Kolnanomaterial uppvisar extraordinära fysikaliska egenskaper, enastående bland alla andra tillgängliga substanser, och grafen har vuxit som det mest lovande materialet för helt nya elektroniska kretsar, sensorer och optiska kommunikationsanordningar. Grafen är ett enda atomtjockt ark av bikakekolgitter, med unika elektroniska och optiska egenskaper, som kan föra med sig en ny era av fasta, pålitlig, lågeffektkommunikation och informationsbehandling.

Men två problem hindrar grafens upptag i den verkliga världens elektronik. Det finns ingen storskalig teknik för att kontrollera dess egenskaper, och den traditionella tekniken som används för kiselbaserade processorer (solid state) är inte lämplig för grafenbearbetning (molekylärt material).

Forskarna från Technological Center AIMEN utforskar användningen av ultrasnabba lasrar som verktyg för grafenbearbetning. Laserstrålen kan fokuseras exakt för att skräddarsy egenskaperna hos grafenfilmer i fint definierade områden för att producera distinkta beteenden som är användbara för att producera enheter.

Nyckeln är användningen av kort, mycket kontrollerade laserpulser, som inducerar kemiska förändringar i kolgittret. En enda laserpuls med en varaktighet på flera pikosekunder räcker - varaktigheten av en enda oscillation i en polär molekyl, som vatten. Vid denna tidsskala, forskare visade att de kan mönstra grafengitter genom att skära, lägga till externa molekyler eller bindande föreningar (funktionella grupper som syre eller hydroxyl). Eftersom laserpunkten kan fokuseras i ett område på en kvadratmikron eller mindre, direkt skrivning av enheter på grafen kan uppnås med hög precision, producera nano-enheter med minimalt fotavtryck och maximal effektivitet.

Som nyligen publicerats i AIP Applied Physics Letters ( Mönstrad grafenablation och tvåfotonfunktionalisering med pikosekundlaserpulser i omgivningsförhållanden ), AIMEN-forskarnas arbete visade laserbaserad, storskalig mönstring av grafen med hög hastighet och upplösning, öppnar nya möjligheter för tillverkning av enheter. Processens hastighet kan vara högre än en m/s för att rita de mikrometerstora detaljerna. Bearbetningshastigheter över 10 m/s kunde uppnås med avancerad optisk skanning.

Dessutom, arbetet demonstrerade kontroll av de termiska och kemiska processerna genom att justera laserstrålens egenskaper. För låg energiinsats, multifotonabsorption spelar en stor roll, inducerar kemiska reaktioner mellan kol- och atmosfärsmolekyler, vilket resulterar i nya optiska egenskaper i grafen.

Potentialen för de förändrade optiska egenskaperna (som spektral överföring) av funktionaliserad grafen har nyligen erkänts, och den fulla industriella potentialen för denna teknik måste hanteras. Denna forskning lägger en grund för djupare förståelse av de kemiska och fysikaliska processerna för industriellt genomförbara grafenmönster, samt tester för riktiga enhetsapplikationer för framtida elektronik.