في الآونة الأخيرة ، باحثون فيجامعة توهوكو(اليابان) استخدمت ليزر الفيمتو ثانية لتصنيع أغشية ميكروية / نانوية بنجاح ، وإنشاء ثقوب متعددة النقاط دون إتلاف وإزالة الملوثات. يقول الفريق إن هذه التقنية ستحل على أمل استبدال الأساليب التقليدية الأكثر تعقيدًا ، مما يؤدي إلى تطورات محتملة في أبحاث المواد الكمومية وتطوير أجهزة الاستشعار الحيوية.
تم اكتشاف الجرافين في عام 2004 ، ومنذ ذلك الحين أثر تأثيره التخريبي على مختلف المجالات العلمية. لها خصائص ملحوظة مثل ارتفاع حركة الإلكترون ، والقوة الميكانيكية ، والتوصيل الحراري. حتى الآن ، استثمرت الصناعة وقتًا وجهدًا كبيرين لاستكشاف إمكانات الجرافين كمواد من أشباه الموصلات من الجيل التالي ، مما أدى إلى تطوير الترانزستورات القائمة على الجرافين ، والأقطاب الكهربائية الشفافة ، وأجهزة الاستشعار.
ومع ذلك ، فإن المفتاح لجعل هذه الأجهزة متاحة للتطبيقات العملية هو تقنية المعالجة الفعالة ، مما يعني أيضًا أنه يمكن إنشاء أغشية الجرافين على المقياس الدقيق والنانو. عادةً ، تُستخدم طرق الطباعة الحجرية النانوية وطرق الحزمة الأيونية المركزة لمعالجة المواد الدقيقة / النانوية وتصنيع الجهاز. ومع ذلك ، فإن الحاجة إلى معدات كبيرة ، وأوقات تصنيع طويلة ، وعمليات معقدة تشكل تحديات طويلة الأجل للباحثين في المختبرات.
في يناير الماضي ، اخترع باحثون في جامعة توهوكو في اليابان تقنية تسمح بالتصنيع الدقيق / النانوي لأجهزة نيتريد السيليكون الرقيقة بسماكة تتراوح بين 5 و 50 نانومتر. تستخدم الطريقة أليزر الفيمتو ثانيةالتي تبعث نبضات ضوئية قصيرة جدًا وسريعة جدًا. لقد أثبت قدرته على معالجة المواد الرقيقة بسرعة وسهولة بدون بيئة فراغ.
من خلال تطبيق هذه الطريقة على الطبقات الذرية فائقة الرقة من الجرافين ، نجحت مجموعة البحث نفسها الآن في إجراء حفر متعدد النقاط دون إتلاف فيلم الجرافين. تم نشر نجاحهم في هذا الاختراق في عدد 16 مايو 2023 من رسائل نانو.
قال يوكي أوسوجي ، الأستاذ المساعد في معهد البحوث متعدد التخصصات للمواد المتقدمة بجامعة توهوكو في اليابان والمؤلف المشارك للورقة ، "من خلال التحكم في طاقة الإدخال وعدد مخرجات الليزر ، تمكنا من إجراء معالجة دقيقة و إنشاء ثقوب بأقطار تتراوح من 70 نانومتر إلى أكثر من 1 مم ، وهو أصغر بكثير من الطول الموجي لليزر 520 نانومتر ".
بعد فحص دقيق للمنطقة التي تعرضت للإشعاع بواسطة نبضة ليزر منخفضة الطاقة من خلال مجهر إلكتروني عالي الأداء ، وجد أوسوجي وزملاؤه أن الملوثات أزيلت أيضًا من الجرافين. كشفت المزيد من الملاحظات المكبرة عن وجود مسام نانوية قطرها أقل من 10 نانومتر وعيوب على المستوى الذري في التركيب البلوري للجرافين ، حيث كانت العديد من ذرات الكربون مفقودة.
اعتمادًا على التطبيق ، يكون للعيوب الذرية في الجرافين جوانب ضارة ومفيدة. بينما يمكن أن تؤدي العيوب في بعض الأحيان إلى تدهور بعض الخصائص ، إلا أنها يمكن أن تقدم وظائف جديدة أو تعزز خصائص معينة.
وأضاف أوسوجي: "لقد لاحظنا ميلًا لزيادة كثافة المسام النانوية والعيوب بشكل متناسب مع الطاقة وعدد إشعاعات الليزر وخلصنا إلى أنه - يمكن التحكم في تكوين المسام النانوية والعيوب باستخدام تشعيع الليزر فيمتوثانية". "من خلال تكوين المسامات النانوية وعيوب المستوى الذري في الجرافين ، من الممكن التحكم ليس فقط في الموصلية ولكن أيضًا في خصائص المستوى الكمي مثل الدوران والوادي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي إزالة الملوثات الموجودة في هذا البحث بالليزر فيمتوثانية إلى تطوير طريقة جديدة للتنظيف غير المدمر للغرافين عالي النقاء المغسول ".
بالنظر إلى المستقبل ، يهدف الفريق إلى إنشاء تقنية تنظيف باستخدام الليزر وإجراء دراسات مفصلة حول كيفية إجراء تكوين الخلل الذري. سيكون للاختراقات الأخرى تأثير كبير على مجالات تتراوح من أبحاث المواد الكمومية إلى تطوير أجهزة الاستشعار الحيوية.
