Īpaši ātros lāzerus (pikosekundēs vai femtosekundēs) arvien vairāk izmanto filmu modeļa apstrādē mikroelektronikas un nanoelektronikas ierīču izstrādē un ražošanā. Tās produktu lietojumos ietilpst fotoelementi, displeji, sensori vai lielformāta organiski elektroniski izstrādājumi. Ultra ātru lāzeru galvenās priekšrocības ir ierobežots termiskais efekts un ātra enerģijas izkliedēšana, kas palīdz realizētrakstssarežģītu īpaši plānu daudzslāņu plēvju struktūru apstrāde.
Nanomateriālu laikmeta parādīšanās piedāvā jaunas ļoti ātru, augstas efektivitātes un miniatūru iekārtu apstrādes iespējas. Tomēr šādu jaunu nanomateriālu apstrāde ar tik mazu atomu kā viena slāņa biezumu ir tehniski ārkārtīgi sarežģīta. Šajā rakstā aprakstīts īpaši ātru lāzeru pielietojums atomu līmeņa divdimensiju oglekļa režģu, proti, grafēna, krāsu apstrādei.
Grafēna un lāzera starojums
Pēdējo desmit gadu laikā grafēns ir piesaistījis daudz uzmanības, pateicoties tā unikālajām īpašībām un pielietojumam dažādās jomās, ieskaitot fotoelektriskās šūnas, optoelektroniku, sensorus, ķīmiskās reakcijas un enerģijas uzkrāšanu. Nozare secīgi ir izstrādājusi dažādas uz grafēnu balstītas tehnoloģijas, kuru pamatā ir tradicionālās metodes, piemēram, silīcija mikroelektronika. Grafēna aprīkojuma izstrādē tikko sāka izmantot lāzera apstrādi, taču tas ir parādījis lielu potenciālu. Lāzera starus var izmantot, lai veiktu dažādas grafēna apstrādes, ieskaitot grafēna augšanas ar lāzeru palīdzību un ablācijas rašanos uz dažādām pamatnēm.
Īpaši ātrie lāzeri var izmantot vienpakāpju tiešās rakstīšanas lāzera procesu, lai aizstātu daudzpakāpju fotolitogrāfijas procesu. Tas ir ļoti svarīgs un ļoti izdevīgs process, lai izvairītos no piemaisījumiem, kas uz grafēna virsmas veidojas mitras apstrādes dēļ.
Grafēna modeļa ablācija
Kaut arī biezums ir tikai tik biezs kā vienam vai dažiem atomu mono slāņiem, plašā elektromagnētiskā spektra logā grafēna gaismas absorbcijas līmenis ir salīdzinoši augsts. Vienslāņa suspendēta grafēna precīzās redzamās gaismas mērījumu vērtība ir 2,3%. Turklāt, atkarībā no pamatnes un saistošās virsmas īpašībām, grafēna absorbcija uz konkrētas pamatnes var būt pat 10 reizes augstāka. Izmantojot ultraātrus lāzerus ar augstu fotonu blīvumu, absorbcijas ātrumu var vēl uzlabot.
1. attēls. Liela mēroga grafēna modeļa lāzera ablācijas piemērs.
Tas nodrošina precīzas un efektīvas grafēna ablācijas lāzera iespēju (1. attēls). Elektroniskām lietojumprogrammām grafēns ir jānovieto uz termiski audzēta silīcija oksīda virs silīcija substrāta. Šajā struktūrā grafēna augstas efektivitātes absorbcijas īpašības nodrošina, ka grafēnu var apstrādāt ar lāzera ablāciju, nesabojājot silīciju vai silīcija oksīdu.
Tā kā grafēna biezums ir atomu līmenī, ir iespējams izmantot viena šāviena ablācijas metodi, lai saīsinātu kopējo apstrādes laiku. Objektu izmēri ir 1μVar iegūt m vai pat plānāku, un, lai panāktu subviļņu izšķirtspēju, var izmantot lāzera inducētu daudzfotonu apstrādi.
Grafēna fotoķīmija
Materiāla virsmas fotoķīmiskā apstrāde ir plaši pazīstama metode. Ultravioletā starojuma ietekmē mainās materiāla īpašības iekšējās fāzes maiņas vai reakcijas ar apkārtējo vidi (gāzi, tvaiku un šķidrumu) dēļ. Visizplatītākais lietojums, kurā tiek izmantotas lāzera apstrādes fotoķīmiskās īpašības, ir piedevu ražošanas process ar daudzfotonu polimerizāciju, izmantojot lāzera starojumu. Tas nodrošina unikālus apstrādes rīkus polimēru un kompozītu 3D ķīmiskai apstrādei. Tas pats attiecas uz grafēnu uz oglekļa bāzes, kuru ķīmiski var modificēt arī ar spēcīgu UV oksidāciju.
Grafēns ir unikāls materiāls neatkarīgi no tā elektroniskajām vai optiskajām īpašībām. Grafēns ir pārbaudījis nelineārus optiskos efektus, piemēram, multiphoton absorbciju, plazmas veidošanos (plazma ir elektroniska" kolektīvā ierosme; fluīdus" vadošos materiālos), Q maiņu utt., Izpētot šos nelineāros optiskos efektus, ir sagaidāms, ka ka augstas intensitātes redzamo gaismu var izmantot, lai mainītu grafēna ķīmiskās un optiskās īpašības. 2. attēlā parādīta tipiska grafēna lokālas oksidācijas reakcija, izmantojot 515 nm ultra ātru lāzeru skābekļa / ūdens atmosfērā.
2. attēls: Grafēna oksidācijas svītru elektronu mikrogrāfs.
Rezultāts ir tāds, ka tas var radīt brīvu struktūru ar sub mikronu izšķirtspēju (bez pēdām) ātrdarbīgā apstrādes metodē (ar tradicionālo optisko skeneri ar apstrādes ātrumu līdz vairākiem metriem sekundē). Tam ir tādas virsmas īpašības kā ārkārtēja pārslēgšanās un vadītspējas atšķirība, iegūstot vieglu manevrēšanas spēju un mitrumu. Šis rezultāts ir ļoti noderīgs un var ātri izstrādāt dažādas iekārtas vai ierīces, ko izmanto bioloģiskajā, drošības vai komunikāciju jomā.
Grafēna dažādās tehniskās īpašības ievērojami pārsniedz tradicionālos cietvielu materiālus, ko mūsdienās izmanto elektronikā, mikroelektromehāniskajās sistēmās (MEMS) un mikrooptoelektromehāniskajās sistēmās (MOEMS). Šīs jaunās funkcijas ir jāturpina izpētīt, lai varētu izmantot lāzera apstrādi, lai iegūtu tehnoloģijas ar lielāku mērogu, ātrāku ātrumu, augstāku reproducējamību un labāku tīrību, lai grafēnu integrētu jaunajās mikroelektroniskajās platformās.