納米材料時代的來臨為極高速、高效和小型化的設備提供了新的加工可能性。但是對厚度低至單原子層的這類新型納米材料進行加工,在技術上極富挑戰。本文描述了用超快激光器對原子級二維碳晶格,即石墨烯進行花色處理的應用。
石墨烯與激光輻射
過去十多年間,由於其性能獨特、適用於包括光伏電池、光電子、傳感器、化學反應、儲能等在內的多種領域,石墨烯引發了大量的關注。行業陸續開發出了多種基於矽微電子等傳統手段的石墨烯型技術。激光加工才剛開始被用於石墨烯設備的開發,但已經顯示出了巨大的潛力。激光束可用於對石墨烯進行各種處理,包括激光輔助石墨烯生長(LIG, 源自碳化矽和聚酰亞胺)、在不同基材上進行花型消融、甚至是做化學改性(氧化和功能化,圖1),並可用於不同的光電子、光子、納機電係統(NEMS)設備的一體化。
圖1:在不同條件下,不同激光脈衝(chong) 能量對於(yu) 石墨烯的局部消融或氧化示意圖。
超快激光器可采用單步驟、直寫(xie) 式激光工藝來替代多步光刻工藝,這對於(yu) 避免因濕法加工而在石墨烯表麵形成任何雜質是至關(guan) 重要,且極為(wei) 有益的一種工藝。
石墨烯的花紋消融
盡管厚度僅(jin) 有一個(ge) 或幾個(ge) 原子單層那麽(me) 厚,石墨烯的光吸收率在很寬的電磁波譜窗口範圍內(nei) 都相對較高。對於(yu) 單層懸浮石墨烯而言, 可見光的精確測量值為(wei) 2.3%。此外, 根據基材性質和接合麵的不同, 特定基材上的石墨烯的吸收率甚至可以高10倍。當使用光子密度很高的超快激光器時,吸收率還可以進一步得到提高。
圖2:大尺寸石墨烯圖案的激光消融示例。
這為(wei) 石墨烯實現精準和高效的激光消融提供了可能性(圖2)。電子應用通常需要將石墨烯放在位於(yu) 矽基片上方的熱生長矽氧化物上。在這種結構中,石墨烯的高效吸收性能確保能夠在不損壞矽或矽氧化物(圖3)的情況下對石墨烯進行激光消融加工。
圖3:在可見皮秒激光脈衝(chong) 下,結構化石墨烯(300nm)在矽氧化物/矽(SiO2/Si)的工藝圖。
由於(yu) 石墨烯的厚度為(wei) 原子級,有可能使用單發式的消融方法,以縮短總體(ti) 加工時間。可以獲得1μm甚至更低的特征尺寸,並可使用激光誘導多光子加工方式,以實現亞(ya) 波長分辨率。
石墨烯的光化學性
對材料表麵進行光化學加工是眾(zhong) 所周知的方法,在光(一般是UV)輻射下,由於(yu) 內(nei) 部相位的轉移或與(yu) 周圍環境(氣體(ti) 、蒸汽和液體(ti) )等的反應,材料性質會(hui) 發生變化。最常見的利用激光加工中光化學特性的應用,是用激光輻射進行多光子聚合的增材製造工藝。它為(wei) 聚合物和複合材料的3D化學加工提供了獨特的加工工具。對於(yu) 同樣可以通過強UV氧化進行化學改性的碳基石墨烯,也是如此。
不管是從(cong) 電子特性還是光學特性來看,石墨烯都是獨特的材料。石墨烯對非線性光學效應進行了驗證,如多光子吸收性、等離子體(ti) 的產(chan) 生(等離子體(ti) 是導電材料中電子“流體(ti) ”的集體(ti) 激發)、Q-開關(guan) 等。通過探索這些非線性光學效應,有望用高強度可見光來改變石墨烯的化學和光學特性。圖4顯示的是在氧氣/水氣氛條件下使用一款515nm的超快激光器對石墨烯進行局部氧化的典型反應。
結果是,能夠以高速加工的方式(用傳(chuan) 統光學掃描儀(yi) 在高達每秒幾米的加工速度下)產(chan) 生亞(ya) 微米分辨率的自由結構(無痕)。具有極值開關(guan) 和導電率差異、獲得光操縱性以及潤濕性等表麵特性。這一結果非常有用,可以快速開發各種用於(yu) 生物、安全或通訊領域的設備或裝置。
圖4:石墨烯氧化條紋的電子顯微照片。
石墨烯的各種技術特性遠遠超越當今用於(yu) 電子、微機電係統(MEMS)以及微光機電係統(MOEMS) 中的傳(chuan) 統固態材料。這些新特性還有待進一步發掘,使激光加工的使用獲得規模更大、速度更快、重現性更高、純度更好的技術,以便將石墨烯集成到新的微電子平台中。
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