石墨烯于2004年被發(fā)現(xiàn)，它已經(jīng)徹底改變了各種科學(xué)領(lǐng)域。它擁有高電子遷移率、高機(jī)械強(qiáng)度和熱導(dǎo)率等顯著特性。人們投入了大量的時(shí)間和精力來探索它作為下一代半導(dǎo)體材料的潛力，催生了基于石墨烯的晶體管、透明電極和傳感器等一系列部件。

但是，為了使這些設(shè)備進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵是要有高效的加工技術(shù)，可以在微米和納米尺度上構(gòu)造石墨烯薄膜。通常，微/納米尺度的材料加工和設(shè)備制造采用納米光刻技術(shù)和聚焦離子束方法。然而，由于需要大規(guī)模的設(shè)備、冗長的制造時(shí)間和復(fù)雜的操作，這些都給實(shí)驗(yàn)室研究人員帶來了長期的挑戰(zhàn)。

圖（a）激光加工系統(tǒng)的示意圖。（b）石墨烯薄膜上32個激光點(diǎn)的形成。（c）經(jīng)過多點(diǎn)鉆孔的石墨烯薄膜的圖像。

今年1月份，日本東北大學(xué)的研究人員創(chuàng)造了一種技術(shù)，可以對厚度為5至50納米的氮化硅薄片進(jìn)行微/納米制造。該方法采用了飛秒激光，它發(fā)射出極短的快速光脈沖。事實(shí)證明，它能夠在沒有真空環(huán)境的情況下快速、方便地加工薄型材料。

通過將這種方法應(yīng)用于石墨烯的超薄原子層，同一小組現(xiàn)在已經(jīng)成功地進(jìn)行了多點(diǎn)鉆孔而不損壞石墨烯薄膜。他們的突破性研究于今年5月16日在《納米通訊》雜志上報(bào)道。

東北大學(xué)先進(jìn)材料多學(xué)科研究所的助理教授、該論文的共同作者Yuuki Uesugi說：“通過對輸入能量和激光射擊次數(shù)的適當(dāng)控制，我們能夠執(zhí)行精確的加工并創(chuàng)造出直徑從70納米——遠(yuǎn)小于520納米的激光波長——到超過1毫米的孔。”

在通過高性能電子顯微鏡仔細(xì)檢查用低能量激光脈沖照射的區(qū)域時(shí)，Uesugi和他的同事發(fā)現(xiàn)，石墨烯上的污染物也已被清除。進(jìn)一步的放大觀察發(fā)現(xiàn)了直徑小于10納米的納米孔和原子級缺陷，在石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)中缺少幾個碳原子。

石墨烯中的原子缺陷既是有害的也是有利的，這取決于應(yīng)用。雖然缺陷有時(shí)會降低某些特性，但它們也會引入新的功能或增強(qiáng)特定的特性。

“觀察到納米孔和缺陷的密度隨著激光射擊的能量和數(shù)量成比例增加的趨勢，使我們得出結(jié)論，納米孔和缺陷的形成可以通過使用飛秒激光照射來操縱，”Uesugi補(bǔ)充說，“通過在石墨烯中形成納米孔和原子級缺陷，不僅可以控制導(dǎo)電性，還可以控制量子級特性，如自旋和谷值。此外，這項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)的通過飛秒激光照射去除污染物的方法可以開發(fā)出一種非破壞性清洗高純度石墨烯的新方法。”

展望未來，該團(tuán)隊(duì)旨在建立一種使用激光的清洗技術(shù)，并對如何進(jìn)行原子缺陷的形成進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。進(jìn)一步的突破將對從量子材料研究到生物傳感器開發(fā)等領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。

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