Ultrasnelle lasers (picoseconden of femtoseconden) worden in toenemende mate gebruikt bij de verwerking van filmpatronen voor de ontwikkeling en productie van micro-elektronica en nano-elektronische apparaten. Zijn producttoepassingen omvatten fotovoltaïsche cellen, displays, sensoren of organische elektronische producten van groot formaat. De belangrijkste voordelen van ultrasnelle lasers zijn onder meer een beperkt thermisch effect en snelle energiedissipatie, wat helpt bij het realiseren van depatroonverwerking van complexe ultradunne meerlagige filmstructuren.
De komst van het tijdperk van nanomaterialen biedt nieuwe verwerkingsmogelijkheden voor uiterst snelle, zeer efficiënte en geminiaturiseerde apparatuur. Het verwerken van dergelijke nieuwe nanomaterialen met diktes zo laag als een enkele atoomlaag is echter technisch zeer uitdagend. Dit artikel beschrijft de toepassing van ultrasnelle lasers voor de kleurverwerking van tweedimensionale koolstofroosters op atomair niveau, namelijk grafeen.
Grafeen en laserstraling
In de afgelopen tien jaar heeft grafeen veel aandacht getrokken vanwege zijn unieke eigenschappen en zijn toepassing op verschillende gebieden, waaronder fotovoltaïsche cellen, opto-elektronica, sensoren, chemische reacties en energieopslag. De industrie heeft achtereenvolgens een verscheidenheid aan op grafeen gebaseerde technologieën ontwikkeld op basis van traditionele methoden zoals siliciummicro-elektronica. Laserverwerking is net begonnen te worden gebruikt bij de ontwikkeling van grafeenapparatuur, maar heeft een groot potentieel laten zien. Laserstralen kunnen worden gebruikt om verschillende behandelingen op grafeen uit te voeren, waaronder laserondersteunde grafeengroei en patroonablatie op verschillende substraten.
Ultrasnelle lasers kunnen een eenstaps, direct-write laserproces gebruiken om het meerstaps fotolithografieproces te vervangen. Dit is een essentieel en buitengewoon gunstig proces om eventuele onzuiverheden die door natte verwerking op het grafeenoppervlak worden gevormd, te voorkomen.
Grafeenpatroon ablatie
Hoewel de dikte slechts zo dik is als een of enkele atomaire monolagen, is de lichtabsorptiesnelheid van grafeen relatief hoog in een breed elektromagnetisch spectrumvenster. Voor enkellaags zwevend grafeen is de nauwkeurige meetwaarde van zichtbaar licht 2,3%. Bovendien kan, afhankelijk van de eigenschappen van het substraat en het hechtoppervlak, het absorptievermogen van grafeen op een specifiek substraat zelfs 10 keer hoger zijn. Bij gebruik van ultrasnelle lasers met een hoge fotondichtheid kan de absorptiesnelheid verder worden verbeterd.
Figuur 1: een voorbeeld van laserablatie van grootschalige grafeenpatronen.
Dit biedt de mogelijkheid voor nauwkeurige en efficiënte laserablatie van grafeen (Figuur 1). Bij elektronische toepassingen moet grafeen vaak op thermisch gegroeid siliciumoxide op een siliciumsubstraat worden geplaatst. In deze structuur zorgt de zeer efficiënte absorptie van grafeen ervoor dat het grafeen kan worden verwerkt door laserablatie zonder schade aan silicium of siliciumoxide.
Omdat de dikte van grafeen op atomair niveau ligt, is het mogelijk om een single-shot ablatiemethode te gebruiken om de totale verwerkingstijd te verkorten. Feature maten van 1μm of zelfs dunner kan worden verkregen, en lasergeïnduceerde multiphotonverwerking kan worden gebruikt om subgolflengtesresolutie te bereiken.
De fotochemie van grafeen
De fotochemische bewerking van het materiaaloppervlak is een bekende methode. Onder ultraviolet licht, door de interne faseverschuiving of de reactie met de omgeving (gas, damp en vloeistof), zullen de materiaaleigenschappen veranderen. De meest voorkomende toepassing die de fotochemische eigenschappen van laserbewerking benut, is het additieve fabricageproces van multifotonpolymerisatie met behulp van laserstraling. Het biedt unieke verwerkingstools voor 3D-chemische verwerking van polymeren en composieten. Hetzelfde geldt voor grafeen op koolstofbasis dat ook chemisch kan worden gemodificeerd door sterke UV-oxidatie.
Grafeen is een uniek materiaal, ongeacht de elektronische eigenschappen of optische eigenschappen. Grafeen heeft niet-lineaire optische effecten geverifieerd, zoals absorptie van meerdere fotonen, plasmageneratie (plasma is de collectieve excitatie van elektronische" vloeistoffen" in geleidende materialen), Q-switching, enz. Door deze niet-lineaire optische effecten te onderzoeken, wordt verwacht dat dat zichtbaar licht met hoge intensiteit kan worden gebruikt om de chemische en optische eigenschappen van grafeen te veranderen. Figuur 2 toont een typische reactie van lokale oxidatie van grafeen met behulp van een 515 nm ultrasnelle laser in een zuurstof / water-atmosfeer.
Figuur 2: Elektronenmicroscoop van grafeenoxidatiestrepen.
Het resultaat is dat het een vrije structuur kan produceren met een submicronresolutie (geen spoor) in een snelle verwerkingsmethode (met een traditionele optische scanner met een verwerkingssnelheid tot enkele meters per seconde). Het heeft oppervlaktekenmerken zoals extreem schakelen en verschil in geleidbaarheid, waardoor lichte manoeuvreerbaarheid en bevochtigbaarheid worden verkregen. Dit resultaat is erg nuttig en kan snel een verscheidenheid aan apparatuur of apparaten ontwikkelen die worden gebruikt op biologisch, veiligheids- of communicatiegebied.
De verschillende technische kenmerken van grafeen overtreffen de traditionele solid-state materialen die tegenwoordig worden gebruikt in elektronica, micro-elektromechanische systemen (MEMS) en micro-opto-elektromechanische systemen (MOEMS). Deze nieuwe functies moeten verder worden onderzocht om het gebruik van laserverwerking mogelijk te maken om technologieën te verkrijgen met grotere schaal, hogere snelheid, hogere reproduceerbaarheid en betere zuiverheid om grafeen te integreren in nieuwe micro-elektronische platforms.