石墨烯于2004年被發現，徹底改變了各個科學領域。它具有高電子遷移率、機械強度和導熱性等顯著的性能。人們投入了大量的時間和精力來探索其作為下一代半導體材料的潛力，從而開發出了基于石墨烯的晶體管、透明電極和傳感器。

但要將這些器件投入實際應用，關鍵是要有有效的加工技術，可以在微米和納米尺度上構建石墨烯薄膜。通常，微/納米級材料加工和器件制造采用納米光刻和聚焦離子束方法。然而，由于需要大型設備，制造時間長且操作復雜，都給實驗室研究人員帶來了長期的挑戰。

通過激光照射對石墨烯薄膜進行鉆孔的圖示。碳原子的大小被夸大了，與實際大小不同。

早在1 月份，日本東北大學的研究人員就發明了一種技術，可以微/納米制造厚度范圍為 5 至 50 納米的氮化硅薄器件。該方法采用飛秒激光，它發射極短、極快的光脈沖。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材料。

通過將這種方法應用于石墨烯的超薄原子層，該研究小組現已成功地在不損壞石墨烯薄膜的情況下進行多點鉆孔。并于2023年5月16日將成果發表在Nano Letters雜志上。

“通過適當控制輸入能量和激光發射次數，我們能夠執行精確加工并創建直徑從 70 納米（遠小于 520 納米的激光波長）到超過 1 毫米的孔，”日本東北大學先進材料多學科研究所助理教授，該論文的合著者說。

在通過高性能電子顯微鏡對低能量激光脈沖照射的區域進行更仔細的檢查后，Uesugi和他的同事發現石墨烯上的污染物也被去除了。進一步放大觀察發現直徑小于 10 納米的納米孔和原子級缺陷，其中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有害又有利，具體取決于應用。雖然缺陷有時會降低某些屬性，但它們也會引入新功能或增強特定特性。

“觀察到納米孔和缺陷的密度隨激光發射的能量和數量成比例增加的趨勢，我們得出結論，可以通過使用飛秒激光照射來控制納米孔和缺陷的形成，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，還可以控制自旋和谷等量子級特征。此外，在這項研究中發現的飛秒激光照射去除污染物可以開發一種無損清潔清洗高純度石墨烯的新方法。”

該團隊的目標是建立一種使用激光的清潔技術，并對如何進行原子缺陷形成進行詳細研究。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重大影響。

文章來源：miragenews

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