Découvert en 2004, le graphène est au cœur d’une révolution dans divers domaines scientifiques. Doté de propriétés remarquables comme une haute mobilité électronique, une résistance mécanique impressionnante et une excellente conductivité thermique, ce matériau est en constante exploration en tant que semi-conducteur de nouvelle génération. C’est ainsi que sont nés les transistors, les électrodes transparentes et les capteurs à base de graphène.
Cependant, pour rendre ces dispositifs pratiques, des techniques de traitement efficaces sont nécessaires, capables de structurer les films de graphène à l’échelle micrométrique et nanométrique. Habituellement, le traitement des matériaux à micro/nano-échelle et la fabrication de dispositifs nécessitent l’utilisation de nanolithographie et de faisceaux d’ions focalisés.
Ces méthodes posent des défis de taille pour les chercheurs de laboratoire en raison de leur besoin d’équipements à grande échelle, des temps de fabrication prolongés et des opérations complexes.
En janvier, des chercheurs de l’Université de Tohoku ont mis au point une technique capable de micro/nanofabriquer des dispositifs minces en nitrure de silicium, avec des épaisseurs variant de 5 à 50 nanomètres. Ils ont utilisé un laser femtoseconde qui émet des impulsions lumineuses extrêmement courtes et rapides. Cette technique s’est avérée capable de traiter rapidement et aisément des matériaux minces sans environnement sous vide.
En appliquant cette méthode à une couche atomique ultra-mince de graphène, le même groupe a réussi à effectuer un perçage de trous multi-points sans endommager le film de graphène. Les détails de cette avancée ont été rapportés dans la revue Nano Letters le 16 mai 2023.
« Avec un contrôle adéquat de l’énergie d’entrée et du nombre de tirs laser, nous avons réussi à effectuer un usinage précis et à créer des trous dont les diamètres varient de 70 nanomètres – bien plus petit que la longueur d’onde laser de 520 nanomètres – à plus de 1 millimètre« , déclare Yuuki Uesugi, maître de conférences à l’Institut de recherche multidisciplinaire pour les matériaux avancés de l’Université de Tohoku, et co-auteur de l’article.
En examinant de plus près les zones irradiées par des impulsions laser de faible énergie, qui n’ont pas percé de trous, à l’aide d’un microscope électronique haute performance, Uesugi et ses collègues ont constaté que les contaminants présents sur le graphène avaient également été éliminés. Une observation plus poussée a révélé des nanopores de moins de 10 nanomètres de diamètre et des défauts au niveau atomique, où plusieurs atomes de carbone manquaient dans les structures cristallines du graphène.
Les défauts atomiques dans le graphène sont à la fois préjudiciables et bénéfiques, selon l’application. Si les défauts peuvent parfois réduire certaines propriétés, ils introduisent aussi de nouvelles fonctionnalités ou améliorent certaines caractéristiques spécifiques.
« En constatant une tendance à l’augmentation proportionnelle de la densité des nanopores et des défauts avec l’énergie et le nombre de tirs laser, nous avons conclu que la formation de nanopores et de défauts pourrait être manipulée à l’aide d’une irradiation laser femtoseconde« , ajoute Uesugi.
« En formant des nanopores et des défauts au niveau atomique dans le graphène, on peut non seulement contrôler la conductivité électrique, mais aussi des caractéristiques au niveau quantique comme le spin et la vallée. De plus, l’élimination des contaminants par irradiation laser femtoseconde découverte dans cette recherche pourrait développer une nouvelle méthode pour laver de manière non destructive et propre le graphène de haute pureté.«
À l’avenir, l’équipe vise à établir une technique de nettoyage utilisant le laser et à mener une enquête détaillée sur la manière de réaliser la formation de défauts atomiques. De nouvelles avancées auront un impact considérable dans des domaines allant de la recherche sur les matériaux quantiques au développement de biocapteurs.
Publication – Titre : Nanotraitement de graphène monocouche auto-suspendu et formation de défauts par irradiation laser femtoseconde
Authors: Naohiro Kadoguchi, Yuuki Uesugi, Makoto Nagasako, Tetsuro Kobayashi, Yuichi Kozawa, Shunichi Sato
Journal: Nano Letters
DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00594
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