Lasers ultrarrápidos (picosegundos ou femtosegundos) são cada vez mais utilizados no processamento de padrões de filme para o desenvolvimento e produção de dispositivos microeletrônicos e nanoeletrônicos. Suas aplicações de produtos incluem células fotovoltaicas, displays, sensores ou produtos eletrônicos orgânicos de grande formato. As principais vantagens dos lasers ultrarrápios incluem efeito térmico limitado e dissipação rápida de energia, o que ajuda a perceber oPadrãoprocessamento de estruturas complexas de filmes multicamadas ultrafinas.
O advento da era dos nanomateriais proporciona novas possibilidades de processamento para equipamentos extremamente de alta velocidade, alta eficiência e miniaturizados. No entanto, processar novos nanomateriais com espessuras tão baixas quanto uma única camada atômica é tecnicamente extremamente desafiador. Este artigo descreve a aplicação de lasers ultrarrápidos para o processamento de cores de lattices de carbono bidimensionais de nível atômico, ou seja, grafeno.
Radiação de grafeno e laser
Nos últimos dez anos, o grafeno tem atraído muita atenção devido às suas propriedades únicas e sua aplicação em vários campos, incluindo células fotovoltaicas, optoeletrônica, sensores, reações químicas e armazenamento de energia. A indústria desenvolveu sucessivamente uma variedade de tecnologias baseadas em grafeno baseadas em métodos tradicionais, como a microeletrônica do silício. O processamento a laser começou a ser usado no desenvolvimento de equipamentos de grafeno, mas tem mostrado grande potencial. Os raios laser podem ser usados para realizar vários tratamentos no grafeno, incluindo o crescimento do grafeno assistido a laser e a ablação de padrões em diferentes substratos.
Lasers ultrarrápios podem usar um processo de laser de gravação direta de uma etapa única para substituir o processo de fotolitografia de várias etapas. Este é um processo vital e extremamente benéfico para evitar quaisquer impurezas formadas na superfície do grafeno devido ao processamento molhado.
Ablação do padrão de grafeno
Embora a espessura seja tão grossa quanto uma ou algumas monocamadas atômicas, a taxa de absorção de luz do grafeno é relativamente alta em uma ampla janela de espectro eletromagnético. Para o grafeno suspenso de camada única, o valor preciso da medição da luz visível é de 2,3%. Além disso, dependendo das propriedades do substrato e da superfície de ligação, a absortividade do grafeno em um substrato específico pode ser ainda 10 vezes maior. Ao usar lasers ultrarrápidos com alta densidade de fótons, a taxa de absorção pode ser melhorada.
Figura 1: Um exemplo de ablação a laser de padrões de grafeno em larga escala.
Isso fornece a possibilidade de ablação a laser precisa e eficiente do grafeno (Figura 1). Aplicações eletrônicas geralmente exigem que o grafeno seja colocado em óxido de silício cultivado termicamente em cima de um substrato de silício. Nesta estrutura, o desempenho de absorção de alta eficiência do grafeno garante que o grafeno possa ser processado por ablação a laser sem danificar silício ou óxido de silício.
Uma vez que a espessura do grafeno está no nível atômico, é possível usar um método de ablação de um único tiro para encurtar o tempo total de processamento. Tamanhos de características de 1Μm ou até mesmo mais fino pode ser obtido, e o processamento multifotônio induzido por laser pode ser usado para alcançar a resolução do comprimento de onda.
A fotoquímica do grafeno
O processamento fotoquímico da superfície do material é um método bem conhecido. Sob radiação de luz ultravioleta, devido à mudança de fase interna ou à reação com o ambiente circundante (gás, vapor e líquido), as propriedades do material mudarão. A aplicação mais comum que utiliza as propriedades fotoquímicas do processamento a laser é o processo de fabricação aditiva da polimerização multifotônica usando radiação laser. Fornece ferramentas de processamento exclusivas para processamento químico 3D de polímeros e compósitos. O mesmo vale para o grafeno à base de carbono que também pode ser quimicamente modificado pela forte oxidação UV.
O grafeno é um material único, independentemente de suas propriedades eletrônicas ou propriedades ópticas. O grafeno verificou efeitos ópticos não lineares, como absorção multifotônio, geração de plasma (plasma é a excitação coletiva de "fluidos" eletrônicos em materiais condutores), cotona, etc. Ao explorar esses efeitos ópticos não lineares, espera-se que a luz visível de alta intensidade possa ser usada para alterar as propriedades químicas e ópticas do grafeno. A Figura 2 mostra uma reação típica da oxidação local do grafeno usando um laser ultrarrápido de 515nm em uma atmosfera de oxigênio/água.
Figura 2: Micrografia eletrônica de listras de oxidação de grafeno.
O resultado é que ele pode produzir uma estrutura livre com resolução de submicrícros (sem traço) em um método de processamento de alta velocidade (com um scanner óptico tradicional a uma velocidade de processamento de até vários metros por segundo). Possui características superficiais como comutação extrema e diferença de condutividade, obtenção de manobrabilidade de luz e capacidade de acessividade. Este resultado é muito útil, e pode desenvolver rapidamente uma variedade de equipamentos ou dispositivos usados nos campos biológicos, de segurança ou de comunicação.
As várias características técnicas do grafeno superam em muito os materiais tradicionais de estado sólido utilizados em sistemas eletrônicos, micro-eletromecânicos (MEMS) e sistemas micro-opto-eletromecânicos (MOEMS) hoje. Essas novas características precisam ser mais exploradas para permitir o uso do processamento a laser para obter tecnologias com maior escala, velocidade mais rápida, maior reprodutibilidade e melhor pureza, a fim de integrar o grafeno em novas plataformas microeletrônicas.