東北大學的研究人員使用飛秒激光成功地進行了石墨烯薄膜的微/納米製造，在沒有損壞的情況下打孔，並去除污染物。該技術可以取代傳統的、更複雜的方法，為量子材料研究和生物傳感器開發提供潛在的進展。

石墨烯于2004年被发现，它已经彻底改变了各种科学领域。它拥有高电子迁移率、机械强度和热导率等显著特性。人们投入了大量的时间和精力来探索它作为下一代半导体材料的潜力，催生了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器等一系列有用部件。

但是，為了使這些設備進入實際應用，關鍵是要有高效的加工技術，可以在微米和納米尺度上構造石墨烯薄膜。通常，微/納米尺度的材料加工和設備製造採用納米光刻技術和聚焦離子束方法。然而，由於需要大規模的設備、冗長的製造時間和復雜的操作，這些都給實驗室研究人員帶來了長期的挑戰。

早在一月份，東北大學的研究人員創造了一種技術，可以對厚度為5至50納米的氮化矽薄片進行微/納米製造。該方法採用了飛秒激光，它發射出極短的快速光脈衝。事實證明，它能夠在沒有真空環境的情況下快速、方便地加工薄型材料。

(a) 激光加工系統的示意圖。(b) 石墨烯薄膜上32個激光點的形成。(c) 經過多點鑽孔的石墨烯薄膜的圖像。

通過將這種方法應用於石墨烯的超薄原子層，同一小組現在已經成功地進行了多點鑽孔而不損壞石墨烯薄膜。他們的突破性細節於2023年5月16日在《納米通訊》雜誌上報導。

東北大學先進材料多學科研究所的助理教授、該論文的共同作者Yuuki Uesugi說：”通過對輸入能量和激光射擊次數的適當控制，我們能夠執行精確的加工並創造出直徑從70納米–遠小於520納米的激光波長–到超過1毫米的孔。”

通過掃描透射電子顯微鏡觀察到的激光加工的石墨烯薄膜的圖像。黑色區域表示打孔。白色物體表示表面污染物。資料來源：Yuuki Uesugi等人。

在通過高性能電子顯微鏡仔細檢查用低能量激光脈衝照射的區域時，上杉和他的同事發現，石墨烯上的污染物也已被清除。進一步的放大觀察發現了直徑小於10納米的納米孔和原子級缺陷，在石墨烯的晶體結構中缺少幾個碳原子。

石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，這取決於應用。雖然缺陷有時會降低某些特性，但它們也會引入新的功能或增強特定的特性。

通過高倍率透射電子顯微鏡獲得的圖像。紅色區域表示納米孔。藍色區域表示污染物。箭頭所指的位置存在原子缺陷。

“觀察到納米孔和缺陷的密度隨著激光射擊的能量和數量成比例增加的趨勢，使我們得出結論，納米孔和缺陷的形成可以通過使用飛秒激光照射來操縱，”Uesugi補充說。”通過在石墨烯中形成納米孔和原子級缺陷，不僅可以控制導電性，還可以控制量子級特性，如自旋和谷值。此外，這項研究中發現的通過飛秒激光照射去除污染物的方法可以開發出一種非破壞性和清潔地清洗高純度石墨烯的新方法。”

展望未來，該團隊旨在建立一種使用激光的清洗技術，並對如何進行原子缺陷的形成進行詳細調查。進一步的突破將對從量子材料研究到生物傳感器開發等領域產生巨大影響。