Les lasers ultrarapides (picosecondes ou femtosecondes) sont de plus en plus utilisés dans le traitement des motifs cinématographiques pour le développement et la production de microélectroniques et de dispositifs nanoélectroniques. Ses applications de produits comprennent des cellules photovoltaïques, des écrans, des capteurs ou des produits électroniques biologiques grand format. Les principaux avantages des lasers ultrarapides incluent l’effet thermique limité et la dissipation rapide de l’énergie, ce quiModèletraitement de structures complexes de film multicouches ultra-minces.
L’avènement de l’ère des nanomatériaux offre de nouvelles possibilités de traitement pour des équipements extrêmement à grande vitesse, à haut rendement et miniaturisés. Cependant, le traitement de ces nouveaux nanomatériaux avec des épaisseurs aussi basses qu’une seule couche atomique est techniquement extrêmement difficile. Cet article décrit l’application de lasers ultrarapides pour le traitement des couleurs des treillis de carbone bidimensionnels à niveau atomique, à savoir le graphène.
Rayonnement graphène et laser
Au cours des dix dernières années, le graphène a attiré beaucoup d’attention en raison de ses propriétés uniques et de son application dans divers domaines, y compris les cellules photovoltaïques, l’optoélectronique, les capteurs, les réactions chimiques et le stockage d’énergie. L’industrie a successivement développé une variété de technologies basées sur le graphène basées sur des méthodes traditionnelles telles que la microélectronique de silicium. Le traitement au laser vient de commencer à être utilisé dans le développement d’équipements de graphène, mais il a montré un grand potentiel. Les faisceaux laser peuvent être utilisés pour effectuer divers traitements sur le graphène, y compris la croissance du graphène assisté au laser et l’ablation des motifs sur différents substrats.
Les lasers ultrarapides peuvent utiliser un processus laser à écriture directe en une seule étape pour remplacer le processus de photolithographie en plusieurs étapes. Il s’agit d’un processus vital et extrêmement bénéfique pour éviter les impuretés formées sur la surface du graphène en raison du traitement humide.
Ablation de modèle de graphène
Bien que l’épaisseur soit aussi épaisse qu’une ou quelques monocouches atomiques, le taux d’absorption de la lumière du graphène est relativement élevé dans une fenêtre à spectre électromagnétique large. Pour le graphène suspendu à une seule couche, la valeur de mesure précise de la lumière visible est de 2,3 %. En outre, selon les propriétés du substrat et de la surface de liaison, l’absorptivité du graphène sur un substrat spécifique peut être même 10 fois plus élevée. Lorsque vous utilisez des lasers ultrarapides à haute densité de photons, le taux d’absorption peut être encore amélioré.
Figure 1 : Exemple d’ablation au laser de motifs de graphène à grande échelle.
Cela offre la possibilité d’une ablation laser précise et efficace du graphène (figure 1). Les applications électroniques exigent souvent que le graphène soit placé sur l’oxyde de silicium thermiquement cultivé sur un substrat de silicium. Dans cette structure, la performance d’absorption à haut rendement du graphène garantit que le graphène peut être traité par ablation laser sans endommager le silicium ou l’oxyde de silicium.
Comme l’épaisseur du graphène est au niveau atomique, il est possible d’utiliser une méthode d’ablation à un seul coup pour raccourcir le temps total de traitement. Tailles de fonctionnalités de 1Μm ou même plus mince peut être obtenu, et le traitement multiphoton induit par laser peut être utilisé pour atteindre la résolution de sous-longueur d’onde.
La photochimie du graphène
Le traitement photochimique de la surface du matériau est une méthode bien connue. Sous le rayonnement de lumière ultraviolette, en raison du changement de phase interne ou de la réaction avec l’environnement environnant (gaz, vapeur et liquide), les propriétés du matériau changeront. L’application la plus courante qui utilise les propriétés photochimiques du traitement au laser est le processus de fabrication additive de polymérisation multiphoton à l’aide du rayonnement laser. Il fournit des outils de traitement uniques pour le traitement chimique 3D des polymères et des composites. Il en va de même pour le graphène à base de carbone qui peut également être modifié chimiquement par une forte oxydation UV.
Le graphène est un matériau unique, quelles que soient ses propriétés électroniques ou optiques. Le graphène a vérifié les effets optiques non linéaires, tels que l’absorption multiphoton, la génération de plasma (le plasma est l’excitation collective des « fluides » électroniques dans les matériaux conducteurs), la commutation Q, etc. En explorant ces effets optiques non linéaires, on s’attend à ce que la lumière visible de haute intensité puisse être utilisée pour modifier les propriétés chimiques et optiques du graphène. La figure 2 montre une réaction typique de l’oxydation locale du graphène à l’aide d’un laser ultrarapide de 515nm dans une atmosphère oxygène/eau.
Figure 2 : Micrographe électronique des bandes d’oxydation du graphène.
Le résultat est qu’il peut produire une structure libre avec une résolution sous-micron (aucune trace) dans une méthode de traitement à haute vitesse (avec un scanner optique traditionnel à une vitesse de traitement allant jusqu’à plusieurs mètres par seconde). Il a des caractéristiques de surface telles que la commutation extrême et la différence de conductivité, l’obtention de la maniabilité légère et la mettabilité. Ce résultat est très utile et peut rapidement développer une variété d’équipements ou d’appareils utilisés dans les domaines biologique, de sécurité ou de communication.
Les différentes caractéristiques techniques du graphène dépassent de loin les matériaux traditionnels à l’état solide utilisés dans l’électronique, les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) et les systèmes micro-opto-électromécaniques (MOEMS) aujourd’hui. Ces nouvelles fonctionnalités doivent être explorées plus avant pour permettre l’utilisation du traitement laser pour obtenir des technologies à plus grande échelle, une vitesse plus rapide, une reproductibilité plus élevée et une meilleure pureté afin d’intégrer le graphène dans de nouvelles plates-formes microélectroniques.