Gli analoghi del grafene come l'ossido di grafene (GO) e le sue forme ridotte (rGO) sono affascinanti materiali di carbonio a causa delle proprietà complementari fornite dall'interconversione sp3-sp2, rivelando la sostituibilità e il potenziale per l'industrializzazione dei dispositivi integrati in grafene. Un'adeguata progettazione micro/nanostrutturale di GO e rGO per il controllo del band gap energetico e dell'attività chimica superficiale è importante per lo sviluppo di applicazioni strategiche. La tecnologia della litografia plasmonica laser a femtosecondi (FPL) è un candidato qualificato per generare le strutture richieste grazie alla sua efficienza, alta qualità, flessibilità e controllabilità. Però, poiché le esplorazioni teoriche e sperimentali di questo metodo sono ancora agli inizi, micro/nanoprocessing di materiali di grafene utilizzando FPL non è stato realizzato. La fattibilità di implementare la tecnica nelle applicazioni pratiche è ancora discutibile perché la maggior parte degli studi correlati evidenzia solo le caratteristiche della struttura ottenuta dalla lavorazione ma spesso ignora i cambiamenti complementari nelle proprietà del materiale stesso.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , scienziati dello State Key Laboratory of Applied Optics, Istituto di ottica di Changchun, Meccanica Fine e Fisica, Accademia cinese delle scienze, Cina, e i colleghi hanno presentato un prodotto di alta qualità, produzione periodica efficiente e di grandi dimensioni di micro/nanoripple (periodo di ~680 nm) e fotoriduzione di film GO (spessore di ~140 nm) su un substrato di silicio utilizzando il metodo FPL. interessante, a differenza della maggior parte delle strutture superficiali periodiche indotte dal laser (LIPSS) riportate in cui l'allineamento del modello è perpendicolare alla polarizzazione della luce incidente, si trovano ad avere la straordinaria distribuzione uniforme con orientamento parallelo l'uno all'altro in questo caso. Tale fenomeno non può essere spiegato dalla teoria convenzionale di LIPSS, cioè., l'interferenza tra la luce incidente con modalità TM e l'onda plasmonica di superficie eccitata (SP). L'analisi ha dimostrato che la riduzione del gradiente indotta dal laser del film GO dalla sua superficie all'interno gioca un ruolo chiave, e porta a una lastra disomogenea con la massima permittività dielettrica (DP) in superficie e una DP più piccola all'interno che consente l'eccitazione dei plasmoni di superficie in modalità TE (TE-SP) e la successiva interferenza non comune. A causa dei diversi meccanismi fisici coinvolti nell'interazione laser-rGO, la formazione LIPSS ha anche mostrato caratteristiche uniche come una forte robustezza contro una serie di perturbazioni. Poiché la microelaborazione non contiene operazioni di assistenza, come l'incisione chimica, le proprietà del materiale di grafene vengono mantenute, che li consente per applicazioni optoelettroniche. Infatti, attraverso la modulazione del grado di fotoriduzione e il disegno strutturale della superficie rGO, hanno realizzato il maggiore assorbimento della luce (~ 20%), radiazione termica (> 10°C) e conducibilità anisotropa (rapporto di anisotropia ~ 0,46) da questo materiale in pellicola. Sulla base di esso, hanno progettato un chip, fotorilevatore a banda larga con fotoresponsività stabile (R ~ 0,7 mA W-1) anche se esposto a luce di bassa potenza (0,1 mW). Gli autori del documento riassumono il significato di questo lavoro come segue:

"(1) La tecnologia FPL viene utilizzata per la prima volta per realizzare la preparazione di prodotti di alta qualità, micro/nanostrutture periodiche efficienti e su larga scala sulla superficie dei materiali di grafene; (2) I meccanismi fisici dell'interazione laser-materiale coinvolti nella tecnologia FPL sono ulteriormente migliorati; (3) Nell'applicazione dei dispositivi fotoelettrici si tiene conto sia delle caratteristiche strutturali che delle proprietà del materiale lavorato stesso.

"Rispetto alla scrittura diretta laser che adotta gli stessi parametri laser incidente, la nostra strategia FPL impiega solo ~1/14000 del tempo per elaborare un campione di dimensioni centimetriche (1×1.2 cm2). Allo stesso tempo, a causa della possibile proprietà ottica non lineare, la strategia FPL induce un evidente fenomeno di "autoriparazione", che può effettivamente garantire la qualità di elaborazione. Per esempio, possiamo preparare film rGO-LIPSS su diversi substrati e trasferirli in modo non distruttivo su altri substrati."

"La nostra spiegazione dei fenomeni sperimentali è nettamente diversa dalla maggior parte dei principi attuali. Questo ci darà una comprensione più chiara dei processi fisici rilevanti e getterà una solida base per l'ulteriore sviluppo delle tecnologie FPL".

"I materiali strutturati in grafene con tecnologia FPL presentano eccellenti prestazioni fotoelettriche. La fotoresponsività è numericamente paragonabile alla risposta dei campioni ottenuti con altri metodi di riduzione (ad es. chimica e termica) ed è molto più grande di quella dei tipici fotoridotti. Il rapporto di anisotropia è persino maggiore di quello di alcuni cristalli anisotropi naturali. Il nostro lavoro combina l'esplorazione sperimentale con la comprensione approfondita del micro/nanopatterning ad alta velocità del normale rGO-LIPSS, che non solo avvantaggia la fisica fondamentale, ma facilita anche lo sviluppo pratico di analoghi del grafene su scala industriale. "