超高速レーザー（ピコ秒またはフェムト秒）は、マイクロエレクトロニクスおよびナノエレクトロニクスデバイスの開発と製造のためのフィルムパターン処理でますます使用されています。その製品アプリケーションには、太陽電池、ディスプレイ、センサー、または大型有機エレクトロニクス製品が含まれます。超高速レーザーの主な利点には、制限された熱効果と高速エネルギー散逸が含まれます。パターン複雑な超薄膜多層構造の処理。
ナノ材料の時代の到来は、非常に高速、高効率、小型化された装置に新しい処理の可能性を提供します。ただし、単一の原子層と同じくらい薄い厚さのこのような新しいナノ材料を処理することは、技術的に非常に困難です。この記事では、原子レベルの2次元炭素格子、つまりグラフェンの色処理のための超高速レーザーの応用について説明します。
グラフェンとレーザー光線
グラフェンは、そのユニークな特性と、太陽電池、オプトエレクトロニクス、センサー、化学反応、エネルギー貯蔵などのさまざまな分野での応用により、過去10年間に多くの注目を集めてきました。業界は、シリコンマイクロエレクトロニクスなどの従来の方法に基づいて、さまざまなグラフェンベースの技術を次々と開発してきました。グラフェン装置の開発にレーザー加工が使用され始めたばかりですが、大きな可能性を示しています。レーザービームを使用して、さまざまな基板上でのレーザー支援グラフェンの成長やパターンのアブレーションなど、グラフェンのさまざまな処理を実行できます。
超高速レーザーは、シングルステップの直接書き込みレーザープロセスを使用して、マルチステップのフォトリソグラフィプロセスを置き換えることができます。これは、湿式処理によってグラフェン表面に形成される不純物を回避するための極めて重要なプロセスです。
グラフェンパターンのアブレーション
厚さは1原子層または数原子層ほどの厚さですが、グラフェンの光吸収率は、広い電磁スペクトルウィンドウで比較的高くなります。単層懸垂グラフェンの場合、可視光の正確な測定値は2.3％です。さらに、基板と接合面の特性によっては、特定の基板でのグラフェンの吸収率が10倍になることもあります。高光子密度の超高速レーザーを使用すると、吸収率をさらに向上させることができます。
図1：大規模なグラフェンパターンのレーザーアブレーションの例。
これにより、グラフェンの正確で効率的なレーザーアブレーションが可能になります（図1）。電子アプリケーションでは、シリコン基板の上の熱成長した酸化シリコン上にグラフェンを配置する必要があることがよくあります。この構造では、グラフェンの高効率吸収性能により、シリコンまたは酸化シリコンに損傷を与えることなく、グラフェンをレーザーアブレーションで処理できます。
グラフェンの厚さが原子レベルであるため、シングルショットアブレーション法を使用して総処理時間を短縮できます。機能サイズ1μmまたはそれより薄いものを得ることができ、レーザー誘起多光子処理を使用してサブ波長解像度を達成することができます。
グラフェンの光化学
材料表面の光化学処理はよく知られた方法です。紫外光照射下では、内部位相シフトまたは周囲環境（気体、蒸気、液体）との反応により、材料特性が変化します。レーザー処理の光化学特性を利用する最も一般的なアプリケーションは、レーザー放射を使用した多光子重合の積層造形プロセスです。ポリマーや複合材料の3D化学処理のための独自の処理ツールを提供します。強力なUV酸化によって化学的に修飾することもできる炭素ベースのグラフェンについても同様です。
グラフェンは、電子的性質や光学的性質に関係なく、ユニークな材料です。グラフェンは、多光子吸収、プラズマ生成（プラズマは電子GGクォートの集団励起、流体GGクォート、導電性材料）、Qスイッチングなどの非線形光学効果を検証しました。これらの非線形光学効果を探索することにより、その高強度の可視光は、グラフェンの化学的および光学的特性を変化させるために使用することができます。図2は、酸素/水雰囲気で515nm超高速レーザーを使用したグラフェンの局所酸化の典型的な反応を示しています。
図2：グラフェン酸化ストライプの電子顕微鏡写真。
その結果、高速処理法（従来の光学式スキャナーでは最大数メートル/秒の処理速度）でサブミクロンの解像度（トレースなし）の自由構造を生成できます。極端なスイッチングや導電率の違いなどの表面特性を持ち、軽快な操作性と濡れ性を実現します。この結果は非常に有用であり、生物学、セキュリティ、通信分野で使用されるさまざまな機器やデバイスをすばやく開発できます。
グラフェンのさまざまな技術的特性は、今日のエレクトロニクス、マイクロエレクトロメカニカルシステム（MEMS）、マイクロオプトエレクトロメカニカルシステム（MOEMS）で使用されている従来の固体材料をはるかに上回っています。グラフェンを新しいマイクロエレクトロニクスプラットフォームに統合するために、レーザー加工を使用して大規模、高速、再現性、および純度の高い技術を得るために、これらの新しい機能をさらに調査する必要があります。