石墨烯于2004年被发现，已经彻底改变了各个科学领域。它具有显著的性能，如高电子迁移率、机械强度和热导率。人们投入了大量的时间和精力来探索其作为下一代半导体材料的潜力，从而开发了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器。
但要使这些器件投入实际应用，关键是要有能够在微米和纳米尺度上构建石墨烯膜的高效加工技术。通常，微/纳米材料加工和器件制造采用纳米光刻和聚焦离子束方法。然而，由于需要大型设备、漫长的制造时间和复杂的操作，这些对实验室研究人员构成了长期的挑战。
早在一月份，东北大学的研究人员就创造了一种可以微/纳米制造厚度从5纳米到50纳米的氮化硅薄膜器件的技术。该方法采用飞秒激光，发射极短、快速的光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速方便地处理薄材料。
通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，该小组现在已经成功地在不损坏石墨烯膜的情况下进行了多点钻孔。他们的突破细节于2023年5月16日发表在《纳米快报》杂志上。
东北大学先进材料多学科研究所助理教授Yuuki Uesugi说：“通过适当控制输入能量和激光发射次数，我们能够进行精确的加工，并产生直径从70纳米到1毫米以上的孔”。
Uesugi和他的同事通过高性能电子显微镜对用低能量激光脉冲照射的区域进行了更仔细的检查，发现石墨烯上的污染物也被去除了。进一步放大观察显示，直径小于10纳米的纳米孔和原子级缺陷，其中石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。
石墨烯中的原子缺陷既有害又有利，具体取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些属性，但它们也会引入新功能或增强特定特性。
Uesugi补充道：“观察到纳米孔和缺陷的密度与激光发射的能量和次数成比例增加的趋势，我们得出结论，可以通过使用飞秒激光照射来控制纳米孔和缺损的形成。通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制电导率，还可以控制自旋和谷等量子级特性。此外，本研究中发现的飞秒激光去除污染物可以开发出一种无损清洁清洗高纯度石墨烯的新方法。”
展望未来，该团队的目标是建立一种使用激光的清洁技术，并对如何进行原子缺陷形成进行详细研究。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生重大影响。
这项研究于5月16日发表在《纳米快报》杂志上。
DOI：10.1021/acs.nanolett.3c00594