Los láseres ultrarrápidos (picosegundos o femtosegundos) se utilizan cada vez más en el procesamiento de patrones de películas para el desarrollo y producción de dispositivos microelectrónicos y nanoelectrónicos. Las aplicaciones de sus productos incluyen células fotovoltaicas, pantallas, sensores o productos electrónicos orgánicos de gran formato. Las principales ventajas de los láseres ultrarrápidos incluyen un efecto térmico limitado y una rápida disipación de energía, lo que ayuda a realizar lapatrónprocesamiento de estructuras complejas de películas multicapa ultrafinas.
El advenimiento de la era de los nanomateriales ofrece nuevas posibilidades de procesamiento para equipos miniaturizados de alta velocidad y alta eficiencia. Sin embargo, procesar estos nuevos nanomateriales con espesores tan bajos como una sola capa atómica es técnicamente extremadamente desafiante. Este artículo describe la aplicación de láseres ultrarrápidos para el procesamiento del color de redes de carbono bidimensionales de nivel atómico, a saber, grafeno.
Grafeno y radiación láser
En los últimos diez años, el grafeno ha atraído mucha atención debido a sus propiedades únicas y su aplicación en varios campos, incluidas las células fotovoltaicas, la optoelectrónica, los sensores, las reacciones químicas y el almacenamiento de energía. La industria ha desarrollado sucesivamente una variedad de tecnologías basadas en grafeno basadas en métodos tradicionales como la microelectrónica de silicio. El procesamiento láser acaba de comenzar a utilizarse en el desarrollo de equipos de grafeno, pero ha mostrado un gran potencial. Los rayos láser se pueden utilizar para realizar varios tratamientos en el grafeno, incluido el crecimiento del grafeno asistido por láser y la ablación de patrones en diferentes sustratos.
Los láseres ultrarrápidos pueden utilizar un proceso láser de escritura directa de un solo paso para reemplazar el proceso de fotolitografía de varios pasos. Este es un proceso vital y extremadamente beneficioso para evitar cualquier impureza formada en la superficie del grafeno debido al procesamiento en húmedo.
Ablación con patrón de grafeno
Aunque el grosor es solo del grosor de una o unas pocas monocapas atómicas, la tasa de absorción de luz del grafeno es relativamente alta en una amplia ventana de espectro electromagnético. Para el grafeno suspendido de una sola capa, el valor de medición preciso de la luz visible es del 2,3%. Además, dependiendo de las propiedades del sustrato y la superficie de unión, la capacidad de absorción del grafeno sobre un sustrato específico puede ser incluso 10 veces mayor. Cuando se utilizan láseres ultrarrápidos con alta densidad de fotones, la tasa de absorción se puede mejorar aún más.
Figura 1: Un ejemplo de ablación con láser de patrones de grafeno a gran escala.
Esto brinda la posibilidad de una ablación láser precisa y eficiente del grafeno (Figura 1). Las aplicaciones electrónicas a menudo requieren que el grafeno se coloque sobre óxido de silicio cultivado térmicamente sobre un sustrato de silicio. En esta estructura, el rendimiento de absorción de alta eficiencia del grafeno garantiza que el grafeno se pueda procesar mediante ablación con láser sin dañar el silicio o el óxido de silicio.
Dado que el grosor del grafeno está a nivel atómico, es posible utilizar un método de ablación de un solo disparo para acortar el tiempo total de procesamiento. Tamaños de funciones de 1μSe puede obtener m o incluso más delgado, y se puede usar el procesamiento multifotónico inducido por láser para lograr una resolución de sub-longitud de onda.
La fotoquímica del grafeno
El procesamiento fotoquímico de la superficie del material es un método bien conocido. Bajo radiación de luz ultravioleta, debido al cambio de fase interno o la reacción con el entorno circundante (gas, vapor y líquido), las propiedades del material cambiarán. La aplicación más común que utiliza las propiedades fotoquímicas del procesamiento láser es el proceso de fabricación aditiva de polimerización multifotónica mediante radiación láser. Proporciona herramientas de procesamiento únicas para el procesamiento químico 3D de polímeros y compuestos. Lo mismo ocurre con el grafeno a base de carbono, que también puede modificarse químicamente mediante una fuerte oxidación UV.
El grafeno es un material único independientemente de sus propiedades electrónicas o ópticas. El grafeno ha verificado efectos ópticos no lineales, como la absorción multifotónica, la generación de plasma (el plasma es la excitación colectiva de&electrónicos "fluidos GG" en materiales conductores), conmutación Q, etc. Al explorar estos efectos ópticos no lineales, se espera que la luz visible de alta intensidad se puede utilizar para cambiar las propiedades químicas y ópticas del grafeno. La Figura 2 muestra una reacción típica de oxidación local del grafeno usando un láser ultrarrápido de 515 nm en una atmósfera de oxígeno / agua.
Figura 2: Micrografía electrónica de franjas de oxidación de grafeno.
El resultado es que puede producir una estructura libre con resolución submicrométrica (sin rastro) en un método de procesamiento de alta velocidad (con un escáner óptico tradicional a una velocidad de procesamiento de hasta varios metros por segundo). Posee características superficiales como conmutación extrema y diferencia de conductividad, obteniendo ligera maniobrabilidad y humectabilidad. Este resultado es muy útil y puede desarrollar rápidamente una variedad de equipos o dispositivos utilizados en los campos biológico, de seguridad o de comunicación.
Las diversas características técnicas del grafeno superan con creces los materiales tradicionales de estado sólido utilizados en la electrónica, los sistemas microelectromecánicos (MEMS) y los sistemas micro optoelectromecánicos (MOEMS) en la actualidad. Estas nuevas características deben explorarse más a fondo para permitir el uso del procesamiento láser para obtener tecnologías con mayor escala, velocidad más rápida, mayor reproducibilidad y mejor pureza para integrar el grafeno en nuevas plataformas microelectrónicas.