Los análogos del grafeno como el óxido de grafeno (GO) y sus formas reducidas (rGO) son materiales de carbono fascinantes debido a las propiedades complementarias que otorga la interconversión sp3-sp2, revelando la sustituibilidad y el potencial de industrialización de los dispositivos integrados de grafeno. El diseño micro / nanoestructural apropiado de GO y rGO para controlar la banda prohibida de energía y la actividad química superficial es importante para desarrollar aplicaciones estratégicas. La tecnología de litografía plasmónica láser de femtosegundos (FPL) es un candidato calificado para generar las estructuras requeridas debido a su eficiencia, alta calidad, flexibilidad y controlabilidad. Sin embargo, como las exploraciones teóricas y experimentales de este método están todavía en su infancia, No se ha realizado el micro / nanoprocesamiento de materiales de grafeno utilizando FPL. La viabilidad de implementar la técnica en aplicaciones prácticas todavía es cuestionable porque la mayoría de los estudios relacionados solo resaltan las características de la estructura obtenida del procesamiento, pero a menudo ignoran los cambios complementarios en las propiedades del material en sí.

En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , científicos del Laboratorio Estatal Clave de Óptica Aplicada, Instituto de Óptica de Changchun, Física y Mecánica Fina, Academia china de ciencias, Porcelana, y compañeros de trabajo presentaron una alta calidad, fabricación periódica eficiente y de gran superficie de micro / nano-ondas (período de ~ 680 nm) y fotorreducción de películas de GO (espesor de ~ 140 nm) sobre un sustrato de silicio mediante el método FPL. Curiosamente, a diferencia de la mayoría de las estructuras superficiales periódicas inducidas por láser (LIPSS) informadas en las que la alineación del patrón es perpendicular a la polarización de la luz incidente, se encuentra que tienen una distribución uniforme extraordinaria con orientación paralela entre sí en este caso. Tal fenómeno no puede ser explicado por la teoría convencional de LIPSS, es decir., la interferencia entre la luz incidente con el modo TM y la onda del plasmón de superficie excitada (SP). El análisis demostró que la reducción del gradiente inducida por láser de la película GO desde su superficie hacia el interior juega un papel clave, y conduce a una losa no homogénea con la permitividad dieléctrica máxima (DP) en la superficie y un DP más pequeño en el interior que permite la excitación de los plasmones superficiales en modo TE (TE-SP) y la subsiguiente interferencia poco común. Debido a los diversos mecanismos físicos involucrados en la interacción láser-rGO, La formación LIPSS también exhibió características únicas, como una fuerte robustez frente a una variedad de perturbaciones. Debido a que el microprocesamiento no contiene operaciones auxiliares, como el grabado químico, se conservan las propiedades del material de grafeno, lo que les permite aplicaciones optoelectrónicas. Como una cuestión de hecho, mediante la modulación del grado de fotorreducción y el diseño estructural de la superficie rGO, se dieron cuenta de la absorción de luz mejorada (~ 20%), radiación térmica (> 10 ° C) y conductividades anisotrópicas (relación de anisotropía ~ 0,46) de este material de película. Basado en eso, diseñaron un chip Fotodetector de banda ancha con fotorrespuesta estable (R ~ 0,7 mA W-1) incluso cuando se expone a la luz con baja potencia (0,1 mW). Los autores del artículo resumen la importancia de este trabajo de la siguiente manera:

"(1) La tecnología FPL se utiliza por primera vez para realizar la preparación de alta calidad, micro / nanoestructuras periódicas eficientes ya gran escala en la superficie de materiales de grafeno; (2) Se mejoran aún más los mecanismos físicos de la interacción láser-material implicados en la tecnología FPL; (3) Tanto las características estructurales como las propiedades del propio material procesado se tienen en cuenta en la aplicación de dispositivos fotoeléctricos ".

"En comparación con la escritura directa con láser que adopta los mismos parámetros de láser incidente, nuestra estrategia de FPL solo toma ~ 1/14000 del tiempo para procesar una muestra del tamaño de un centímetro (1 × 1.2 cm2). Al mismo tiempo, debido a la posible propiedad óptica no lineal, la estrategia FPL induce un fenómeno obvio de 'autorreparación', que puede garantizar eficazmente la calidad del procesamiento. Por ejemplo, podemos preparar películas de rGO-LIPSS sobre diferentes sustratos y transferirlas de forma no destructiva a otros sustratos ".

"Nuestra explicación de los fenómenos experimentales es marcadamente diferente de la mayoría de los principios en la actualidad. Esto nos dará una comprensión más clara de los procesos físicos relevantes y sentará una base sólida para el desarrollo futuro de las tecnologías FPL".

"Los materiales de grafeno estructurado por tecnología FPL presentan un excelente rendimiento fotoeléctrico. La fotorrespuesta es numéricamente comparable a la respuesta de las muestras obtenidas por otros métodos de reducción (p. Ej., químico y térmico) y es mucho más grande que el de los típicos fotorreducidos. La relación de anisotropía es incluso mayor que la de algunos cristales anisotrópicos naturales. Nuestro trabajo combina la exploración experimental con la comprensión profunda del micro / nanopatterning de alta velocidad del rGO-LIPSS regular, lo que no solo beneficia a la física fundamental sino que también facilita el desarrollo práctico de análogos del grafeno a escala industrial. "