Luz

Por Tohoku UniversityJunho 3, 2023

Ilustração de um filme de grafeno sendo perfurado por irradiação a laser. O tamanho dos átomos de carbono é exagerado e difere do tamanho real. Crédito: Yuuki Uesugi et al.

Researchers at Tohoku University used a femtosecond laser to successfully micro/nanofabricate grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> filmes de grafeno, criando furos multipontos sem danos e removendo contaminantes. A técnica pode substituir métodos tradicionais mais complexos, oferecendo avanços potenciais na pesquisa de materiais quânticos e no desenvolvimento de biossensores.

Descoberto em 2004, o grafeno revolucionou vários campos científicos. Possui propriedades notáveis, como alta mobilidade de elétrons, resistência mecânica e condutividade térmica. Muito tempo e esforço foram investidos na exploração de seu potencial como material semicondutor de próxima geração, levando ao desenvolvimento de transistores baseados em grafeno, eletrodos transparentes e sensores.

But to render these devices into practical application, it's crucial to have efficient processing techniques that can structure graphene films at micrometer and nanometer scale. Typically, micro/nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> o processamento de materiais em nanoescala e a fabricação de dispositivos empregam nanolitografia e métodos de feixe de íons focalizados. No entanto, eles representam desafios de longa data para os pesquisadores de laboratório devido à necessidade de equipamentos de grande escala, longos tempos de fabricação e operações complexas.

Em janeiro, pesquisadores da Universidade de Tohoku criaram uma técnica que poderia micro/nanofabricar dispositivos finos de nitreto de silício com espessuras variando de 5 a 50 nanômetros. O método empregava um laser de femtosegundo, que emitia pulsos de luz extremamente curtos e rápidos. Acabou sendo capaz de processar materiais finos de forma rápida e conveniente sem um ambiente de vácuo.

(a) Esquema do sistema de processamento a laser. (b) Formação de 32 pontos de laser no filme de grafeno. (c) Imagem de um filme de grafeno que foi perfurado em vários pontos. Crédito: Yuuki Uesugi et al.

Ao aplicar esse método a uma camada atômica ultrafina de grafeno, o mesmo grupo conseguiu realizar uma perfuração multiponto sem danificar o filme de grafeno. Detalhes de sua descoberta foram relatados na revista Nano Letters em 16 de maio de 2023.

"Com o controle adequado da energia de entrada e do número de disparos de laser, conseguimos executar usinagem precisa e criar furos com diâmetros que variam de 70 nanômetros - muito menor que o comprimento de onda do laser de 520 nanômetros - a mais de 1 milímetro", diz Yuuki Uesugi , professor assistente do Instituto de Pesquisa Multidisciplinar para Materiais Avançados da Universidade de Tohoku e coautor do artigo.

Imagem do filme de grafeno processado a laser observado por microscopia eletrônica de transmissão de varredura. As áreas pretas indicam orifícios passantes. Os objetos brancos indicam contaminantes de superfície. Crédito: Yuuki Uesugi et al.