Свръхбързите лазери (пикосекунди или фемтосекунди) се използват все по-често при обработката на филмови модели за разработване и производство на микроелектроника и наноелектронни устройства. Продуктовите му приложения включват фотоволтаични клетки, дисплеи, сензори или органични електронни продукти с голям формат. Основните предимства на свръхбързите лазери включват ограничен термичен ефект и бързо разсейване на енергията, което помага да се реализирамоделобработка на сложни ултратънки многослойни филмови структури.
Настъпването на ерата на наноматериалите предоставя нови възможности за обработка на изключително високоскоростно, високоефективно и миниатюризирано оборудване. Обаче обработката на такива нови наноматериали с дебелина толкова малка, колкото един атомен слой, е технически изключително трудна. Тази статия описва приложението на ултрабързи лазери за цветна обработка на двумерни въглеродни решетки на атомно ниво, а именно графен.
Графен и лазерно лъчение
През последните десет години графенът привлече много внимание поради уникалните си свойства и приложението си в различни области, включително фотоволтаични клетки, оптоелектроника, сензори, химични реакции и съхранение на енергия. Индустрията последователно разработва различни технологии на базата на графен, базирани на традиционни методи като силиконова микроелектроника. Лазерната обработка току-що започна да се използва при разработването на графеново оборудване, но показа голям потенциал. Лазерни лъчи могат да се използват за извършване на различни обработки на графен, включително нарастване на графена с помощта на лазер и аблация на различни субстрати.
Ултра бързите лазери могат да използват едноетапен лазерен процес с директно писане, за да заменят многостепенния фотолитографски процес. Това е жизненоважен и изключително полезен процес, за да се избегнат всякакви примеси, образувани на повърхността на графена поради мокра обработка.
Аблация на графенов модел
Въпреки че дебелината е толкова дебела, колкото един или няколко атомни монослоя, скоростта на абсорбция на светлина на графен е относително висока в широк прозорец на електромагнитния спектър. За еднослоен суспендиран графен точната стойност на измерване на видимата светлина е 2,3%. Освен това, в зависимост от свойствата на субстрата и свързващата повърхност, поглъщаемостта на графен върху конкретен субстрат може да бъде дори 10 пъти по-висока. Когато използвате ултрабързи лазери с висока фотонна плътност, скоростта на абсорбция може да бъде допълнително подобрена.
Фигура 1: Пример за лазерна аблация на мащабни графенови шарки.
Това предоставя възможност за прецизна и ефективна лазерна аблация на графен (Фигура 1). Електронните приложения често изискват поставянето на графен върху термично отгледан силициев оксид върху силициев субстрат. В тази структура високоефективната абсорбция на графена гарантира, че графенът може да бъде обработен чрез лазерна аблация, без да повреди силиций или силициев оксид.
Тъй като дебелината на графена е на атомно ниво, е възможно да се използва метод за еднократна аблация, за да се съкрати общото време за обработка. Размери на характеристиките 1μможе да се получи m или дори по-тънък и може да се използва многофотонна обработка, индуцирана от лазер, за постигане на разделителна способност под дължина на вълната.
Фотохимията на графен
Фотохимичната обработка на повърхността на материала е добре познат метод. При излъчване на ултравиолетова светлина, поради изместване на вътрешната фаза или реакция с околната среда (газ, пари и течност), свойствата на материала ще се променят. Най-честото приложение, което използва фотохимичните свойства на лазерната обработка, е добавъчният производствен процес на многофотонна полимеризация с помощта на лазерно излъчване. Той предоставя уникални инструменти за обработка за 3D химическа обработка на полимери и композити. Същото важи и за графена на въглеродна основа, който също може да бъде химически модифициран чрез силно UV окисляване.
Графенът е уникален материал, независимо от неговите електронни или оптични свойства. Графенът е проверил нелинейни оптични ефекти, като мултифотонна абсорбция, генериране на плазма (плазмата е колективно възбуждане на електронни" течности" в проводими материали), Q-превключване и др. Чрез изследване на тези нелинейни оптични ефекти се очаква че видимата светлина с висока интензивност може да се използва за промяна на химичните и оптичните свойства на графена. Фигура 2 показва типична реакция на локално окисление на графен с помощта на 515nm ултра бърз лазер в атмосфера кислород / вода.
Фигура 2: Електронна микрофотография на ленти за окисление на графен.
Резултатът е, че той може да създаде свободна структура с субмикронна разделителна способност (без следа) при високоскоростен метод на обработка (с традиционен оптичен скенер със скорост на обработка до няколко метра в секунда). Той има повърхностни характеристики като екстремно превключване и разлика в проводимостта, получаване на маневреност на светлината и намокряемост. Този резултат е много полезен и може бързо да разработи разнообразно оборудване или устройства, използвани в областта на биологията, сигурността или комуникацията.
Различните технически характеристики на графена далеч надминават традиционните твърдотелни материали, използвани в електрониката, микроелектромеханичните системи (MEMS) и микроопто-електромеханичните системи (MOEMS) днес. Тези нови функции трябва да бъдат допълнително проучени, за да се позволи използването на лазерна обработка за получаване на технологии с по-голям мащаб, по-бърза скорост, по-висока възпроизводимост и по-добра чистота, за да се интегрира графен в нови микроелектронни платформи.