לאחרונה, חוקרים באוניברסיטת טוהוקו(יפן) השתמשו בלייזרי פמט-שנייה כדי לייצר סרטי מיקרו/ננוגרפן בהצלחה, ליצור חורים מרובי נקודות ללא נזק והסרת מזהמים. הצוות אומר שהטכניקה תחליף בתקווה שיטות קונבנציונליות ומורכבות יותר, מה שיוביל להתקדמות פוטנציאלית במחקר חומרים קוונטיים ופיתוח ביוחיישן.
גרפן התגלה בשנת 2004, והשפעתו המשבשת השפיעה מאז על תחומים מדעיים שונים. יש לו תכונות יוצאות דופן כמו ניידות אלקטרונית גבוהה, חוזק מכני ומוליכות תרמית. עד כה, התעשייה השקיעה זמן ומאמץ משמעותיים כדי לחקור את הפוטנציאל של גרפן כחומר מוליכים למחצה מהדור הבא, מה שהוביל לפיתוח של טרנזיסטורים מבוססי גרפן, אלקטרודות שקופות וחיישנים.
עם זאת, המפתח להפיכת המכשירים הללו לזמינים ליישומים מעשיים הוא טכנולוגיית עיבוד יעילה, מה שאומר גם שניתן לבנות סרטי גרפן בקנה מידה מיקרו וננו. בדרך כלל, ננוליטוגרפיה ושיטות אלומת יונים ממוקדות משמשות לעיבוד חומרים מיקרו/ננומטריים וייצור מכשירים. עם זאת, הצורך בציוד גדול, זמני ייצור ארוכים ופעולות מורכבות מציבים אתגרים ארוכי טווח עבור חוקרי מעבדה.
עוד בינואר, חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו ביפן המציאו טכניקה המאפשרת יצור מיקרו/ננו של התקני סיליקון ניטריד דקים בעוביים שבין 5 ל-50 ננומטר. השיטה משתמשת ב- aלייזר פמט שנייהשפולט פולסים קצרים מאוד, מהירים מאוד של אור. הוא הוכיח שהוא מסוגל לעבד חומרים דקים במהירות ובקלות ללא סביבת ואקום.
על ידי יישום שיטה זו על השכבות האטומיות הדקות במיוחד של גרפן, אותה קבוצת מחקר ביצעה כעת קידוח רב נקודות בהצלחה מבלי לפגוע בסרט הגרפן. הצלחתם עם פריצת הדרך הזו פורסמה בגיליון 16 במאי 2023 של Nano Letters.
Yuuki Uesugi, עוזר פרופסור במכון המחקר הרב-תחומי לחומרים מתקדמים באוניברסיטת טוהוקו ביפן ומחבר המאמר, אמר: "על ידי שליטה נכונה באנרגיית הכניסה ובמספר פלטי הלייזר, הצלחנו לבצע עיבוד מדויק ליצור חורים בקטרים הנעים בין 70 ננומטר ליותר מ-1 מ"מ, וזה הרבה יותר קטן מאורך גל הלייזר של 520 ננומטר."
לאחר בחינה מדוקדקת יותר של האזור שהוקרן על ידי דופק הלייזר בעל האנרגיה הנמוכה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים בעל ביצועים גבוהים, Uesugi ועמיתיו גילו שגם מזהמים הוסרו מהגרפן. תצפיות מוגדלות נוספות גילו ננו-נקבוביות בקוטר של פחות מ-10 ננומטר ופגמים ברמה האטומית במבנה הגבישי של הגרפן, שבו חסרו כמה אטומי פחמן.
בהתאם ליישום, לפגמים אטומיים בגרפן יש גם צדדים מזיקים וגם מועילים. בעוד שפגמים יכולים לפעמים לפגום במאפיינים מסוימים, הם יכולים גם להציג פונקציות חדשות או לשפר תכונות ספציפיות.
Uesugi הוסיף, "צפינו בנטייה לצפיפות של ננו-נקבוביות ולפגמים לעלות באופן פרופורציונלי עם האנרגיה ומספר הקרנות הלייזר והגענו למסקנה כי - ניתן לשלוט על היווצרות ננו-נקבוביות ופגמים באמצעות הקרנת לייזר פמט-שנייה". "על ידי יצירת ננו-נקבוביות ופגמים ברמה האטומית בגרפן, ניתן לשלוט לא רק במוליכות אלא גם במאפיינים ברמה הקוונטית כמו ספין ועמק. בנוסף, הסרת הלייזר בפמט-שנייה של מזהמים שנמצאו במחקר זה עשויה להוביל לפיתוח של שיטה חדשה לניקוי לא הרסני של גרפן שטוף בטוהר גבוה."
במבט קדימה, הצוות שואף לבסס טכניקת ניקוי באמצעות לייזרים ולערוך מחקרים מפורטים כיצד לבצע היווצרות פגמים אטומיים. לפריצות דרך נוספות תהיה השפעה משמעותית על תחומים החל מחקר חומרים קוונטיים ועד לפיתוח ביוחיישן.
