日本研究人员通过飞秒激光钻发现石墨烯清洁新方法

近日，日本东北大学的研究人员开发出一种利用飞秒激光清洁石墨烯的方法，这种方法可以改善微米和纳米级的材料加工。该方法是建立在该团队在今年1月的工作基础上，使用飞秒激光器发出极短、快速的光脉冲，在没有真空的情况下对氮化硅器件（厚度从5纳米到50纳米不等）进行微纳米加工。

（a）激光加工系统示意图。（b）在石墨烯薄膜上形成32个激光点。（c）经过多点钻孔的石墨烯薄膜的图像

研究人员展示了用飞秒激光对通过化学气相沉积法生长的自悬浮单层石墨烯进行处理，从而实现多点钻孔，孔的直径小于100纳米。扫描透射电子显微镜显示，经激光照射的石墨烯上形成了许多纳米孔。此外，高分辨率透射电子显微镜还在石墨烯膜上发现了原子级缺陷和纳米孔，而整体晶体结构保持完好。

在近期出版的《纳米快报》上，研究小组使用同样的方法描述了在石墨烯薄膜上钻出多点孔洞而不损坏石墨烯薄膜的过程。然而，当使用电子显微镜检查用低能量激光脉冲照射过的区域时（激光脉冲不会造成孔洞），他们发现石墨烯上的污染物也被清除了。进一步放大后，他们发现了直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，即石墨烯晶体结构中缺少几个碳原子。

通过扫描透射电子显微镜观察激光处理的石墨烯薄膜。黑色区域表示通孔，白色物体表示表面污染物

石墨烯中的原子缺陷既可能是有害的，也可能是有利的，具体取决于应用情况。虽然缺陷有时会降低某些特性，但它们也可以引入新的功能或增强特定特性。制造微米/纳米级材料通常采用纳米光刻法和聚焦离子束法。然而，这些方法需要大型设备、较长的制造时间和复杂的操作。

日本东北大学先进材料多学科研究所助理教授Yuuki Uesugi说：“通过对输入能量和激光发射次数的适当控制，我们能够进行精确加工并制造出直径从70纳米（远小于520纳米的激光波长）到1毫米以上的孔。

通过高倍率透射电子显微镜获得的图像。红色区域表示纳米孔。蓝色区域表示污染物。原子缺陷存在于箭头所示的位置

Uesugi补充说：“通过观察纳米孔和缺陷的密度随激光能量和发射次数成比例增加的趋势。我们得出结论：纳米孔和缺陷的形成可以通过飞秒激光照射来控制。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。此外，这项研究中发现的飞秒激光照射去除污染物的方法，可以开发出一种无损、清洁清洗高纯度石墨烯的新方法。

由于钻孔实验的成功，研究人员现在计划建立一种飞秒激光清洁技术，并研究原子缺陷的形成。他们声称，进一步的突破将对量子材料研究和生物传感器开发等领域产生重大影响。