Grafenanaloger som grafenoxid (GO) och dess reducerade former (rGO) är fascinerande kolmaterial på grund av de komplementära egenskaper som sp3-sp2-interkonverteringen ger, avslöjar utbytbarheten och potentialen för industrialisering av integrerade grafenenheter. Lämplig mikro/nanostrukturell design av GO och rGO för att kontrollera energibandgapet och ytkemisk aktivitet är viktigt för att utveckla strategiska applikationer. Femtosekund laser plasmonisk litografi (FPL) teknologin är en kvalificerad kandidat för att generera de nödvändiga strukturerna på grund av dess effektivitet, hög kvalitet, flexibilitet och kontrollerbarhet. Dock, eftersom både de teoretiska och experimentella utforskningarna av denna metod fortfarande är i sin linda, mikro/nanoprocessering av grafenmaterial med FPL har inte realiserats. Möjligheten att implementera tekniken i praktiska tillämpningar är fortfarande tveksam eftersom de flesta relaterade studier bara belyser egenskaperna hos strukturen som erhålls från bearbetningen men ofta ignorerar de kompletterande förändringarna i materialets egenskaper.

I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , forskare från State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Finmekanik och fysik, kinesiska vetenskapsakademin, Kina, och medarbetare presenterade en högkvalitativ, effektiv och periodisk mikro/nanorippeltillverkning med stor yta (~680 nm period) och fotoreduktion av GO-filmer (~140 nm tjocklek) på ett kiselsubstrat genom att använda FPL-metoden. Intressant, till skillnad från de flesta av de rapporterade laserinducerade periodiska ytstrukturerna (LIPSS) där mönsterinriktningen är vinkelrät mot polariseringen av det infallande ljuset, de befinner sig ha den extraordinära enhetliga fördelningen med orientering parallellt med varandra i detta fall. Ett sådant fenomen kan inte förklaras av den konventionella teorin om LIPSS, d.v.s. störningen mellan det infallande ljuset med TM -läge och den exciterade ytplasmon (SP) -vågen. Analysen visade att den laserinducerade gradientreduktionen av GO-film från dess yta till det inre spelar en nyckelroll, och det leder till en inhomogen platta med maximal dielektrisk permittivitet (DP) vid ytan och en mindre DP i det inre som möjliggör excitation av TE-mode ytplasmoner (TE-SP) och efterföljande ovanliga störningar. På grund av de olika fysiska mekanismerna som är involverade i laser-rGO-interaktionen, LIPSS-formationen uppvisade också unika egenskaper som stark robusthet mot en rad störningar. Eftersom mikrobearbetningen inte innehåller några assisterande operationer, som kemisk etsning, egenskaperna hos grafenmaterialet bibehålls, vilket tillåter dem för optoelektroniska tillämpningar. I själva verket genom modulering av fotoreduktionsgraden och strukturell design av rGO-ytan, de insåg den förbättrade ljusabsorptionen (~ 20%), termisk strålning (> 10 ° C) och anisotropa konduktiviteter (anisotropiförhållande ~ 0,46) från detta filmmaterial. Baserat på det, de designade ett on-chip, bredbandsfotodetektor med stabil fotoresponsivitet (R ~ 0,7 mA W-1) även när den utsätts för ljus med låg effekt (0,1 mW). Författarna till artikeln sammanfattar betydelsen av detta arbete på följande sätt:

"(1) FPL-tekniken används för första gången för att förverkliga beredningen av högkvalitativa, effektiva och storskaliga periodiska mikro/nanostrukturer på ytan av grafenmaterial; (2) De fysiska mekanismerna för interaktionen mellan laser och material som är involverad i FPL-teknik förbättras ytterligare; (3) Både de strukturella egenskaperna och egenskaperna hos det bearbetade materialet i sig beaktas vid tillämpningen av fotoelektriska anordningar."

"Jämfört med laserdirektskrivning som använder samma infallande laserparametrar, vår FPL-strategi tar bara ~ 1/14000 av tiden att bearbeta ett centimeterstort prov (1 × 1,2 cm2). På samma gång, på grund av den möjliga olinjära optiska egenskapen, FPL-strategin framkallar ett uppenbart 'självreparerande' fenomen, som effektivt kan garantera bearbetningskvaliteten. Till exempel, vi kan förbereda rGO-LIPSS-filmer på olika substrat och oförstörande överföra dem till andra substrat."

"Vår förklaring av de experimentella fenomenen skiljer sig markant från de flesta principer för närvarande. Detta kommer att ge oss en tydligare förståelse för de relevanta fysiska processerna och lägga en solid grund för vidareutvecklingen av FPL-teknologier."

"De strukturerade grafenmaterialen med FPL-teknologi ger utmärkt fotoelektrisk prestanda. Fotoresponsiviteten är numeriskt jämförbar med responsen från proverna som erhållits med andra reduktionsmetoder (t.ex. kemiska och termiska) och är mycket större än typiska fotoreducerade. Anisotropiförhållandet är till och med större än för vissa naturliga anisotropa kristaller. Vårt arbete kombinerar den experimentella utforskningen med den djupgående förståelsen av höghastighetsmikro/nanomönster hos den vanliga rGO-LIPSS, vilket inte bara gynnar grundläggande fysik utan också underlättar den praktiska utvecklingen av grafenanaloger i industriell skala. "