レーザーによるグラフェンの「鍛造」

グラフェンは、その優れた性能から「魔法の素材」として知られる刺激的な新素材です。 研究者は、パルスレーザービームを使用して、グラフェンをナノメートルスケールの制御可能な3D形状に鍛造することができます。 鍛造メカニズムは、レーザーによるグラフェンの局所膨張に基づいています。

グラフェンは炭素の単一原子層であり、最も研究されている2D材料です。優れたキャリア移動度、強度、柔軟性、透明性、および広範囲の電磁スペクトルでの一定の吸収を備えているため、グラフェンは電子的であり、フォトニクスの新しいアプリケーションに最適な材料です。およびオプトエレクトロニクス。グラフェンを使用して現在公開されているデバイスには、センサー、電界効果トランジスタ（FET）、スーパーキャパシタ、および光検出器が含まれます。グラフェンは厳密には平面ではありませんが、波紋、しわ、その他の外方次元界の変形が含まれています。これらの構造変形は、グラフェンの電子特性の方法を提供しますが、それらを制御することは困難です。これまでのところ、グラフェンの3次元の変更は、ポイントバブリング、基板成形、ひずみ誘起周期変調、グラフェンの切断、またはグラフェンシートと官能基の接続に依存しており、グラフェン自体は制御されています。より複雑なカスタマイズされた3Dへの形成構造を実現することはまだ困難です。

この研究では、フィンランドのユヴァスキュラ大学と台湾と中国の国立中央大学の研究者が、不活性雰囲気でのフェムト秒レーザーパルス照射によって生成された局所ひずみ誘導を使用して、グラフェンを独立した3D形状に鍛造しました。空気中のレーザー照射が酸素含有グラフェン表面の二光子官能化を生み出すことは以前に示されていましたが、研究者はこの研究が不活性雰囲気が根本的に異なる欠陥工学処理を可能にすると信じています。彼らは、弾性理論のコンピューターシミュレーションを使用して、実験的観察を確認し、方法の理論的基礎を提供します。 「光学鍛造」は、グラフェンの3D形状に基づく基礎研究とアプリケーション開発の新しい可能性を提供します。

研究者は、窒素とアルゴン下でフェムト秒パルスを厳密に集束させた直接レーザー書き込みにより、Si / SiO2基板上にグラフェンの単層をパターン化しました。どちらも品質は類似しています。グラフェン上に2×2μm²の正方行列をパターン化します。各正方形は、100nmの間隔で441個の部分的に重なり合う光スポットで照らされています。各ポイントの照射時間は0.1から2秒まで変化します。驚いたことに、原子間力顕微鏡（AFM）画像に示されているように、照らされた正方形は明確な境界を持つ高いプラットフォームを形成します（図1a）。高さは約3nmから約20nmまで変化し（図1b）、照射時間の平方根に比例します（図S1）。理論的には、この比例関係は妥当です。パターン化する前にグラフェンにすでに存在していた折り目を除いて、高いプラットフォームの内外にシワは見られませんでした。照らされた領域の反射が強化されているため、パターン化されたマトリックスが光学顕微鏡で非常にはっきりと見えることに注意してください（図1c）。照射時間が長くなると、照射スポットの明るさが増し、色が緑から黄色に変わります。
▲イラスト：（a）AFM画像。 （b）aFMの矢印の間のAFM画像の線の輪郭。 （c）光学顕微鏡画像。 下と右の線は、厚さ30 nm、幅1μmの金の参照グリッドの一部です。 （d）ラマン図。1350cm-1でのDバンド領域の合計強度を示しています。 （e）グラフェンで測定されたラマンスペクトル、照射なし（下）、各ポイントで0.5秒（中央）および2秒（上）。 （f）285.0〜284.2eVでのC1s信号のXPS画像。 （g）未照射グラフェン（下）と照射グラフェン（上）のXPS調査スペクトル。 （h）非照射領域（下; fの黒い矢印）と照射領域（上; fの赤い矢印）のXPS C1sスペクトル。 影付きの領域は、fで画像を作成するために使用される領域を示しています。 灰色の線は元のスペクトルを示しています。 黒い線は、C = C（緑）、C-C（赤）、背景（青）のコンポーネントを含む継手です。高架構造物の高さと各スポットの照射時間の関係。 高さデータは、図1aのAFMデータセットから抽出されます。 赤い曲線は、照射時間に適合した平方根を表しています。

▲図2.（a）空気（上）と窒素（下）の下で囲まれた正方形のAFM画像。矢印は、グラフェンの三角形の断面が折りたたまれている場所を示しています。 （b）空気下でパターン化された中央領域に加えて、窒素下でパターン化された大きな正方形のAFM画像。左側のパターンの大きな正方形の後、右側のパターンの大きな正方形の前に、中央の領域がパターン化されました。

図2bは、空気と窒素下でレーザーパターニングを組み合わせて作成した2つの正方形パターンを示しています。左側の正方形パターンでは、最初に2×2μm²の大きな正方形を窒素下でパターン化して、高さ6nmのプラットフォームを形成します。次に、内側の1×1μm²の正方形を空中でパターン化します。内側の正方形はわずかにしわが寄っていて、平均の高さは3.5nmです。右側の正方形のパターンでは、最初に内側の1×1μm²の正方形を空気中でパターン化し、外側の2×2μm²の正方形を窒素でパターン化します。ここで、内側の正方形の高さは1.3 nmで、図2aの酸化領域と同様です。外枠も6nmの高さです。データは、グラフェン表面を酸素含有基で官能化すると、プラットフォーム形成が阻害される可能性があることを示しています。

グラフェン変形の最も合理的なメカニズムは、放射線による欠陥の形成です。照射時間が長いほど、状況は異なります。長期の単点照射により、直径約1.2μm、高さ150nmの構造が得られました。
点欠陥は、グラフェンの局所的な膨張のメカニズムです。 実験により、高さ150 nmの部分的に崩壊した構造と、ある点での長期照射によって引き起こされた崩壊した構造のラマンスペクトルが観察されました。

3Dパターニングの方法とメカニズムを確立した後、グラフェンの3D構造の製造はより複雑になります。 最初の例はピラミッド構造です（図4a）。 最初にベースレイヤーを作成し、次に次のレイヤー（図4bのアウトライン）を徐々に作成してピラミッドを作成します。 この種のピラミッドは、シミュレーションでも安定していることが証明されています。 ピラミッドは、以前に形成された平面構造上で繰り返し構造が形成される可能性の興味深いデモンストレーションです。このプログレッシブ制御により、任意の複雑なアーキテクチャを構築できます。 さらに、研究者たちは高さ150 nmの円形半球も作成しました。ボールは対称的に折りたたまれており、ミニチュア格子、スパイラル構造、正方行列、トーチがあります。
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3D構造の方法と基本構造の方法后、グラフェンの3D構造の制造はより蛑になります。初の例はピラミッド構造です（図4a）。当初、に下レイヤーを着し、ダウンロード次のレイヤー（図4bのレイヤー）を着てしてピラミッドをできてしてください。種のピラミッドは、シミュレーションも安定します。ピラミッドは、前に成された構造を上で缲り回しゅるが成構造傋際樓の兴味がデモン解です。このプログレッシブ・プログレッシブ、任意の复雑なプログレッシブ。も、研究者さ高さ150nm的円球ももしました。玉は対称できたたつており、ミニチュアグリッド、スパイラル構造、四角い行と列、トーチがあります。