לייזרים אולטרה-מהר (picoseconds או femtoseconds) משמשים יותר ויותר עיבוד דפוס הסרט לפיתוח וייצור של מיקרואלקטרוניים והתקני ננואלקטרוניה. יישומי המוצר שלה כוללים תאים פוטו-וולטאיים, צגים, חיישנים או מוצרים אלקטרוניים אורגניים בפורמט גדול. היתרונות העיקריים של לייזרים אולטרה מהירים כוללים אפקט תרמי מוגבל ודיסיפציה מהירה של אנרגיה, מה שעוזר להבין אתתבנית דפוסעיבוד של מבני סרט רב שכבתיים דקים במיוחד מורכבים.
הופעתו של עידן הננו-חומרים מספקת אפשרויות עיבוד חדשות עבור ציוד מהיר מאוד, יעילות גבוהה ומזערי. עם זאת, עיבוד ננו-חומרים חדשים כאלה בעוביים נמוכים כמו שכבה אטומית אחת הוא טכנית מאתגר ביותר. מאמר זה מתאר את היישום של לייזרים אולטרה-רהביים לעיבוד צבע של סתמי פחמן דו מימדי ברמה אטומית, כלהגרפן.
גרפן וקרינה בלייזר
בעשר השנים האחרונות, גרפן משך תשומת לב רבה בשל תכונותיו הייחודיות ויישומו בתחומים שונים, כולל תאים פוטו, אופטואלקטרוניקה, חיישנים, תגובות כימיות, ואחסון אנרגיה. התעשייה פיתחה ברצף מגוון טכנולוגיות מבוססות גרפן המבוססות על שיטות מסורתיות כגון מיקרו-אלקטרוניקות סיליקון. עיבוד לייזר רק החל לשמש בפיתוח של ציוד גרפן, אבל זה הראה פוטנציאל גדול. קרני לייזר יכול לשמש לביצוע טיפולים שונים על גרפן, כולל צמיחת גרפן בסיוע לייזר ובלציה דפוס על מצעים שונים.
לייזרים אולטרה-רה-יים יכולים להשתמש בתהליך לייזר חד-שלם, כתיבה ישירה, כדי להחליף את תהליך הפוטוליתוגרפיה הרב-שליבי. זהו תהליך חיוני ומועיל מאוד כדי למנוע כל מזהמים שנוצרו על פני השטח גרפן עקב עיבוד רטוב.
אבלציה של תבנית גרפן
למרות שהעובי עבה רק כמו אחד או כמה שכבות אטומיות, קצב ספיגת האור של גרפן הוא גבוה יחסית בחלון ספקטרום אלקטרומגנטי רחב. עבור גרפן מושהה בשכבה אחת, ערך המדידה המדויק של האור הנראה הוא 2.3%. בנוסף, בהתאם למאפיינים של המצוע ומשטח המליטה, הספיגה של גרפן על שקוע מסוים יכול להיות אפילו 10 פעמים גבוה יותר. בעת שימוש בלייזרים אולטרה-מהירים עם צפיפות פוטין גבוהה, ניתן לשפר עוד יותר את קצב הספיגה.
איור 1: דוגמה לאבלציה בלייזר של תבניות גרפן בקנה מידה גדול.
זה מספק את האפשרות לאבלציה לייזר מדויקת ויעילה של גרפן (איור 1). יישומים אלקטרוניים דורשים לעתים קרובות גרפן להיות ממוקם על תחמוצת סיליקון שגודלה תרמית על גבי עיטורי סיליקון. במבנה זה, ביצועי ספיגה יעילות גבוהה של גרפן מבטיח כי גרפן יכול להיות מעובד על ידי אבלציה לייזר מבלי לפגוע סיליקון או תחמוצת הסיליקון.
מאז עובי גרפן הוא ברמה האטומית, ניתן להשתמש בשיטת אבלציה חד-ירית כדי לקצר את זמן העיבוד הכולל. גדלי תכונה של 1μm או אפילו דק יותר ניתן להשיג, ועיבוד מולטיפוטון המושרה בלייזר יכול לשמש כדי להשיג רזולוציית אורך תת.גל.
הפוטוכימיה של גרפן
העיבוד הפוטוכימי של משטח החומר הוא שיטה ידועה. תחת קרינת אור אולטרה סגולה, בשל שינוי שלב פנימי או התגובה עם הסביבה (גז, אדים ונוזל), תכונות החומר ישתנו. היישום הנפוץ ביותר המשתמש במאפיינים פוטוכימיים של עיבוד לייזר הוא תהליך ייצור תוסף של פולימר multiphoton באמצעות קרינת לייזר. הוא מספק כלי עיבוד ייחודיים לעיבוד כימי תלת-מיוחד של פולימרים ומרוכבים. אותו הדבר נכון לגבי גרפן מבוסס פחמן שניתן גם לשנות כימית על ידי חמצון UV חזק.
גרפן הוא חומר ייחודי ללא קשר למאפיינים האלקטרוניים או המאפיינים האופטיים שלו. גרפן אימת אפקטים אופטיים לא ליניאריים, כגון ספיגת multiphoton, יצירת פלזמה (פלזמה היא העירור הקולקטיבי של אלקטרוניים "נוזלים" בחומרים מוליך), Q-מיתוג, וכו '. על ידי חקר אפקטים אופטיים לא ליניאריים אלה, הוא צפוי כי אור גלוי בעוצמה גבוהה יכול לשמש כדי לשנות את המאפיינים הכימיים והפטיפטיים של גרפן. איור 2 מראה תגובה אופיינית של חמצון מקומי של גרפן באמצעות לייזר אולטרה-מהירה 515nm באטמוספרה חמצן / מים.
איור 2: מיקרוגרף אלקטרונים של פסי חמצון גרפן.
התוצאה היא שהוא יכול לייצר מבנה חופשי עם רזולוציית תת מיקרון (ללא עקבות) בשיטת עיבוד במהירות גבוהה (עם סורק אופטי מסורתי במהירות עיבוד של עד כמה מטרים לשנייה). יש לו מאפייני פני השטח כגון מיתוג קיצוני והבדל מוליכות, השגת יכולת תמרון אור וכדאיות. תוצאה זו שימושית מאוד, והיא יכולה לפתח במהירות מגוון ציוד או התקנים המשמשים בתחומי הביולוגיה, האבטחה או התקשורת.
המאפיינים הטכניים השונים של גרפן עולים בהרבה על החומרים המסורתיים של מצב מוצק המשמשים כיום באלקטרוניקה, מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) ומערכות מיקרו-אופטו-אלקטרו-מכניות (MOEMS). תכונות חדשות אלה צריכות להיחקר עוד יותר כדי לאפשר שימוש בעיבוד לייזר כדי להשיג טכנולוגיות בקנה מידה גדול יותר, מהירות מהירה יותר, שכפול גבוה יותר, וטוהר טוב יותר כדי לשלב גרפן בפלטפורמות מיקרו-אלקטרוניות חדשות.