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新技术!光热法纳米光刻(OTNL)将大大提高基于2D材料的电子和光子器件的质量

来源:材料科技在线|

发表时间:2018-08-19

点击:10096

目前,这些传统的自上向下的图案化技术(包括光刻,电子束光刻和离子束光刻的) 已被用于制造各种高质量的微米级和纳米级图案化的二维(2D)材料。 然而,这些制造技术通常不仅需要复杂且昂贵的仪器,而且在制造过程中还需要多个步骤来处理

然而,制作高质量的微米级和纳米级图案化的二维(2D)材料的另一种方法是采用激光加工的方法,简单来讲,这是一种远程控制,一步,无掩模以及低成本的制造技术。但是,该过程也存在着缺点,即对高光功率的要求以及亚微米图案的制造仍然具有挑战性。

所以为了克服这些问题,研究人员以实现不同原子层的高通量,多功能和无掩模图案化为目的,开发了一种的全光学光刻技术--光热法纳米光刻(OTNL)。

关于这项工作的论文(发表在“Advanced Functional Materials”《先进功能材料》上,题目为"Optothermoplasmonic Nanolithography for On-Demand Patterning of 2D Materials")的第一作者Linhan Lin博士表示:“我们开发这种新型光学工具的动机是想通过全光学控制实现2D材料的简单,低功耗,高通量以及精确的图案化。”

以石墨烯和二硫化钼(MoS2)单层为例,由教授Yuebing Zheng和Deji Akinwande领导的德克萨斯大学奥斯汀分校的研究小组表明,在光定向温度场中,热氧化和升华都会导致原子层的直接蚀刻。

OTNL的一般概念: a)用于2D材料图案化的OTNL工艺示意流程图,包括i)热塑性基质的制造; ii)将2D材料转移到热塑性基质上; iii)丙酮除去PMMA; iv)2D材料的光学图案化。 b)吸收光谱。c)热塑性基质的扫描电子显微照片。 d)放大的OTNL工作区域示意图。该图显示了激光点周围的热塑性基质的模拟温度分布。 激光束尺寸:1μm,入射功率:6.4mWμm-2。

研究人员通过利用高度局部化的热塑性热点(由等离子体增强产生的热氧化和升华)进行热氧化和升华,展示了石墨烯和MoS2单分子层的低功率(~5mWμm-2)和高分辨率(低至300nm)图案化。

研究人员还发现,金(Au)纳米粒子可以通过未配位的C和Au之间的键合来降低碳(C)单体的形成能(~0.6 eV),从而导致大量的Au催化石墨烯氧化并降低所需的操作光学功率。

该文的共同第一作者Jingang Li表示:“光热塑性图案化的概念可广泛应用于10-9至10-3 m不同尺度的原子薄材料的激光加工,而且还可进一步探索量子的全光学和精确形态控制

在这项工作中,该团队还进一步展示了通过操纵激光束将2D材料编程为图案化更为复杂的和大规模的纳米结构。

OTNL方法有几个特定的潜在应用:


等离子体生物传感器:石墨烯上的周期性结构的图案化与可调的等离子体共振可用于感测不同的生物分子。
场效应晶体管:基于不同2D材料的晶体管的全光学制造。
光子探测器:对用于光电探测器的2D材料精确控制。


“OTNL技术可广泛应用于制造基于2D材料的不同电子和光子器件,”Zheng总结道。 “与传统的光刻方法相比,OTNL将更为简单,且成本低廉,而更重要的是为大规模制造任意配置的各种图案提供一种新方法。我们也预计了OTNL在制造用于光子探测的超薄器件,场效应晶体管,发光二极管,生物传感器等方面的各种应用。”

未来对2D材料的光学图案化的研究将集中于图案化分辨率的改进上,从而实现纳米级光物质的耦合。 然而,该领域的潜在挑战包括如何保持2D材料的质量,以及如何光学和精确地动态控制纳米加热器。


原文来自:nanowerk,原文题目:Opto-thermoplasmonic patterning of 2D materials,由材料科技在线团队翻译整理。


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