超快激光在石墨烯显色处理中的应用

超快激光（皮秒或飞秒）已越来越多地用于薄膜设计的开发中，以开发和生产微电子器件和纳米电子器件，包括光伏电池，显示器，传感器或大幅面有机电子器件。超快激光器的主要优点包括有限的热效应和快速的能量耗散，有助于实现超薄多层膜结构的复杂色彩处理。纳米材料时代的到来为极高速，高效率和小型化设备提供了新的加工可能性。但是，加工厚度低至单个原子层的这种新型纳米材料在技术上具有挑战性。本文介绍了使用超快激光器对原子级二维碳晶格即石墨烯进行颜色处理的过程。石墨烯和激光辐射在过去的十年中，石墨烯因其独特的性能及其在光伏电池，光电，传感器，化学反应和能量存储等许多领域的应用而受到了广泛的关注。业界已经基于诸如硅微电子学的传统方法开发了多种基于石墨烯的技术。激光加工才刚刚开始用于石墨烯器件的开发，但是它显示出了巨大的潜力。激光束可用于石墨烯的各种处理，包括激光辅助石墨烯的生长（LIG，源自碳化硅和聚酰亚胺），在不同基材上的烧蚀，甚至化学修饰（氧化）和功能，图1），以及可用于集成不同的光电，光子和纳米机电系统（NEMS）器件。图1：在不同条件下通过不同激光脉冲能量对石墨烯进行局部烧蚀或氧化的示意图。超快激光可以用单步直接写入激光工艺代替多步光刻工艺，这对于避免由于湿法加工而在石墨烯表面形成任何杂质是至关重要且极为有益的工艺。石墨烯的图案烧蚀尽管厚度仅为一个或几个原子单层，但石墨烯的光吸收在较大的电磁频谱窗口范围内相对较高。对于单层悬浮石墨烯，可见光的测量值为2.3％。另外，取决于衬底和键合表面的性质，特定衬底上石墨烯的吸收率甚至可以高十倍。当使用具有高光子密度的超快激光器时，可以进一步提高吸收率。图2：大尺寸石墨烯图案的激光烧蚀示例。这为精确有效地激光烧蚀石墨烯提供了可能性（图2）。电子应用通常需要在硅衬底上方的热生长氧化硅上放置石墨烯。在这种配置下，石墨烯的高效吸收确保了石墨烯可以被激光烧蚀而不会损坏硅或氧化硅（图。 3）。图3：可见皮秒激光脉冲下氧化硅/硅（SiO2 / Si）中结构化石墨烯（300 nm）的工艺图。由于石墨烯的厚度是原子的，因此可以使用单次烧蚀方法来缩短整个处理时间。可以获得1μm，m甚至更低的特征尺寸，并且可以使用激光诱导的多光子处理来实现亚波长分辨率。石墨烯的光化学处理是用于材料的光化学处理的众所周知的方法。在光（通常是紫外线）辐射下，由于内部相移或与周围环境（气体，蒸气和液体）发生反应，因此会出现材料特性。品种。光化学化学在激光加工中最常见的应用是采用激光辐射进行多光子聚合的增材制造工艺。它为聚合物和复合材料的3D化学处理提供了独特的处理工具。碳基石墨烯也是如此，也可以通过强紫外线氧化对其进行化学修饰。就电子性质和光学性质而言，石墨烯都是独特的材料。石墨烯已被验证具有非线性光学效应，例如多光子吸收，等离子体产生（等离子体是导电材料中的电子，集体激发）。通过探索这些非线性光学效应，可以预期将使用高强度可见光来改变石墨烯的化学和光学性质。图4显示了在氧气/水气氛下使用515 nm超快激光对石墨烯进行局部氧化的典型反应。结果，可以在高速过程中（使用传统的光学扫描仪以高达每秒几米的处理速度）生产亚微米分辨率的无结构（无痕迹）。表面特性，例如极值开关和电导率差，光可操纵性和润湿性。该结果对于快速开发用于生物学，安全或通信领域的各种设备或装置非常有用。图4：氧化石墨烯条的电子显微照片。石墨烯的各种技术特性远远超过了当今用于电子，微机电系统（MEMS）和微光学机电系统（MOEMS）的传统固体材料。这些新功能有待进一步探索，可以使用激光加工实现更大的规模，速度，可重复性和纯度，以便将石墨烯集成到新的微电子平台中。