Análogos de grafeno, como óxido de grafeno (GO) e suas formas reduzidas (rGO) são materiais de carbono fascinantes devido às propriedades complementares proporcionadas pela interconversão sp3-sp2, revelando a substituibilidade e potencial para industrialização de dispositivos integrados de grafeno. O projeto micro / nanoestrutural adequado de GO e rGO para controlar o gap de energia e a atividade química de superfície é importante para o desenvolvimento de aplicações estratégicas. A tecnologia de litografia plasmônica a laser de femtossegundo (FPL) é uma candidata qualificada para gerar as estruturas necessárias devido à sua eficiência, alta qualidade, flexibilidade e controlabilidade. Contudo, como ambas as explorações teóricas e experimentais deste método ainda estão em sua infância, o micro / nanoprocessamento de materiais de grafeno usando FPL não foi realizado. A viabilidade de implementação da técnica em aplicações práticas ainda é questionável porque a maioria dos estudos relacionados apenas destacam as características da estrutura obtida no processamento, mas muitas vezes ignoram as alterações complementares nas propriedades do próprio material.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , cientistas do Laboratório de Óptica Aplicada do Estado, Instituto de Óptica de Changchun, Mecânica e física fina, Academia Chinesa de Ciências, China, e colegas de trabalho apresentaram uma alta qualidade, fabricação de micro / nanoripple periódica eficiente e de grande área (período de ~ 680 nm) e fotorredução de filmes GO (espessura de ~ 140 nm) em um substrato de silício usando o método FPL. Interessantemente, ao contrário da maioria das estruturas de superfície periódicas induzidas por laser relatadas (LIPSS) em que o alinhamento do padrão é perpendicular à polarização da luz incidente, eles são encontrados para ter a distribuição uniforme extraordinária com orientação paralela entre si neste caso. Tal fenômeno não pode ser explicado pela teoria convencional de LIPSS, ou seja, a interferência entre a luz incidente com o modo TM e a onda de plasma de superfície excitada (SP). A análise demonstrou que a redução do gradiente induzida por laser do filme GO de sua superfície para o interior desempenha um papel fundamental, e leva a uma placa não homogênea com a permissividade dielétrica máxima (DP) na superfície e um DP menor no interior que permite a excitação de plasmons de superfície em modo TE (TE-SPs) e a subsequente interferência incomum. Devido aos diversos mecanismos físicos envolvidos na interação laser-rGO, a formação LIPSS também exibiu características únicas, como forte robustez contra uma gama de perturbações. Como o microprocessamento não contém operações assistentes, como corrosão química, as propriedades do material de grafeno são mantidas, que os permite para aplicações optoeletrônicas. De fato, através da modulação do grau de fotredução e design estrutural da superfície rGO, eles perceberam a absorção de luz aprimorada (~ 20%), radiação térmica (> 10 ° C) e condutividades anisotrópicas (razão de anisotropia ~ 0,46) deste material de filme. Com base nisso, eles projetaram um on-chip, fotodetector de banda larga com fotorresponsividade estável (R ~ 0,7 mA W-1) mesmo quando exposto à luz com baixa potência (0,1 mW). Os autores do artigo resumem a importância deste trabalho da seguinte forma:

"(1) A tecnologia FPL é usada pela primeira vez para realizar a preparação de alta qualidade, micro / nanoestruturas periódicas eficientes e em grande escala na superfície de materiais de grafeno; (2) Os mecanismos físicos da interação laser-material envolvida na tecnologia FPL são melhorados; (3) Tanto as características estruturais quanto as propriedades do próprio material processado são levadas em consideração na aplicação de dispositivos fotoelétricos. "

"Em comparação com a gravação direta a laser, que adota os mesmos parâmetros de laser incidente, nossa estratégia FPL leva apenas ~ 1/14000 do tempo para processar uma amostra de tamanho centímetro (1 × 1,2 cm2). Ao mesmo tempo, devido à possível propriedade óptica não linear, a estratégia FPL induz um fenômeno óbvio de 'autorreparação', que pode efetivamente garantir a qualidade do processamento. Por exemplo, podemos preparar filmes rGO-LIPSS em diferentes substratos e transferi-los de forma não destrutiva para outros substratos. "

"Nossa explicação dos fenômenos experimentais é marcadamente diferente da maioria dos princípios atuais. Isso nos dará uma compreensão mais clara dos processos físicos relevantes e estabelecerá uma base sólida para o desenvolvimento de tecnologias FPL."

"Os materiais de grafeno estruturado pela tecnologia FPL apresentam excelente desempenho fotoelétrico. A fotorresponsividade é numericamente comparável à resposta das amostras obtidas por outros métodos de redução (por exemplo, químico e térmico) e é muito maior do que os fotorreduzidos típicos. A taxa de anisotropia é ainda maior do que a de alguns cristais anisotrópicos naturais. Nosso trabalho combina a exploração experimental com a compreensão aprofundada de micro / nanopadronização de alta velocidade do rGO-LIPSS regular, que não só beneficia a física fundamental, mas também facilita o desenvolvimento prático de análogos do grafeno em escala industrial. "