Ultralyhyiden laserpulssien avulla tehtävä muokkaus on uusi menetelmä 2D-materiaalipohjaisten laitteiden valmistukseen

2D-materiaalien, kuten grafeenin ja siirtymämetallidikalkogenidien (TMD) , muokkaaminen on tärkeää kehitettäessä tulevaisuuden teknologioita. Kyseisillä materiaaleilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, kuten korkea sähkönjohtavuus, mekaaninen joustavuus ja säädettävät optiset ominaisuudet. Perinteiset käsittelymenetelmät eivät kuitenkaan ole riittävän tarkkoja ja voivat aiheuttaa materiaaleihin lämpövaurioita. Ultralyhyillä laserpulsseilla tehtävä käsittely tarjoaakin uudenlaisen keinon materiaalien ominaisuuksien muokkaamiselle nanotasolla.  

Ultralyhyiden pulssien laser materiaalien muokkaamiseen 

Jyväskylän yliopiston tutkijat Aleksei Emelianov ja Mika Pettersson sekä Ivan Bobrinetskiy Biosense-instituutista (Serbia) ovat tutkineet ultranopeaa lasertekniikkaa 2D-kerrosmateriaalien ja van der Waals (vdW)-heterorakenteiden muokkaamiseen.  

- Ultralyhyiden laserpulssien käsittely on osoittautunut hyvinkin monipuoliseksi tekniikaksi materiaalien muokkaamisessa. Samalla se tarjoaa ratkaisun esimerkiksi lämpökysymyksiin. On havaittu, että ultralyhyiden laserpulssien ja 2D-materiaalien atomihilan väliset epälineaariset vuorovaikutukset vaikuttavat olennaisesti niiden kemiallisiin ja fysikaalisiin ominaisuuksiin, kertoo tutkijatohtori Aleksei Emelianov Jyväskylän yliopistosta.   

Atomikerrosten sisäisten energiatilojen ja ultralyhyiden laserpulssien välisen vuorovaikutuksen avulla on mahdollista saavuttaa muokkausresoluutio jopa nanometritasolle asti. Tarkoitus on kehittää uusia sovelluksia fotoni-, kvantti- ja anturitekniikoihin. 

- Ultranopeaa valon ja aineen vuorovaikutusta tutkitaan alhaisen dimension materiaalien ainutlaatuisten optisten ominaisuuksien vuoksi, kertoo Emelianov. Tutkimuksessamme havaitsimme, että ultranopealla laserprosessoinnilla on potentiaalia tulla uudeksi teknologiseksi välineeksi 2D-materiaalien ominaisuuksien manipulointiin, hän jatkaa.   

Lupaavia uusia edistysaskeleita 

Kyky käsitellä 2D-materiaaleja nanokoon mittakaavassa avaa lukuisia mahdollisuuksia uusien fotoniikka-, elektroniikka- ja anturisovellusten kehittämiseen. Mahdollisia sovelluksia ovat esimerkiksi nopeat valodetektorit, joustava elektroniikka, biohybridit ja seuraavan sukupolven aurinkokennot. Ultranopean laserkäsittelyn tarkkuus mahdollistaa monimutkaisten mikro- ja nanomittakaavan rakenteiden luomisen, joita voidaan hyödyntää telekommunikaatiossa, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja ympäristön monitoroinnissa.   

- On yllättävää, miten monipuolisia ultralyhyitä pulsseja tuottavat, eli ultranopeat laserit ovat 2D-materiaalien muokkaamisessa. On erittäin todennäköistä, että laserit voivat tarjota uudenlaisia ratkaisuja 2D-materiaalien käsittelyyn monille teknologian kehittäjille, iloitsee professori Mika Pettersson Jyväskylän yliopistosta.  

Tutkimuksissa on saavutettu merkittäviä edistysaskelia, mutta lisääkin tutkimustietoa kaivataan. 

- Laserien ja 2D-materiaalien välisen ultranopean vuorovaikutuksen fysikaalisia perusteita on vielä tutkittava enemmän, sanoo Ivan Bobrinetskiy. Näihin ei pitäisi sisältyä vain 2D-materiaalin atomihilan ja valon välisiä vuorovaikutuksia, vaan niihin liittyy myös ympäristö ja substraatit, mikä tekee näiden prosessien fysiikasta monimutkaisempaa, mutta samalla jännittävää, hän jatkaa. 

Artikkelin tiedot: 

• Ultrafast Laser Processing of 2D Materials: Novel Routes to Advanced Devices, Aleksei V. Emelianov, Mika Pettersson, Ivan I. Bobrinetskiy, Advanced Materials, 17.5.2024 
• DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202402907 
• Linkki artikkeliin: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402907