Les analogues du graphène tels que l'oxyde de graphène (GO) et ses formes réduites (rGO) sont des matériaux carbonés fascinants en raison des propriétés complémentaires douées par l'interconversion sp3-sp2, révélant la substituabilité et le potentiel d'industrialisation des dispositifs intégrés au graphène. Une conception micro/nanostructurale appropriée de GO et rGO pour contrôler la bande interdite énergétique et l'activité chimique de surface est importante pour le développement d'applications stratégiques. La technologie de lithographie plasmonique laser femtoseconde (FPL) est un candidat qualifié pour générer les structures requises en raison de son efficacité, haute qualité, flexibilité et contrôlabilité. Cependant, comme les explorations théoriques et expérimentales de cette méthode en sont encore à leurs balbutiements, le micro/nanotraitement des matériaux de graphène à l'aide de FPL n'a pas été réalisé. La faisabilité de la mise en œuvre de la technique dans des applications pratiques est encore discutable car la plupart des études connexes ne mettent en évidence que les caractéristiques de la structure obtenues à partir du traitement mais ignorent souvent les modifications complémentaires des propriétés du matériau lui-même.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , des scientifiques du State Key Laboratory of Applied Optics, Institut d'optique de Changchun, Mécanique fine et physique, Académie chinoise des sciences, Chine, et les collègues ont présenté une haute qualité, fabrication périodique efficace et de grande surface de micro/nanoripples (période d'environ 680 nm) et photoréduction de films GO (épaisseur d'environ 140 nm) sur un substrat de silicium en utilisant la méthode FPL. De façon intéressante, contrairement à la plupart des structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) dans lesquelles l'alignement du motif est perpendiculaire à la polarisation de la lumière incidente, ils s'avèrent avoir la distribution uniforme extraordinaire avec une orientation parallèle les uns aux autres dans ce cas. Un tel phénomène ne peut être expliqué par la théorie conventionnelle du LIPSS, c'est à dire., l'interférence entre la lumière incidente en mode TM et l'onde plasmonique de surface excitée (SP). L'analyse a démontré que la réduction du gradient induite par le laser du film GO de sa surface vers l'intérieur joue un rôle clé, et cela conduit à une dalle inhomogène avec la permittivité diélectrique (DP) maximale à la surface et une DP plus petite à l'intérieur qui permet l'excitation des plasmons de surface en mode TE (TE-SP) et l'interférence peu commune qui s'ensuit. En raison des divers mécanismes physiques impliqués dans l'interaction laser-rGO, la formation LIPSS présentait également des caractéristiques uniques telles qu'une forte robustesse contre une gamme de perturbations. Étant donné que le microprocesseur ne contient aucune opération d'assistant, comme la gravure chimique, les propriétés du matériau graphène sont conservées, ce qui leur permet des applications optoélectroniques. En réalité, grâce à la modulation du degré de photoréduction et à la conception structurelle de la surface rGO, ils ont réalisé l'absorption lumineuse améliorée (~ 20%), rayonnement thermique (> 10°C) et des conductivités anisotropes (rapport d'anisotropie ~ 0,46) de ce matériau de film. Sur cette base, ils ont conçu une puce, photodétecteur à large bande avec une photoréactivité stable (R ~ 0,7 mA W-1) même lorsqu'il est exposé à la lumière avec une faible puissance (0,1 mW). Les auteurs de l'article résument l'importance de ce travail comme suit :

" (1) La technologie FPL est utilisée pour la première fois pour réaliser la préparation de haute qualité, micro/nanostructures périodiques efficaces et à grande échelle à la surface des matériaux en graphène ; (2) Les mécanismes physiques de l'interaction laser-matériau impliqués dans la technologie FPL sont encore améliorés; (3) Tant les caractéristiques structurelles que les propriétés du matériau traité lui-même sont prises en compte dans l'application des dispositifs photoélectriques."

« Par rapport à l'écriture directe laser adoptant les mêmes paramètres laser incident, notre stratégie FPL ne prend que ~1/14000 du temps pour traiter un échantillon centimétrique (1 × 1,2 cm2). À la fois, en raison de la propriété optique non linéaire possible, la stratégie FPL induit un phénomène évident « d'auto-réparation », qui peut effectivement garantir la qualité de traitement. Par exemple, nous pouvons préparer des films rGO-LIPSS sur différents substrats et les transférer de manière non destructive sur d'autres substrats."

"Notre explication des phénomènes expérimentaux est nettement différente de la plupart des principes actuels. Cela nous donnera une meilleure compréhension des processus physiques pertinents et jettera une base solide pour le développement ultérieur des technologies FPL."

"Les matériaux de graphène structurés par la technologie FPL présentent d'excellentes performances photoélectriques. La photoréactivité est numériquement comparable à la réponse des échantillons obtenus par d'autres méthodes de réduction (par exemple, chimique et thermique) et est beaucoup plus grand que celui des photoréduits typiques. Le rapport d'anisotropie est encore plus grand que celui de certains cristaux anisotropes naturels. Notre travail combine l'exploration expérimentale avec la compréhension en profondeur de la micro/nanopatterning à grande vitesse du rGO-LIPSS régulier, ce qui non seulement profite à la physique fondamentale, mais facilite également le développement pratique d'analogues du graphène à l'échelle industrielle. "