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超快激光对石墨烯花色处理的应用
2022-01-29 00:03
本文摘要:超快激光器(皮秒或飞秒型)在微电子设备和纳米电子设备研发和生产用薄膜图案加工中的应用于日益普遍,其产品应用于还包括光伏电池、显示器、传感器或大幅面有机电子产品等。超快激光器的主要优势包括热效应受限、能量弥漫慢,有助构建简单的超薄型多层薄膜结构的花色处置。 纳米材料时代的到来为极高速、高效和小型化的设备获取了新的加工可能性。但是对厚度较低至单原子层的这类新型纳米材料展开加工,在技术上极具挑战。 本文叙述了用超快激光器对原子级二维碳晶格,即石墨烯展开花色处置的应用于。

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超快激光器(皮秒或飞秒型)在微电子设备和纳米电子设备研发和生产用薄膜图案加工中的应用于日益普遍,其产品应用于还包括光伏电池、显示器、传感器或大幅面有机电子产品等。超快激光器的主要优势包括热效应受限、能量弥漫慢,有助构建简单的超薄型多层薄膜结构的花色处置。

  纳米材料时代的到来为极高速、高效和小型化的设备获取了新的加工可能性。但是对厚度较低至单原子层的这类新型纳米材料展开加工,在技术上极具挑战。

本文叙述了用超快激光器对原子级二维碳晶格,即石墨烯展开花色处置的应用于。  石墨烯与激光辐射  过去十多年间,由于其性能独有、限于于还包括光伏电池、光电子、传感器、化学反应、储能等在内的多种领域,石墨烯引起了大量的注目。

行业相继研发出有了多种基于硅微电子等传统手段的石墨烯型技术。激光加工才刚开始被用作石墨烯设备的研发,但早已表明出有了极大的潜力。激光束可用作对石墨烯展开各种处置,还包括激光辅助石墨烯生长(LIG,源于碳化硅和聚酰亚胺)、在有所不同基材上展开花型消融、甚至是做到化学改性(水解和功能化,图1),并可用作有所不同的光电子、光子、纳机电系统(NEMS)设备的一体化。

    图1:在有所不同条件下,有所不同激光脉冲能量对于石墨烯的局部消融或水解示意图。  超快激光器可使用单步骤、直写式激光工艺来替代多步光刻工艺,这对于防止因湿法加工而在石墨烯表面构成任何杂质是至关重要,且十分有益的一种工艺。

  石墨烯的花纹消融  尽管厚度仅有一个或几个原子单层那么薄,石墨烯的光吸收率在很长的电磁波序窗口范围内都比较较高。对于单层漂浮石墨烯而言,红外线的精确测量值为2.3%。此外,根据基材性质和接合面的有所不同,特定基材上的石墨烯的吸收率甚至可以低10倍。

当用于光子密度很高的超快激光器时,吸收率还可以更进一步获得提升。    图2:大尺寸石墨烯图案的激光消融示例。  这为石墨烯构建精准和高效的激光消融获取了可能性(图2)。电子应用于一般来说必须将石墨烯放到坐落于硅基片上方的热生长硅氧化物上。

在这种结构中,石墨烯的高效吸取性能保证需要在不损毁硅或硅氧化物(图3)的情况下对石墨烯展开激光消融加工。    图3:在可见皮秒激光脉冲下,结构化石墨烯(300nm)在硅氧化物/硅(SiO2/Si)的工艺图。

  由于石墨烯的厚度为原子级,有可能用于单发式的消融方法,以延长总体加工时间。可以取得1m甚至更加较低的特征尺寸,并可用于激光诱导多光子加工方式,以构建亚波长分辨率。  石墨烯的光化学性  对材料表面展开光化学加工是众所周知的方法,在光(一般是UV)电磁辐射下,由于内部振幅的移往或与周围环境(气体、蒸汽和液体)等的反应,材料性质不会发生变化。最少见的利用激光加工中光化学特性的应用于,是用激光辐射展开多光子单体的增材生产工艺。

它为聚合物和复合材料的3D化学加工获取了独有的加工工具。对于某种程度可以通过强劲UV水解展开化学改性的碳基石墨烯,也是如此。  不管就是指电子特性还是光学特性来看,石墨烯都是独有的材料。

石墨烯对非线性光学效应展开了检验,如多光子吸收性、等离子体的产生(等离子体是导电材料中电子流体的集体唤起)、Q-电源等。通过探寻这些非线性光学效应,未来将会用高强度红外线来转变石墨烯的化学和光学特性。图4表明的是在氧气/水气氛条件下用于一款515nm的超快激光器对石墨烯展开局部水解的典型反应。

  结果是,需要以高速加工的方式(用传统光学扫描仪在超过每秒几米的加工速度下)产生亚微米分辨率的权利结构(无痕)。具备极值电源和导电亲率差异、取得光操纵性以及润湿性等表面特性。

这一结果十分简单,可以较慢研发各种用作生物、安全性或通讯领域的设备或装置。    图4:石墨烯水解条纹的电子显微照片。  石墨烯的各种技术特性相比之下打破当今用作电子、微机电系统(MEMS)以及微光机电系统(MOEMS)中的传统固态材料。这些新的特性还有待更进一步考古,使激光加工的用于取得规模更大、速度更加慢、再现性更高、纯度更佳的技术,以便将石墨烯构建到新的微电子平台中。


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