최근 연구원들은도호쿠 대학(일본)은 펨토초 레이저를 사용하여 마이크로/나노그래핀 필름을 성공적으로 제조하여 손상 없이 다점 구멍을 만들고 오염 물질을 제거했습니다. 연구팀은 이 기술이 기존의 보다 복잡한 방법을 대체하여 양자 재료 연구 및 바이오센서 개발의 잠재적인 발전으로 이어질 것이라고 말했습니다.
그래핀은 2004년에 발견되었으며 그 파괴적인 영향은 이후 다양한 과학 분야에 영향을 미쳤습니다. 그것은 높은 전자 이동도, 기계적 강도 및 열전도성과 같은 놀라운 특성을 가지고 있습니다. 지금까지 업계에서는 차세대 반도체 소재로서의 그래핀의 가능성을 탐색하기 위해 상당한 시간과 노력을 투자했으며, 그래핀 기반의 트랜지스터, 투명 전극, 센서 개발로 이어졌습니다.
그러나 이러한 장치를 실제 응용할 수 있도록 만드는 핵심은 효과적인 처리 기술이며, 이는 그래핀 필름이 마이크로 및 나노 크기로 구성될 수 있음을 의미합니다. 일반적으로 나노리소그래피 및 집속 이온 빔 방법은 마이크로/나노 스케일 재료 가공 및 장치 제조에 사용됩니다. 그러나 대형 장비의 필요성, 긴 제조 시간 및 복잡한 작업은 실험실 연구원에게 장기적인 과제를 안겨줍니다.
지난 1월 일본 도호쿠 대학의 연구원들은 두께가 5~50나노미터인 얇은 질화규소 장치를 마이크로/나노 제조할 수 있는 기술을 발명했습니다. 이 방법은펨토초 레이저매우 짧고 매우 빠른 빛의 펄스를 방출합니다. 진공 환경 없이도 빠르고 쉽게 얇은 재료를 가공할 수 있음이 입증되었습니다.
이 방법을 그래핀의 초박형 원자층에 적용함으로써, 같은 연구 그룹은 이제 그래핀 필름을 손상시키지 않고 다점 드릴링을 성공적으로 수행했습니다. 이러한 돌파구를 통한 그들의 성공은 Nano Letters 2023년 5월 16일호에 게재되었습니다.
논문 공저자인 일본 도호쿠대 첨단소재융합연구소 유우키 우에스기 조교수는 “입력 에너지와 레이저 출력 수를 적절하게 조절해 정밀한 가공을 할 수 있었고, 520nm 레이저 파장보다 훨씬 작은 70nm에서 1mm 이상에 이르는 직경의 구멍을 만듭니다."
Uesugi와 그의 동료들은 고성능 전자현미경을 통해 저에너지 레이저 펄스가 조사된 영역을 면밀히 조사한 결과 그래핀에서 오염 물질도 제거되었음을 발견했습니다. 더 확대된 관찰에서는 직경이 10nm 미만인 나노기공과 여러 탄소 원자가 누락된 그래핀의 결정 구조에서 원자 수준의 결함이 있음이 밝혀졌습니다.
응용 분야에 따라 그래핀의 원자 결함은 해로운 측면과 유익한 측면을 모두 가지고 있습니다. 결함은 때때로 특정 속성을 저하시킬 수 있지만 새로운 기능을 도입하거나 특정 속성을 향상시킬 수도 있습니다.
Uesugi는 "우리는 에너지와 레이저 조사 횟수에 비례하여 나노포어와 결함의 밀도가 증가하는 경향을 관찰했으며 나노포어와 결함의 형성은 펨토초 레이저 조사를 사용하여 제어할 수 있다고 결론지었습니다."라고 덧붙였습니다. "그래핀에 나노포어와 원자 수준의 결함을 형성함으로써 전도성뿐만 아니라 스핀, 밸리 등 양자 수준의 특성도 제어할 수 있다. 또한 이번 연구에서 발견한 오염 물질의 펨토초 레이저 제거는 세척된 고순도 그래핀을 비파괴적으로 세척하는 새로운 방법의 개발."
연구팀은 앞으로 레이저를 이용한 세정 기술을 확립하고 원자 결함 형성 방법에 대한 세부 연구를 수행하는 것을 목표로 하고 있다. 추가 혁신은 양자 재료 연구에서 바이오센서 개발에 이르는 영역에 상당한 영향을 미칠 것입니다.
