石墨烯于 2004 年被发现，彻底改变了各个科学领域。它具有显着的性能，如高电子迁移率、机械强度和导热性。人们投入了大量的时间和精力来探索其作为下一代半导体材料的潜力，从而开发出了基于石墨烯的晶体管、透明电极和传感器。
但要将这些设备投入实际应用，拥有能够在微米和纳米尺度上构建石墨烯薄膜的高效加工技术至关重要。通常，微/纳米级材料加工和设备制造采用纳米光刻和聚焦离子束方法。然而，由于需要大型设备、制造时间长和操作复杂，这些对实验室研究人员构成了长期挑战。
早在 1 月份，东北大学的研究人员就创造了一种技术，可以微/纳米制造厚度范围为 5 至 50 纳米的氮化硅薄器件。该方法采用飞秒激光，它发射极短、快速的光脉冲。事实证明，它能够在没有真空环境的情况下快速方便地处理薄材料。
通过将这种方法应用于石墨烯的超薄原子层，该小组现已成功地在不损坏石墨烯薄膜的情况下进行多点钻孔。2023 年 5 月 16 日的 Nano Letters 杂志报道了他们突破的细节。
“通过适当控制输入能量和激光发射次数，我们能够执行精确加工并创建直径从 70 纳米（远小于 520 纳米的激光波长）到超过 1 毫米的孔，”Yuuki Uesugi 说，东北大学先进材料多学科研究所助理教授，该论文的合著者。
Uesugi 和他的同事通过高性能电子显微镜仔细检查了用低能量激光脉冲照射的区域，这些区域没有形成孔，Uesugi 和他的同事发现石墨烯上的污染物也已被去除。进一步放大观察发现直径小于 10 纳米的纳米孔和原子级缺陷，其中石墨烯的晶体结构中缺少几个碳原子。
石墨烯中的原子缺陷既有害又有利，具体取决于应用。虽然缺陷有时会降低某些属性，但它们也会引入新功能或增强特定特性。
“观察到纳米孔和缺陷的密度随激光发射的能量和数量成比例增加的趋势使我们得出结论，可以通过使用飞秒激光照射来控制纳米孔和缺陷的形成，”Uesugi 补充道。“通过在石墨烯中形成纳米孔和原子级缺陷，不仅可以控制导电性，还可以控制自旋和谷等量子级特征。此外，在这项研究中发现的飞秒激光照射去除污染物可以开发一种无损清洁清洗高纯度石墨烯的新方法。”
展望未来，该团队的目标是建立一种使用激光的清洁技术，并对如何进行原子缺陷形成进行详细研究。进一步的突破将对从量子材料研究到生物传感器开发等领域产生重大影响
