Ultraschnelle Laser (Pikosekunden oder Femtosekunden) werden zunehmend in der Filmmusterverarbeitung zur Entwicklung und Herstellung von Mikroelektronik- und Nanoelektronikgeräten eingesetzt. Zu den Produktanwendungen gehören Photovoltaikzellen, Displays, Sensoren oder großformatige organische Elektronikprodukte. Zu den Hauptvorteilen ultraschneller Laser gehören ein begrenzter thermischer Effekt und eine schnelle Energiedissipation, die zur Realisierung des Effekts beiträgtMusterVerarbeitung komplexer ultradünner Mehrschichtfolienstrukturen.
Das Aufkommen der Ära der Nanomaterialien bietet neue Verarbeitungsmöglichkeiten für extrem schnelle, hocheffiziente und miniaturisierte Geräte. Die Verarbeitung solcher neuen Nanomaterialien mit einer Dicke von nur einer einzelnen Atomschicht ist jedoch technisch äußerst schwierig. Dieser Artikel beschreibt die Anwendung ultraschneller Laser zur Farbverarbeitung von zweidimensionalen Kohlenstoffgittern auf atomarer Ebene, nämlich Graphen.
Graphen und Laserstrahlung
In den letzten zehn Jahren hat Graphen aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften und seiner Anwendung in verschiedenen Bereichen, einschließlich Photovoltaikzellen, Optoelektronik, Sensoren, chemischen Reaktionen und Energiespeicherung, viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Industrie hat nacheinander eine Vielzahl von Technologien auf Graphenbasis entwickelt, die auf traditionellen Methoden wie der Silizium-Mikroelektronik basieren. Die Laserbearbeitung wurde gerade erst bei der Entwicklung von Graphengeräten eingesetzt, hat jedoch großes Potenzial gezeigt. Laserstrahlen können verwendet werden, um verschiedene Behandlungen an Graphen durchzuführen, einschließlich laserunterstütztem Graphenwachstum und Musterablation auf verschiedenen Substraten.
Ultraschnelle Laser können einen einstufigen Direktschreiblaserprozess verwenden, um den mehrstufigen Fotolithografieprozess zu ersetzen. Dies ist ein wichtiger und äußerst vorteilhafter Prozess, um Verunreinigungen auf der Graphenoberfläche aufgrund der Nassverarbeitung zu vermeiden.
Graphenmusterablation
Obwohl die Dicke nur so dick ist wie eine oder einige atomare Monoschichten, ist die Lichtabsorptionsrate von Graphen in einem breiten elektromagnetischen Spektrum relativ hoch. Für einschichtiges suspendiertes Graphen beträgt der genaue Messwert des sichtbaren Lichts 2,3%. Zusätzlich kann in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Substrats und der Bindungsoberfläche das Absorptionsvermögen von Graphen auf einem bestimmten Substrat sogar zehnmal höher sein. Bei Verwendung ultraschneller Laser mit hoher Photonendichte kann die Absorptionsrate weiter verbessert werden.
Abbildung 1: Ein Beispiel für die Laserablation großflächiger Graphenmuster.
Dies bietet die Möglichkeit einer präzisen und effizienten Laserablation von Graphen (Abbildung 1). Bei elektronischen Anwendungen muss Graphen häufig auf thermisch gewachsenem Siliziumoxid auf einem Siliziumsubstrat platziert werden. In dieser Struktur stellt die hocheffiziente Absorptionsleistung von Graphen sicher, dass das Graphen durch Laserablation verarbeitet werden kann, ohne Silizium oder Siliziumoxid zu beschädigen.
Da die Dicke von Graphen auf atomarer Ebene liegt, ist es möglich, ein Einzelschuss-Ablationsverfahren zu verwenden, um die Gesamtverarbeitungszeit zu verkürzen. Funktionsgrößen von 1μm oder sogar dünner kann erhalten werden, und eine laserinduzierte Mehrphotonenverarbeitung kann verwendet werden, um eine Auflösung unterhalb der Wellenlänge zu erreichen.
Die Photochemie von Graphen
Die photochemische Bearbeitung der Materialoberfläche ist eine bekannte Methode. Unter ultravioletter Lichtstrahlung ändern sich aufgrund der internen Phasenverschiebung oder der Reaktion mit der Umgebung (Gas, Dampf und Flüssigkeit) die Materialeigenschaften. Die häufigste Anwendung, die die photochemischen Eigenschaften der Laserbearbeitung nutzt, ist der additive Herstellungsprozess der Multiphotonenpolymerisation unter Verwendung von Laserstrahlung. Es bietet einzigartige Verarbeitungswerkzeuge für die chemische 3D-Verarbeitung von Polymeren und Verbundwerkstoffen. Gleiches gilt für Graphen auf Kohlenstoffbasis, das auch durch starke UV-Oxidation chemisch modifiziert werden kann.
Graphen ist ein einzigartiges Material, unabhängig von seinen elektronischen oder optischen Eigenschaften. Graphen hat nichtlineare optische Effekte wie Multiphotonenabsorption, Plasmaerzeugung (Plasma ist die kollektive Anregung von elektronischem&", Flüssigkeiten GG" in leitfähigen Materialien), Güteschalten usw. verifiziert. Durch die Untersuchung dieser nichtlinearen optischen Effekte wird dies erwartet Dieses hochintensive sichtbare Licht kann verwendet werden, um die chemischen und optischen Eigenschaften von Graphen zu verändern. 2 zeigt eine typische Reaktion der lokalen Oxidation von Graphen unter Verwendung eines ultraschnellen 515-nm-Lasers in einer Sauerstoff / Wasser-Atmosphäre.
Abbildung 2: Elektronenmikroskopische Aufnahme von Graphenoxidationsstreifen.
Das Ergebnis ist, dass bei einem Hochgeschwindigkeits-Verarbeitungsverfahren (mit einem herkömmlichen optischen Scanner mit einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von bis zu mehreren Metern pro Sekunde) eine freie Struktur mit einer Auflösung im Submikronbereich (keine Spur) erzeugt werden kann. Es hat Oberflächeneigenschaften wie extreme Schalt- und Leitfähigkeitsunterschiede, wodurch leichte Manövrierfähigkeit und Benetzbarkeit erzielt werden. Dieses Ergebnis ist sehr nützlich und kann schnell eine Vielzahl von Geräten oder Vorrichtungen entwickeln, die in den Bereichen Biologie, Sicherheit oder Kommunikation eingesetzt werden.
Die verschiedenen technischen Eigenschaften von Graphen übertreffen die traditionellen Festkörpermaterialien, die heute in der Elektronik, in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und in mikrooptoelektromechanischen Systemen (MOEMS) verwendet werden, bei weitem. Diese neuen Funktionen müssen weiter untersucht werden, um mithilfe der Laserbearbeitung Technologien mit größerem Maßstab, höherer Geschwindigkeit, höherer Reproduzierbarkeit und besserer Reinheit zu erhalten und Graphen in neue mikroelektronische Plattformen zu integrieren.