石墨烯于2004年被發(fā)現(xiàn)，它已經徹底改變了各種科學領域。它擁有高電子遷移率、高機械強度和熱導率等顯著特性。人們投入了大量的時間和精力來探索它作為下一代半導體材料的潛力，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，為了使這些設備進入實際應用，關鍵是要有高效的加工技術，可以在微米和納米尺度上構造石墨烯薄膜。通常，微/納米尺度的材料加工和設備制造采用納米光刻技術和聚焦離子束方法。然而，由于需要大規(guī)模的設備、冗長的制造時間和復雜的操作，這些都給實驗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個激光點的形成。（c）經過多點鉆孔的石墨烯薄膜的圖像。

今年1月份，日本東北大學的研究人員創(chuàng)造了一種技術，可以對厚度為5至50納米的氮化硅薄片進行微/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。

通過將這種方法應用于石墨烯的超薄原子層，同一小組現(xiàn)在已經成功地進行了多點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》雜志上報道。

東北大學先進材料多學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檢查用低能量激光脈沖照射的區(qū)域時，Uesugi和他的同事發(fā)現(xiàn)，石墨烯上的污染物也已被清除。進一步的放大觀察發(fā)現(xiàn)了直徑小于10納米的納米孔和原子級缺陷，在石墨烯的晶體結構中缺少幾個碳原子。

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

“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，不僅可以控制導電性，還可以控制量子級特性，如自旋和谷值。此外，這項研究中發(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，該團隊旨在建立一種使用激光的清洗技術，并對如何進行原子缺陷的形成進行詳細調查。進一步的突破將對從量子材料研究到生物傳感器開發(fā)等領域產生巨大影響。

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