Ultrasnelle lasere (pikosekunder eller femtosekunder) brukes i økende grad i prosessering av filmmønstre for utvikling og produksjon av mikroelektronikk og nanoelektronikk. Produktapplikasjonene inkluderer solceller, skjermer, sensorer eller organiske elektroniske produkter i stort format. De viktigste fordelene med ultrasnelle lasere inkluderer begrenset termisk effekt og rask energispredning, noe som bidrar til å realiseremønsterbehandling av komplekse ultratynne flerlagsfilmstrukturer.
Ankomsten av nanomaterialers tid gir nye behandlingsmuligheter for ekstremt høyhastighets, høy effektivitet og miniatyrisert utstyr. Imidlertid er teknisk ekstremt utfordrende å bearbeide slike nye nanomaterialer med så lave tykkelse som et enkelt atomlag. Denne artikkelen beskriver bruken av ultrasnelle lasere for fargebehandlingen av todimensjonale karbongitter på atomnivå, nemlig grafen.
Grafene og laserstråling
I løpet av de siste ti årene har grafen tiltrukket seg mye oppmerksomhet på grunn av dets unike egenskaper og anvendelse innen forskjellige felt, inkludert solceller, optoelektronikk, sensorer, kjemiske reaksjoner og energilagring. Industrien har suksessivt utviklet en rekke grafenbaserte teknologier basert på tradisjonelle metoder som silisiummikroelektronikk. Laserbehandling har nettopp begynt å bli brukt i utviklingen av grafenutstyr, men det har vist et stort potensiale. Laserstråler kan brukes til å utføre forskjellige behandlinger på grafen, inkludert laserassistert grafenvekst og mønsterablasjon på forskjellige underlag.
Ultrasnelle lasere kan bruke en enkelt-trinns, direkte-skrivende laserprosess for å erstatte flertrinns fotolitografiprosess. Dette er en viktig og ekstremt gunstig prosess for å unngå urenheter som dannes på grafenoverflaten på grunn av våt prosessering.
Ablasjon av grafenmønster
Selv om tykkelsen bare er like tykk som en eller noen få monolag, er lysabsorpsjonshastigheten av grafen relativt høy i et bredt elektromagnetisk spektrumvindu. For enkeltlags suspendert grafen er den nøyaktige måleverdien av synlig lys 2,3%. I tillegg, avhengig av egenskapene til underlaget og bindingsoverflaten, kan absorpsiviteten av grafen på et spesifikt underlag være enda 10 ganger høyere. Når du bruker ultrasnelle lasere med høy fotontetthet, kan absorpsjonshastigheten forbedres ytterligere.
Figur 1: Et eksempel på laserablasjon av grafenmønstre i stor skala.
Dette gir muligheten for presis og effektiv laserablasjon av grafen (figur 1). Elektroniske applikasjoner krever ofte at grafen plasseres på termisk dyrket silisiumoksyd på toppen av et silisiumsubstrat. I denne strukturen sikrer den høye effektiviteten av absorpsjon av grafen at grafenet kan behandles ved laserablasjon uten å skade silisium eller silisiumoksyd.
Siden tykkelsen på grafen er på atomnivå, er det mulig å bruke en-shot ablasjonsmetode for å forkorte den totale behandlingstiden. Funksjonsstørrelser på 1μm eller til og med tynnere kan oppnås, og laserindusert multiphoton-prosessering kan brukes for å oppnå subbølgelengdeoppløsning.
Fotokjemi av grafen
Den fotokjemiske behandlingen av materialoverflaten er en kjent metode. Under ultrafiolett lysstråling, på grunn av det interne faseforskyvningen eller reaksjonen med omgivelsene (gass, damp og væske), vil materialegenskapene endres. Den vanligste bruken som bruker de fotokjemiske egenskapene til laserbehandling er tilsetningsprosesseringsprosessen for flerfotonpolymerisasjon ved bruk av laserstråling. Det gir unike prosessverktøy for 3D-kjemisk prosessering av polymerer og kompositter. Det samme er tilfelle for karbonbasert grafen som også kan modifiseres kjemisk ved sterk UV-oksidasjon.
Graphene er et unikt materiale uavhengig av dets elektroniske egenskaper eller optiske egenskaper. Grafen har verifisert ikke-lineære optiske effekter, slik som flerhotonabsorpsjon, generering av plasma (plasma er den kollektive eksitasjonen av elektronisk" væsker" i ledende materialer), Q-svitsjing osv. Ved å utforske disse ikke-lineære optiske effektene, forventes det at synlig lys med høy intensitet kan brukes til å endre de kjemiske og optiske egenskapene til grafen. Figur 2 viser en typisk reaksjon av lokal oksidasjon av grafen ved bruk av en 515 nm ultrafast laser i en oksygen / vann-atmosfære.
Figur 2: Elektronmikrografikk av grafene oksidasjonsstriper.
Resultatet er at den kan produsere en fri struktur med sub-mikron oppløsning (ingen spor) i en hurtighastighetsprosesseringsmetode (med en tradisjonell optisk skanner med en prosesseringshastighet på opptil flere meter per sekund). Den har overflateegenskaper som ekstrem svitsjing og ledningsforskjell, og oppnår lett manøvrerbarhet og fuktbarhet. Dette resultatet er veldig nyttig, og kan raskt utvikle en rekke utstyr eller enheter som brukes innen biologisk, sikkerhets- eller kommunikasjonsfelt.
De forskjellige tekniske egenskapene til grafen overgår langt de tradisjonelle faststoffmaterialene som brukes i elektronikk, mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og mikroopto-elektromekaniske systemer (MOEMS) i dag. Disse nye funksjonene må utforskes ytterligere for å muliggjøre bruk av laserbehandling for å oppnå teknologier med større skala, raskere hastighet, høyere reproduserbarhet og bedre renhet for å integrere grafen i nye mikroelektroniske plattformer.