Сверхбыстрые лазеры (пикосекунды или фемтосекунды) все чаще используются при обработке рисунков пленок для разработки и производства устройств микроэлектроники и наноэлектроники. Его продукты включают фотоэлектрические элементы, дисплеи, датчики или широкоформатные органические электронные продукты. Основные преимущества сверхбыстрых лазеров включают ограниченный тепловой эффект и быстрое рассеяние энергии, что помогает реализоватьшаблонобработка сложных ультратонких многослойных пленочных конструкций.
Наступление эры наноматериалов открывает новые возможности обработки для чрезвычайно высокоскоростного, высокоэффективного и миниатюрного оборудования. Однако обработка таких новых наноматериалов с толщиной всего один атомный слой технически чрезвычайно сложна. В данной статье описывается применение сверхбыстрых лазеров для цветовой обработки двумерных решеток углерода атомного уровня, а именно графена.
Графен и лазерное излучение
За последние десять лет графен привлек большое внимание благодаря своим уникальным свойствам и применению в различных областях, включая фотоэлектрические элементы, оптоэлектронику, датчики, химические реакции и накопление энергии. В отрасли последовательно разрабатываются различные технологии на основе графена, основанные на традиционных методах, таких как кремниевая микроэлектроника. Лазерная обработка только начала использоваться при разработке оборудования для графена, но она показала большой потенциал. Лазерные лучи можно использовать для различных обработок графена, включая выращивание графена с помощью лазера и абляцию рисунка на различных подложках.
Сверхбыстрые лазеры могут использовать одноступенчатый лазерный процесс с прямой записью, чтобы заменить многоступенчатый процесс фотолитографии. Это жизненно важный и чрезвычайно полезный процесс, позволяющий избежать любых примесей, образующихся на поверхности графена из-за влажной обработки.
Абляция графенового рисунка
Хотя толщина составляет всего один или несколько атомных монослоев, скорость поглощения света графеном относительно высока в широком окне электромагнитного спектра. Для однослойного подвешенного графена точное значение измерения видимого света составляет 2,3%. Кроме того, в зависимости от свойств подложки и склеиваемой поверхности поглощающая способность графена на конкретной подложке может быть даже в 10 раз выше. При использовании сверхбыстрых лазеров с высокой плотностью фотонов скорость поглощения может быть дополнительно улучшена.
Рисунок 1: Пример лазерной абляции крупномасштабных графеновых узоров.
Это дает возможность для точной и эффективной лазерной абляции графена (рис. 1). Электронные приложения часто требуют, чтобы графен был помещен на термически выращенный оксид кремния поверх кремниевой подложки. В этой структуре характеристики высокоэффективного поглощения графена гарантируют, что графен может быть обработан лазерной абляцией без повреждения кремния или оксида кремния.
Поскольку толщина графена находится на атомном уровне, можно использовать метод однократной абляции, чтобы сократить общее время обработки. Размеры деталей 1μм или даже тоньше, и можно использовать индуцированную лазером многофотонную обработку для достижения субволнового разрешения.
Фотохимия графена
Фотохимическая обработка поверхности материала - известный метод. Под воздействием ультрафиолетового излучения из-за внутреннего фазового сдвига или реакции с окружающей средой (газом, паром и жидкостью) свойства материала изменятся. Наиболее распространенным применением фотохимических свойств лазерной обработки является аддитивный процесс многофотонной полимеризации с использованием лазерного излучения. Он предоставляет уникальные инструменты для трехмерной химической обработки полимеров и композитов. То же самое верно и для графена на основе углерода, который также может быть химически модифицирован сильным УФ-окислением.
Графен - уникальный материал независимо от его электронных или оптических свойств. Графен подтвердил нелинейные оптические эффекты, такие как многофотонное поглощение, генерация плазмы (плазма - это коллективное возбуждение электронных&"жидкости GG" в проводящих материалах), модуляция добротности и т. Д. Ожидается, что исследуя эти нелинейно-оптические эффекты что видимый свет высокой интенсивности можно использовать для изменения химических и оптических свойств графена. На рисунке 2 показана типичная реакция локального окисления графена с использованием сверхбыстрого лазера с длиной волны 515 нм в атмосфере кислород / вода.
Рисунок 2: Электронная микрофотография полос окисления графена.
В результате можно получить свободную структуру с субмикронным разрешением (без следов) с помощью высокоскоростного метода обработки (с помощью традиционного оптического сканера со скоростью обработки до нескольких метров в секунду). Он имеет такие характеристики поверхности, как экстремальное переключение и разницу проводимости, что обеспечивает легкую маневренность и смачиваемость. Этот результат очень полезен и позволяет быстро разработать разнообразное оборудование или устройства, используемые в биологии, безопасности или коммуникациях.
По различным техническим характеристикам графен намного превосходит традиционные твердотельные материалы, используемые сегодня в электронике, микро-электромеханических системах (MEMS) и микро-опто-электромеханических системах (MOEMS). Эти новые возможности требуют дальнейшего изучения, чтобы можно было использовать лазерную обработку для получения технологий с более крупными масштабами, более высокой скоростью, более высокой воспроизводимостью и более высокой чистотой, чтобы интегрировать графен в новые микроэлектронные платформы.