Ultrafast laser (picosecond atau femtosecond) semakin banyak digunakan dalam pemprosesan corak filem untuk pengembangan dan pengeluaran peranti mikroelektronik dan nanoelektronik. Aplikasi produknya merangkumi sel fotovoltaik, paparan, sensor, atau produk elektronik organik format besar. Kelebihan utama laser ultrafast termasuk kesan haba yang terhad dan pelesapan tenaga yang cepat, yang membantu merealisasikannyacorakpemprosesan struktur filem pelbagai lapisan ultra tipis yang kompleks.
Munculnya era nanomaterials menyediakan kemungkinan pemprosesan baru untuk kelajuan tinggi, kecekapan tinggi dan peralatan miniatur. Walau bagaimanapun, memproses nanomaterial baru dengan ketebalan serendah satu lapisan atom secara teknikalnya sangat mencabar. Artikel ini menerangkan penerapan laser ultrafast untuk pemprosesan warna kisi karbon dua dimensi peringkat atom, iaitu graphene.
Sinaran grafik dan laser
Dalam sepuluh tahun terakhir, graphene telah menarik banyak perhatian kerana sifatnya yang unik dan aplikasinya dalam berbagai bidang termasuk sel fotovoltaik, optoelektronik, sensor, reaksi kimia, dan penyimpanan tenaga. Industri ini telah berjaya mengembangkan pelbagai teknologi berasaskan graphene berdasarkan kaedah tradisional seperti mikroelektronik silikon. Pemprosesan laser baru mula digunakan dalam pengembangan peralatan graphene, tetapi telah menunjukkan potensi yang besar. Sinar laser boleh digunakan untuk melakukan pelbagai rawatan pada graphene, termasuk pertumbuhan graphene yang dibantu laser dan ablasi corak pada substrat yang berbeza.
Ultrafast laser dapat menggunakan proses laser langsung satu langkah untuk menggantikan proses fotolitografi pelbagai langkah. Ini adalah proses yang penting dan sangat bermanfaat untuk mengelakkan kekotoran yang terbentuk di permukaan graphene kerana pemprosesan basah.
Ablasi corak graphene
Walaupun ketebalannya setebal satu atau beberapa monolayer atom, kadar penyerapan cahaya graphene relatif tinggi pada tetingkap spektrum elektromagnetik yang luas. Untuk graphene yang digantung lapisan tunggal, nilai pengukuran tepat bagi cahaya yang dapat dilihat adalah 2.3%. Sebagai tambahan, bergantung pada sifat substrat dan permukaan ikatan, daya serap graphene pada substrat tertentu bahkan boleh 10 kali lebih tinggi. Apabila menggunakan laser ultrafast dengan ketumpatan foton yang tinggi, kadar penyerapan dapat ditingkatkan lagi.
Gambar 1: Contoh ablasi laser corak graphene berskala besar.
Ini memberikan kemungkinan ablasi laser graphene tepat dan cekap (Gambar 1). Aplikasi elektronik sering kali memerlukan graphene diletakkan pada silikon oksida yang ditanam secara termal di atas substrat silikon. Dalam struktur ini, kecekapan tinggi penyerapan graphene memastikan bahawa graphene dapat diproses dengan laser ablasi tanpa merosakkan silikon atau silikon oksida.
Oleh kerana ketebalan graphene berada pada tahap atom, adalah mungkin untuk menggunakan kaedah ablasi satu pukulan untuk memendekkan jumlah masa pemprosesan. Saiz ciri 1μm atau lebih nipis dapat diperoleh, dan pemprosesan multipoton yang disebabkan oleh laser dapat digunakan untuk mencapai resolusi panjang gelombang bawah.
Kimia foto graphene
Pemprosesan fotokimia permukaan bahan adalah kaedah yang terkenal. Di bawah sinaran sinar ultraviolet, disebabkan pergeseran fasa dalaman atau reaksi dengan persekitaran di sekitarnya (gas, wap dan cecair), sifat bahan akan berubah. Aplikasi yang paling umum yang menggunakan sifat fotokimia pemprosesan laser adalah proses pembuatan aditif polimerisasi multipoton menggunakan radiasi laser. Ia menyediakan alat pemprosesan unik untuk pemprosesan kimia 3D polimer dan komposit. Perkara yang sama berlaku untuk graphene berasaskan karbon yang juga dapat diubahsuai secara kimia oleh pengoksidaan UV yang kuat.
Graphene adalah bahan unik tanpa mengira sifat elektronik atau sifat optiknya. Graphene telah mengesahkan kesan optik nonlinier, seperti penyerapan multipoton, penjanaan plasma (plasma adalah pengujaan kolektif&elektronik; cecair GG; dalam bahan konduktif), peralihan Q, dan lain-lain. Dengan meneroka kesan optik bukan linier ini, diharapkan bahawa cahaya yang dapat dilihat dengan intensiti tinggi dapat digunakan untuk mengubah sifat kimia dan optik graphene. Rajah 2 menunjukkan tindak balas khas pengoksidaan graphene tempatan menggunakan laser ultrafast 515nm dalam suasana oksigen / air.
Gambar 2: Mikrograf elektron jalur pengoksidaan graphene.
Hasilnya ialah ia dapat menghasilkan struktur bebas dengan resolusi sub-mikron (tanpa jejak) dalam kaedah pemprosesan berkelajuan tinggi (dengan pengimbas optik tradisional pada kelajuan pemprosesan hingga beberapa meter sesaat). Ia mempunyai ciri-ciri permukaan seperti peralihan dan kekonduksian yang melampau, memperoleh kebolehlenturan cahaya dan kebolehlembapan. Hasil ini sangat berguna, dan dapat dengan cepat mengembangkan pelbagai peralatan atau peranti yang digunakan dalam bidang biologi, keselamatan atau komunikasi.
Pelbagai ciri teknikal graphene jauh melebihi bahan keadaan pepejal tradisional yang digunakan dalam elektronik, sistem mikro-elektromekanik (MEMS) dan sistem mikro-opto-elektromekanik (MOEMS) hari ini. Ciri-ciri baru ini perlu digali lebih jauh untuk membolehkan penggunaan pemprosesan laser untuk memperoleh teknologi dengan skala yang lebih besar, kelajuan lebih cepat, kebolehulangan yang lebih tinggi, dan kemurnian yang lebih baik untuk mengintegrasikan graphene ke dalam platform mikroelektronik baru.