Découvert en 2004, le graphène a révolutionné divers domaines scientifiques. Il possède des propriétés remarquables telles qu’une mobilité électronique élevée, une résistance mécanique et une conductivité thermique. Beaucoup de temps et d’efforts ont été investis dans l’exploration de son potentiel en tant que matériau semi-conducteur de nouvelle génération, conduisant au développement de transistors à base de graphène, d’électrodes transparentes et de capteurs.
Mais pour concrétiser ces dispositifs, il est essentiel de disposer de techniques de traitement efficaces capables de structurer des films de graphène à l’échelle du micromètre et du nanomètre. En règle générale, le traitement des matériaux à l’échelle micro/nano et la fabrication de dispositifs utilisent des méthodes de nanolithographie et de faisceaux d’ions focalisés. Cependant, ceux-ci ont posé des défis de longue date aux chercheurs de laboratoire en raison de leur besoin d’équipements à grande échelle, de longs délais de fabrication et d’opérations complexes.
Dans janvier 2023, les chercheurs de l’Université de Tohoku ont créé une technique qui pourrait micro/nanofabriquer des dispositifs en nitrure de silicium avec des épaisseurs allant de cinq à 50 nanomètres. La méthode utilisait un laser femtoseconde, qui émettait des impulsions lumineuses extrêmement courtes et rapides. Il s’est avéré capable de traiter rapidement et facilement des matériaux minces sans environnement sous vide.
En appliquant cette méthode à une couche atomique ultra-mince de graphène, le même groupe a maintenant réussi à effectuer des perçages multipoints sans endommager le film de graphène. Les détails de leur percée ont été rapportés dans le journal Nano-lettres le 16 mai 2023.
« Avec un contrôle approprié de l’énergie d’entrée et du nombre de tirs laser, nous avons pu exécuter un usinage précis et créer des trous avec des diamètres allant de 70 nanomètres (beaucoup plus petit que la longueur d’onde laser de 520 nanomètres) à plus d’un millimètre », explique Yuuki Uesugi. , professeur adjoint à l’Institut de recherche multidisciplinaire sur les matériaux avancés de l’Université de Tohoku et co-auteur de l’article.
Après un examen plus approfondi des zones irradiées avec des impulsions laser à faible énergie, qui ne faisaient pas de trous, via un microscope électronique à haute performance, Uesugi et ses collègues ont découvert que les contaminants sur le graphène avaient également été éliminés. Une observation plus approfondie a révélé des nanopores de moins de 10 nanomètres de diamètre et des défauts au niveau atomique, où plusieurs atomes de carbone manquaient dans les structures cristallines du graphène.
Les défauts atomiques du graphène sont à la fois préjudiciables et avantageux, selon l’application. Si les défauts dégradent parfois certaines propriétés, ils introduisent également de nouvelles fonctionnalités ou améliorent des caractéristiques spécifiques.
« L’observation d’une tendance à la densité des nanopores et des défauts à augmenter proportionnellement à l’énergie et au nombre de tirs laser nous a amenés à conclure que la formation de nanopores et de défauts pourrait être manipulée en utilisant une irradiation laser femtoseconde », ajoute Uesugi.
« En formant des nanopores et des défauts au niveau atomique dans le graphène, non seulement la conductivité électrique peut être contrôlée, mais également les caractéristiques au niveau quantique telles que le spin et la vallée. De plus, l’élimination des contaminants par irradiation laser femtoseconde trouvée dans cette recherche pourrait développer une nouvelle méthode pour laver de manière non destructive et propre le graphène de haute pureté. »
Pour l’avenir, l’équipe vise à établir une technique de nettoyage utilisant le laser et à mener une enquête détaillée sur la manière de conduire la formation de défauts atomiques. D’autres percées auront un impact important sur des domaines allant de la recherche sur les matériaux quantiques au développement de biocapteurs.
Plus d’information:
Naohiro Kadoguchi et al, Nanotraitement du graphène monocouche auto-suspendu et formation de défauts par irradiation laser femtoseconde, Nano-lettres (2023). DOI : 10.1021/acs.nanolett.3c00594