激光诱导单层石墨烯纳米加工

石墨烯于2004年被发现，彻底改变了各个科学领域。它具有高电子迁移率、机械强度和导热性等显著的性能。人们投入了大量的时间和精力来探索其作为下一代半导体材料的潜力，从而开发出了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器。

但要将这些器件投入实际应用，关键是要有有效的加工技术，可以在微米和纳米尺度上构建石墨烯薄膜。通常，微/纳米级材料加工和器件制造采用纳米光刻和聚焦离子束方法。然而，由于需要大型设备，制造时间长且操作复杂，都给实验室研究人员带来了长期的挑战。

通过激光照射对石墨烯薄膜进行钻孔的图示。碳原子的大小被夸大了，与实际大小不同

早在今年1月份，日本东北大学的研究人员就发明了一种技术，可以微/纳米制造厚度范围为5至50纳米的氮化硅薄器件。该方法采用飞秒激光，它发射极短、极快的光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速方便地加工薄材料。

通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，该研究小组现已成功地在不损坏石墨烯薄膜的情况下进行多点钻孔。并于2023年5月16日将成果发表在Nano Letters杂志上。

“通过适当控制输入能量和激光发射次数，我们能够执行精确加工并创建直径从70纳米（远小于520纳米的激光波长）到超过1毫米的孔，”日本东北大学先进材料多学科研究所助理教授，该论文的合著者说。

在通过高性能电子显微镜对低能量激光脉冲照射的区域进行更仔细的检查后，Uesugi和他的同事发现石墨烯上的污染物也被去除了。进一步放大观察发现直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，其中石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。石墨烯中的原子缺陷既有害又有利，具体取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些属性，但它们也会引入新功能或增强特定特性。

“观察到纳米孔和缺陷的密度随激光发射的能量和数量成比例增加的趋势，我们得出结论，可以通过使用飞秒激光照射来控制纳米孔和缺陷的形成，通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制自旋和谷等量子级特征。此外，在这项研究中发现的飞秒激光照射去除污染物可以开发一种无损清洁清洗高纯度石墨烯的新方法。”

该团队的目标是建立一种使用激光的清洁技术，并对如何进行原子缺陷形成进行详细研究。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生重大影响。