Højhastigheds femtosekund laser plasmonisk litografi af grafenoxidfilm

Grafenanaloger såsom grafenoxid (GO) og dets reducerede former (rGO) er fascinerende kulstofmaterialer på grund af de komplementære egenskaber, som sp3-sp2 interkonverteringen giver, afslører substituerbarheden og potentialet for industrialisering af integrerede grafenenheder. Passende mikro/nanostrukturelt design af GO og rGO til styring af energibåndgabet og overfladekemisk aktivitet er vigtigt for udvikling af strategiske applikationer. Femtosekund laser plasmonisk litografi (FPL) teknologien er en kvalificeret kandidat til at generere de nødvendige strukturer på grund af dens effektivitet, høj kvalitet, fleksibilitet og kontrollerbarhed. Imidlertid, da både de teoretiske og eksperimentelle udforskninger af denne metode stadig er i deres vorden, mikro/nanobehandling af grafenmaterialer ved hjælp af FPL er ikke blevet realiseret. Gennemførligheden af ​​at implementere teknikken i praktiske applikationer er stadig tvivlsom, fordi de fleste relaterede undersøgelser kun fremhæver egenskaberne ved den struktur, der opnås fra behandlingen, men ofte ignorerer de komplementære ændringer i materialets egenskaber.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , forskere fra State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institut for Optik, finmekanik og fysik, det kinesiske videnskabsakademi, Kina, og kolleger præsenterede en høj kvalitet, effektiv og stort område periodisk mikro/nanorippel fremstilling (~680 nm periode) og fotoreduktion af GO film (~140 nm tykkelse) på et silicium substrat ved at bruge FPL metoden. Interessant nok, i modsætning til de fleste af de rapporterede laser-inducerede periodiske overfladestrukturer (LIPSS), hvor mønsterjusteringen er vinkelret på polariseringen af ​​det indfaldende lys, de er fundet at have den ekstraordinære ensartede fordeling med orientering parallelt med hinanden i dette tilfælde. Et sådant fænomen kan ikke forklares af den konventionelle teori om LIPSS, dvs. interferensen mellem det indfaldende lys med TM-tilstand og den exciterede overfladeplasmonbølge (SP). Analysen viste, at den laser-inducerede gradientreduktion af GO-film fra dens overflade til det indre spiller en nøglerolle, og det fører til en inhomogen plade med den maksimale dielektriske permittivitet (DP) ved overfladen og en mindre DP i det indre, der tillader excitation af TE-mode overfladeplasmoner (TE-SP'er) og den efterfølgende ualmindelige interferens. På grund af de forskellige fysiske mekanismer involveret i laser-rGO interaktionen, LIPSS-formationen udviste også unikke egenskaber såsom stærk robusthed mod en række forstyrrelser. Fordi mikrobehandlingen ikke indeholder assistentoperationer, såsom kemisk ætsning, egenskaberne af grafenmaterialet bibeholdes, hvilket giver dem mulighed for optoelektroniske applikationer. Faktisk, gennem modulering af fotoreduktionsgraden og strukturelt design af rGO overfladen, de indså den forbedrede lysabsorption (~ 20%), termisk stråling (> 10°C) og anisotrope ledningsevner (anisotropiforhold ~ 0,46) fra dette filmmateriale. Baseret på det, de designede en on-chip, bredbåndsfotodetektor med stabil fotoresponsivitet (R ~ 0,7 mA W-1), selv når den udsættes for lys med lav effekt (0,1 mW). Forfatterne af papiret opsummerer betydningen af ​​dette arbejde som følger:

"(1) FPL-teknologien bruges for første gang til at realisere forberedelsen af ​​høj kvalitet, effektive og store periodiske mikro/nanostrukturer på overfladen af ​​grafenmaterialer; (2) De fysiske mekanismer af laser-materiale interaktion involveret i FPL teknologi er yderligere forbedret; (3) Både de strukturelle egenskaber og egenskaberne af selve det forarbejdede materiale tages i betragtning ved anvendelsen af ​​fotoelektriske anordninger."

"Sammenlignet med direkte laserskrivning, der anvender de samme indfaldende laserparametre, vores FPL-strategi tager kun ~1/14000 af tiden at behandle en centimeter-størrelse prøve (1×1,2 cm2). På samme tid, på grund af den mulige ikke-lineære optiske egenskab, FPL-strategien inducerer et åbenlyst "selv-reparerende" fænomen, som effektivt kan garantere forarbejdningskvaliteten. For eksempel, vi kan forberede rGO-LIPSS-film på forskellige substrater og ikke-destruktivt overføre dem til andre substrater."

"Vores forklaring af de eksperimentelle fænomener er markant anderledes end de fleste af principperne på nuværende tidspunkt. Dette vil give os en klarere forståelse af de relevante fysiske processer og lægge et solidt fundament for den videre udvikling af FPL-teknologier."

"De strukturerede grafenmaterialer ved FPL-teknologi præsenterer fremragende fotoelektrisk ydeevne. Fotoresponsiviteten er numerisk sammenlignelig med reaktionen af ​​prøverne opnået ved andre reduktionsmetoder (f.eks. kemisk og termisk) og er meget større end typiske fotoreducerede. Anisotropiforholdet er endnu større end for nogle naturlige anisotrope krystaller. Vores arbejde kombinerer den eksperimentelle udforskning med den dybdegående forståelse af højhastighedsmikro/nanomønster af den almindelige rGO-LIPSS, som ikke kun gavner grundlæggende fysik, men også letter den praktiske udvikling af grafenanaloger i industriel skala. "