Recientemente, investigadores deUniversidad de Tohoku(Japón) han utilizado láseres de femtosegundo para fabricar con éxito películas de micro/nanografeno, creando orificios multipunto sin dañar y eliminando contaminantes. El equipo dice que se espera que la técnica reemplace a los métodos convencionales más complejos, lo que conducirá a posibles avances en la investigación de materiales cuánticos y el desarrollo de biosensores.
El grafeno se descubrió en 2004 y, desde entonces, su impacto disruptivo ha afectado a varios campos científicos. Tiene propiedades notables como alta movilidad de electrones, resistencia mecánica y conductividad térmica. Hasta la fecha, la industria ha invertido mucho tiempo y esfuerzo para explorar el potencial del grafeno como material semiconductor de próxima generación, lo que ha llevado al desarrollo de transistores, electrodos transparentes y sensores basados en grafeno.
Sin embargo, la clave para hacer que estos dispositivos estén disponibles para aplicaciones prácticas es una tecnología de procesamiento efectiva, lo que también significa que las películas de grafeno se pueden construir a escala micro y nano. Por lo general, los métodos de nanolitografía y haz de iones enfocados se utilizan para el procesamiento de materiales y la fabricación de dispositivos a micro/nanoescala. Sin embargo, la necesidad de grandes equipos, largos tiempos de fabricación y operaciones complejas plantea desafíos a largo plazo para los investigadores de laboratorio.
En enero, investigadores de la Universidad de Tohoku en Japón inventaron una técnica que permite la micro/nanofabricación de dispositivos delgados de nitruro de silicio con espesores entre 5 y 50 nanómetros. El método utiliza unláser de femtosegundoque emite pulsos de luz muy cortos y muy rápidos. Ha demostrado ser capaz de procesar materiales finos de forma rápida y sencilla sin un entorno de vacío.
Al aplicar este método a las capas atómicas ultrafinas de grafeno, el mismo grupo de investigación ahora ha realizado con éxito la perforación multipunto sin dañar la película de grafeno. Su éxito con este avance se publicó en la edición del 16 de mayo de 2023 de Nano Letters.
Yuuki Uesugi, profesor asistente del Instituto de Investigación Multidisciplinaria de Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku en Japón y coautor del artículo, dijo: "Al controlar adecuadamente la energía de entrada y la cantidad de salidas de láser, pudimos realizar un procesamiento preciso y crear agujeros con diámetros que van desde 70 nm hasta más de 1 mm, que es mucho más pequeño que la longitud de onda del láser de 520 nm".
Después de un examen más detallado del área irradiada por el pulso láser de baja energía a través de un microscopio electrónico de alto rendimiento, Uesugi y sus colegas encontraron que también se eliminaron los contaminantes del grafeno. Otras observaciones ampliadas revelaron nanoporos de menos de 10 nm de diámetro y defectos a nivel atómico en la estructura cristalina del grafeno, donde faltaban varios átomos de carbono.
Dependiendo de la aplicación, los defectos atómicos en el grafeno tienen aspectos tanto perjudiciales como beneficiosos. Si bien los defectos a veces pueden degradar ciertas propiedades, también pueden introducir nuevas funciones o mejorar propiedades específicas.
Uesugi agregó: "Observamos una tendencia a que la densidad de nanoporos y defectos aumente proporcionalmente con la energía y el número de irradiaciones láser y llegamos a la conclusión de que la formación de nanoporos y defectos se puede controlar mediante el uso de irradiación láser de femtosegundo". "Al formar nanoporos y defectos a nivel atómico en el grafeno, es posible controlar no solo la conductividad, sino también las propiedades a nivel cuántico, como el espín y el valle. Además, la eliminación de contaminantes con láser de femtosegundos encontrada en esta investigación podría conducir al desarrollo de un nuevo método para la limpieza no destructiva de grafeno lavado de alta pureza".
De cara al futuro, el equipo tiene como objetivo establecer una técnica de limpieza con láser y realizar estudios detallados sobre cómo realizar la formación de defectos atómicos. Otros avances tendrán un impacto significativo en áreas que van desde la investigación de materiales cuánticos hasta el desarrollo de biosensores.
