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東北大学より2023年6月3日

レーザー照射によりグラフェンフィルムに穴を開けるイメージ。 炭素原子の大きさは誇張されており、実際の大きさとは異なります。 クレジット: 上杉 勇樹 他

Researchers at Tohoku University used a femtosecond laser to successfully micro/nanofabricate grapheneGraphene is an allotrope of carbon in the form of a single layer of atoms in a two-dimensional hexagonal lattice in which one atom forms each vertex. It is the basic structural element of other allotropes of carbon, including graphite, charcoal, carbon nanotubes, and fullerenes. In proportion to its thickness, it is about 100 times stronger than the strongest steel." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">グラフェンフィルムは、ダメージを与えずに多点の穴を作成し、汚染物質を除去します。 この技術は従来のより複雑な方法に取って代わる可能性があり、量子材料研究やバイオセンサー開発に潜在的な進歩をもたらす可能性がある。

2004 年に発見されたグラフェンは、さまざまな科学分野に革命をもたらしました。 高い電子移動度、機械的強度、熱伝導率などの優れた特性を備えています。 次世代半導体材料としての可能性を探るために多大な時間と労力が費やされ、グラフェンベースのトランジスタ、透明電極、センサーの開発につながっています。

But to render these devices into practical application, it's crucial to have efficient processing techniques that can structure graphene films at micrometer and nanometer scale. Typically, micro/nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">ナノスケールの材料加工とデバイス製造では、ナノリソグラフィーと集束イオンビーム法が採用されています。 しかし、これらは大規模な設備、長い製造時間、複雑な操作の必要性により、研究室の研究者にとって長年の課題となってきました。

1月に遡ると、東北大学の研究者らは、厚さが5～50ナノメートルの範囲の窒化ケイ素の薄型デバイスをマイクロ/ナノ加工できる技術を開発した。 この方法では、非常に短く高速な光パルスを放射するフェムト秒レーザーが使用されました。 真空環境を必要とせずに、薄い材料を迅速かつ便利に処理できることが判明しました。

(a) レーザー加工システムの概略図。 (b) グラフェン フィルム上に 32 個のレーザー スポットを形成します。 (c) 多点穴開けされたグラフェン フィルムの画像。 クレジット: 上杉 勇樹 他

同グループは、この手法をグラフェンの極薄原子層に適用することで、グラフェン膜に損傷を与えることなく多点穴あけを行うことに成功した。 彼らの躍進の詳細は、2023 年 5 月 16 日付けの学術誌 Nano Letters で報告されました。

「入力エネルギーとレーザーのショット数を適切に制御することで、精密な加工を実行し、レーザー波長の520ナノメートルよりもはるかに小さい70ナノメートルから1ミリメートル以上の直径の穴を作成することができました」と上杉勇樹氏は語ります。 、東北大学多元物質科学研究所助教、論文の共著者。

レーザー加工したグラフェン膜を走査透過型電子顕微鏡で観察した画像。 黒い部分はスルーホールを示します。 白い物体は表面の汚染物質を示します。 クレジット: 上杉 勇樹 他

上杉氏らは、穴が空かなかった低エネルギーレーザーパルスの照射部分を高性能電子顕微鏡で詳しく調べたところ、グラフェン上の汚染物質も除去されていることを発見した。 さらに拡大して観察すると、グラフェンの結晶構造中に数個の炭素原子が欠けている、直径10ナノメートル未満のナノ細孔と原子レベルの欠陥が明らかになった。

グラフェンの原子欠陥は、用途によっては有害でもあり、有利でもあります。 欠陥によって特定の特性が低下する場合もありますが、新しい機能が導入されたり、特定の特性が向上したりすることもあります。

高倍率透過型電子顕微鏡によって得られた画像。 赤い領域はナノポアを示します。 青色の領域は汚染物質を示します。 矢印で示した位置に原子欠陥が存在します。 クレジット: 上杉 勇樹 他

「ナノ細孔と欠陥の密度がレーザーショットのエネルギーと回数に比例して増加する傾向を観察した結果、フェムト秒レーザー照射を使用することでナノ細孔と欠陥の形成を操作できるという結論に至りました」と上杉氏は付け加えた。 「グラフェンにナノ細孔や原子レベルの欠陥を形成することで、電気伝導度だけでなく、スピンやバレーなどの量子レベルの特性も制御することができます。また、今回の研究で見出されたフェムト秒レーザー照射による汚染物質の除去は、新たなナノ粒子の除去方法の開発につながる可能性があります。」高純度グラフェンを非破壊できれいに洗浄します。」

今後はレーザーを用いた洗浄技術の確立や、原子欠陥の形成方法などの詳細な検討を目指す。 さらなるブレークスルーは、量子材料研究からバイオセンサー開発までの分野に大きな影響を与えるでしょう。

参考文献: Nano Letters 著「自己懸濁単層グラフェンのナノ加工とフェムト秒レーザー照射による欠陥形成」DOI: 10.1021/acs .nanolett.3c00594