最近、研究者らは、東北大学（日本）は、フェムト秒レーザーを使用してマイクロ/ナノグラフェンフィルムの製造に成功し、損傷することなく多点の穴を作成し、汚染物質を除去しました。 研究チームは、この技術が従来のより複雑な方法に取って代わり、量子材料研究やバイオセンサー開発の潜在的な進歩につながると期待していると述べている。
グラフェンは 2004 年に発見され、それ以来、その破壊的な影響はさまざまな科学分野に影響を与えてきました。 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持っています。 これまで業界は、次世代半導体材料としてのグラフェンの可能性を探求するために多大な時間と労力を投資してきており、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。
ただし、これらのデバイスを実用化するための鍵は効果的な加工技術であり、これはグラフェン膜をマイクロおよびナノスケールで構築できることも意味します。 通常、ナノリソグラフィーと集束イオンビーム法は、マイクロ/ナノスケールの材料処理とデバイスの製造に使用されます。 しかし、大型の装置、長い製造時間、複雑な操作の必要性が、実験室の研究者にとって長期的な課題となっています。
1月に遡ると、日本の東北大学の研究者らは、厚さ5～50ナノメートルの薄い窒化ケイ素デバイスのマイクロ/ナノ製造を可能にする技術を発明した。 この方法では、フェムト秒レーザー非常に短く、非常に速い光パルスを放射します。 真空環境を使用せずに、薄い材料を迅速かつ簡単に処理できることが実証されています。
同研究グループは、この手法をグラフェンの極薄原子層に適用することで、グラフェン膜を損傷することなく多点穴あけを行うことに成功した。 この画期的な成果による彼らの成功は、Nano Letters の 2023 年 5 月 16 日号に掲載されました。
この論文の共著者である日本の東北大学多元物質科学研究所の上杉勇輝助教は、「入力エネルギーとレーザー出力数を適切に制御することで、精密な加工と、直径が 70 nm から 1 mm 以上の範囲の穴を作成できますが、これは 520 nm のレーザー波長よりもはるかに小さいです。」
上杉氏らは、低エネルギーレーザーパルスが照射された領域を高性能電子顕微鏡で詳しく調べた結果、グラフェンからも汚染物質が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に直径 10 nm 未満のナノ細孔と、いくつかの炭素原子が欠落している原子レベルの欠陥が明らかになりました。
用途に応じて、グラフェンの原子欠陥には有害な面と有益な面の両方があります。 欠陥は特定の特性を低下させることがありますが、新しい機能を導入したり、特定の特性を強化したりすることもあります。
上杉教授は「ナノ細孔や欠陥の密度はレーザー照射のエネルギーや回数に比例して増加する傾向を観察し、フェムト秒レーザー照射を用いることでナノ細孔や欠陥の形成を制御できると結論付けた」と付け加えた。 「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、導電性だけでなく、スピンやバレーといった量子レベルの特性を制御することが可能になります。また、今回の研究で見つかった汚染物質のフェムト秒レーザー除去は、次のような開発につながる可能性があります」洗浄された高純度グラフェンを非破壊的に洗浄するための新しい方法の開発。」
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研究を目指す。 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に至るまでの分野に大きな影響を与えるでしょう。
