Исследователи из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) напечатали «смятый» графен на кремниевой подложке, используя метод лазерно-индуцированного прямого переноса. Этот относительно простой процесс может заменить трудоемкие литографические способы создания гарфеновых структур в перспективных устройствах микроэлектроники. Работа опубликована в журнале Nanomaterials.
Несмотря на многочисленные прогнозы о скорой графеновой революции, электронные устройства на основе графена создаются пока что в штучных экземплярах. Одна из причин заключается в отсутствии надежных методов манипуляции этим чувствительным двумерным материалом. Традиционные технологии, используемы для формирования объемных электронных компонентов на кремниевой основе, в случае атомарно-тонкого графена демонстрируют не достаточную эффективность. Например, для создания графенового канала транзистора применяется комбинация методов фото- и электронно-лучевой литографии. Этот сложный и многостадийный процесс подразумевает неоднократное покрытие графена полимером и его дальнейшее удаление. В результате графен деформируется, загрязняется и существенно теряет свои выдающиеся электронные свойства. Образующийся в ходе литографии лишний материал утилизируется, что при существующих трудностях синтеза высококачественного графена вряд ли является оптимальным решением.
Альтернативный метод – способ лазерно-индуцированного прямого переноса или лазерной печати – развивают исследователи из Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН. Разрабатываемая ими технология в перспективе позволит создавать на необходимой подложке нужный графеновый рисунок без лишних потерь этого ценного материала.
– Суть наших экспериментов заключается в следующем, – рассказывает первый автор статьи в Nanomaterials, старший научный сотрудник Лаборатории лазерной оптики поверхности ИОФ РАН Максим Комленок. – Мы использовали две подложки. Одна выступала в качестве донора, а вторая – в качестве акцептора. Подложка-донор представляла собой кварцевую пластину, покрытую с одной стороны тонким слоем алюминия. На поверхность алюминия переносилась однослойная пленка графена. Далее мы облучали подложку-донор с помощью эксимерного ультрафиолетового лазера. Фокусируя лазерное пятно на границе кварц-алюминий, мы добивались локального нагрева и вздутия алюминиевого слоя. Образующийся таким образом пузырь, так называемый блистер (blister), выталкивал расположенный на его поверхности графен в направлении принимающей подложки-акцептора, сделанной из кремния.
Проводя опыты, ученые располагали подложки на расстоянии 50 мкм друг от друга и вплотную. В первом случае графен достигал поверхности кремниевой пластинки в виде микрометровых чешуек с значительно скомканной поверхностью. Во втором случае чешуйки были более гладкими.
– В свободном, не закрепленном на подожке состоянии, графен стремится к уменьшению своей поверхностной энергии – он покрывается рябью и сворачивается, – поясняет один из авторов статьи Максим Рыбин, старший научный сотрудник лаборатории Спектроскопии наноматериалов ИОФ РАН и основатель компании Русграфен, предоставившей монослойные пленки CVD-графена для экспериментов. – Поэтому немудрено, что, пролетая 50 мкм, графен успевает скомкаться. Так, мы совершенно неожиданно получили интересный и полезный результат – научились печатать микрометровые пиксели из «смятого» графена, который, как известно, обладает хорошими эмиссионными и каталитическими свойствам.
Другой проблемой, с которой столкнулись исследователи, стали разрывы на поверхности перенесенного графена. Они возникают по границам монокристаллов графена, из которых состоит поликристаллическая графеновая пленка. Для повышения качества переносимого материала ученые из ИОФ РАН работают над синтезом более крупных кристаллитов графена и определением оптимальных условий для лазерной печати (толщины слоя алюминия, длины волны и мощности лазерного излучения).
– Перспективность использования метода лазерного переноса графена заключается в его очевидных преимуществах, – говорит Максим Комленок. – Во-первых, это относительно простой технологический процесс, не требующий вакуума. Во-вторых, он экономичный – материал тратится только на печать. В-третьих, изменяя форму лазерного пятна, можно напечатать графеновый рисунок практически любой геометрии.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда в рамках исследовательского проекта «Лазерная печать нульмерных и двумерных углеродных наноматериалов» (18-72-10158).
