Ilustración de una película de grafeno perforada por irradiación láser. El tamaño de los átomos de carbono es exagerado y difiere del tamaño real. Crédito: Yuuki Uesugi et al.
Investigadores de la Universidad de Tohoku utilizaron un láser de femtosegundo para micro/nanofabricar con éxito películas de grafeno, creando agujeros multipunto sin daños y eliminando contaminantes. La técnica puede reemplazar métodos tradicionales más complejos, ofreciendo avances potenciales en la investigación de materiales cuánticos y en el desarrollo de biosensores.
Descubierto en 2004, el grafeno ha revolucionado varios campos científicos. Tiene propiedades notables como alta movilidad de electrones, resistencia mecánica y conductividad térmica. Se ha invertido mucho tiempo y esfuerzo en explorar su potencial como material semiconductor de última generación, lo que ha llevado al desarrollo de transistores, electrodos transparentes y sensores basados en grafeno.
Pero para convertir estos dispositivos en aplicaciones prácticas, es crucial contar con técnicas de procesamiento eficientes que puedan estructurar películas de grafeno a escala micrométrica y nanométrica. Por lo general, el procesamiento de materiales a micro y nanoescala y la fabricación de dispositivos emplean nanolitografía y métodos de haz de iones enfocados. Sin embargo, plantean desafíos a largo plazo para los investigadores de laboratorio debido a la necesidad de equipos a gran escala, largos tiempos de fabricación y operaciones complejas.
En enero, investigadores de la Universidad de Tohoku crearon una técnica que podía micro/nanofabricar dispositivos delgados de nitruro de silicio con espesores que oscilaban entre 5 y 50 nanómetros. El método empleaba un láser de femtosegundo, que emitía pulsos de luz extremadamente cortos y rápidos. Resultó ser capaz de procesar materiales finos de forma rápida y cómoda sin un entorno de vacío.
(a) Esquema del sistema de procesamiento láser. (b) Formación de 32 puntos láser en la película de grafeno. (c) Imagen de una película de grafeno que ha sido perforada en varios puntos. Crédito: Yuuki Uesugi et al.
Al aplicar este método a una capa atómica ultrafina de grafeno, el mismo grupo pudo realizar una perforación multipunto sin dañar la película de grafeno. Los detalles de su descubrimiento se informaron en la revista Nano Letters el 16 de mayo de 2023.
«Con el control adecuado de la energía de entrada y la cantidad de disparos del láser, pudimos realizar un mecanizado preciso y crear orificios con diámetros que van desde los 70 nanómetros, mucho más pequeños que la longitud de onda del láser de 520 nanómetros, hasta más de 1 milímetro», dice. Yuuki Uesugi, profesor asistente en el Instituto de Investigación Multidisciplinaria de Materiales Avanzados de la Universidad de Tohoku y coautor del artículo.
Imagen de película de grafeno procesada con láser observada mediante microscopía electrónica de transmisión de barrido. Las áreas negras indican agujeros pasantes. Los objetos blancos indican contaminantes en la superficie. Crédito: Yuuki Uesugi et al.
Tras un examen más detallado de las áreas irradiadas con pulsos láser de baja energía que no hacen agujeros a través de un microscopio electrónico de alto rendimiento, Uesugi y sus colegas encontraron que los contaminantes de grafeno también se habían eliminado. Otras observaciones ampliadas revelaron nanoporos de menos de 10 nanómetros de diámetro y defectos a nivel atómico, donde faltaban varios átomos de carbono en las estructuras cristalinas del grafeno.
Los defectos atómicos en el grafeno son perjudiciales y ventajosos, según la aplicación. Mientras que los defectos a veces disminuyen ciertas propiedades, también introducen nuevas funcionalidades o mejoran características específicas.
Una imagen obtenida por microscopía electrónica de transmisión de gran aumento. Las áreas rojas indican nanoporos. Las áreas azules indican contaminantes. Existen defectos atómicos en las ubicaciones indicadas por las flechas. Crédito: Yuuki Uesugi et al.
“La observación de una tendencia a que la densidad de nanoporos y defectos aumente proporcionalmente con la energía y el número de disparos de láser nos llevó a concluir que la formación de nanoporos y defectos podría manipularse utilizando una irradiación láser de femtosegundo”, añade Uesugi. “Al formar nanoporos y defectos a nivel atómico en el grafeno, no solo se puede controlar la conductividad eléctrica, sino también las características a nivel cuántico, como el espín y el valle. Además, la eliminación de contaminantes por irradiación láser de femtosegundos que se encuentra en esta investigación puede desarrollar un nuevo método para lavar y limpiar de forma no destructiva el grafeno de alta pureza”.
De cara al futuro, el equipo pretende establecer una técnica de limpieza mediante láser y llevar a cabo una investigación detallada sobre cómo impulsar la formación de defectos atómicos. Los avances futuros tendrán un gran impacto en áreas que van desde la investigación de materiales cuánticos hasta el desarrollo de biosensores.
Referencia: «Nanoprocesamiento de grafeno monocapa autosuspendido y formación de defectos mediante irradiación láser de femtosegundo» por Naohiro Kadoguchi, Yuuki Uesugi, Makoto Nagasako, Tetsuro Kobayashi, Yuichi Kozawa y Shunichi Sato, 16 de mayo de 2023, Nano Letters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00594
