy do zastąpienia wieloetapowego procesu fotolitografii. Jest to istotny i niezwykle korzystny proces pozwalający uniknąć wszelkich zanieczyszczeń powstających na powierzchni grafenu w wyniku obróbki na mokro.
Ablacja wzoru grafenowego
Chociaż grubość jest tak gruba, jak jedna lub kilka monowarstw atomowych, szybkość pochłaniania światła przez grafen jest stosunkowo wysoka w szerokim oknie widma elektromagnetycznego. W przypadku jednowarstwowego zawieszonego grafenu dokładna wartość pomiaru światła widzialnego wynosi 2,3%. Dodatkowo w zależności od właściwości podłoża i powierzchni klejenia chłonność grafenu na danym podłożu może być nawet 10-krotnie wyższa. Stosując ultraszybkie lasery o dużej gęstości fotonów, można jeszcze bardziej poprawić szybkość absorpcji.
Rysunek 1: Przykład ablacji laserowej wielkoskalowych wzorów grafenu.
Daje to możliwość precyzyjnej i wydajnej laserowej ablacji grafenu (rys. 1). Zastosowania elektroniczne często wymagają umieszczenia grafenu na termicznie wytworzonym tlenku krzemu na wierzchu krzemowego podłoża. W tej strukturze, wysoka wydajność absorpcji grafenu zapewnia, że grafen może być przetwarzany przez ablację laserową bez uszkadzania krzemu lub tlenku krzemu.
Ponieważ grafen ma grubość na poziomie atomowym, możliwe jest zastosowanie metody ablacji jednostrzałowej w celu skrócenia całkowitego czasu przetwarzania. Rozmiary funkcji 1μm lub nawet cieńszy, a przetwarzanie wielofotonowe indukowane laserem może być wykorzystane do uzyskania rozdzielczości poniżej długości fali.
Fotochemia grafenu
Dobrze znaną metodą jest fotochemiczna obróbka powierzchni materiału. Pod wpływem promieniowania ultrafioletowego, z powodu wewnętrznego przesunięcia fazowego lub reakcji z otaczającym środowiskiem (gaz, para i ciecz), właściwości materiału ulegną zmianie. Najpowszechniejszym zastosowaniem wykorzystującym właściwości fotochemiczne obróbki laserowej jest proces wytwarzania przyrostowego polegający na polimeryzacji wielotonowej z wykorzystaniem promieniowania laserowego. Zapewnia unikalne narzędzia do obróbki chemicznej 3D polimerów i kompozytów. To samo dotyczy grafenu na bazie węgla, który można również modyfikować chemicznie poprzez silne utlenianie UV.
Grafen to wyjątkowy materiał niezależnie od jego właściwości elektronicznych czy optycznych. Grafen zweryfikował nieliniowe efekty optyczne, takie jak absorpcja wielofotonowa, generowanie plazmy (plazma jest zbiorowym wzbudzeniem elektronicznego GG; płyny GG; w materiałach przewodzących), przełączanie Q itp. Badając te nieliniowe efekty optyczne, oczekuje się że światło widzialne o dużej intensywności można wykorzystać do zmiany chemicznych i optycznych właściwości grafenu. Rysunek 2 przedstawia typową reakcję miejscowego utleniania grafenu przy użyciu ultraszybkiego lasera 515 nm w atmosferze tlen / woda.
Rysunek 2: Mikrografia elektronowa pasków utleniania grafenu.
W rezultacie może on tworzyć dowolną strukturę o rozdzielczości submikronowej (bez śladu) w szybkiej metodzie przetwarzania (za pomocą tradycyjnego skanera optycznego z szybkością przetwarzania do kilku metrów na sekundę). Charakteryzuje się właściwościami powierzchni, takimi jak ekstremalne przełączanie i różnica przewodnictwa, co zapewnia lekką manewrowość i zwilżalność. Wynik ten jest bardzo użyteczny i może szybko opracować różnorodny sprzęt lub urządzenia wykorzystywane w dziedzinie biologii, bezpieczeństwa lub komunikacji.
Różne parametry techniczne grafenu znacznie przewyższają tradycyjne materiały półprzewodnikowe stosowane obecnie w elektronice, układach mikroelektromechanicznych (MEMS) i mikroopto-elektromechanicznych (MOEMS). Te nowe cechy muszą być dalej badane, aby umożliwić wykorzystanie przetwarzania laserowego w celu uzyskania technologii o większej skali, większej szybkości, większej odtwarzalności i lepszej czystości w celu zintegrowania grafenu z nowymi platformami mikroelektronicznymi.