Mit einem 3D-Drucker Strukturen auf 2D-Materialien herstellen

Aug 12, 2023

Um die außergewöhnlichen Eigenschaften von Graphen und anderen 2D-Materialien zu nutzen, haben Forscher des Graphene Flagship Associated Member KTH Royal Institute of Technology (Schweden) und des Graphene Flagship Partners, der Universität der Bundeswehr München (Deutschland) und des SENS Research Center ihre Kräfte gebündelt, um Struktur zu schaffen 2D-Materialien durch direktes Schreiben mit dem eingebauten Laser eines kommerziellen Zwei-Photonen-3D-Druckers. Die in ACS Nano veröffentlichte Technik funktionierte mit Platindiselenid, Molybdändisulfid und Graphen, die auf Borosilikatglas-Deckgläsern gewachsen oder auf diese übertragen wurden.

Herkömmliche Methoden wie die optische Lithographie und die Laserinterferenzlithographie erfordern die Beschichtung des 2D-Materials mit einer Schutzlackmaske, sodass beim Ätzen nur bestimmte Bereiche des 2D-Materials freigelegt werden. Allerdings kann der Prozess des Beschichtens, Entwickelns und Entfernens des Fotolacks das 2D-Material beschädigen.

Die in der Studie vorgestellte Technik erfordert keine Maskierungsschicht, wodurch eine Kontamination und Beschädigung des Substrats vermieden wird. Zur Strukturierung der 2D-Materialien verwendeten die Forscher ein Ölimmersionsobjektiv und ein transparentes Substrat. Das Team konnte in nur wenigen Sekunden Nanolöcher (≥100 nm Durchmesser) in einer Fläche von 200 μm × 200 μm erzeugen.

Die Arbeit ist besonders interessant, weil sie es wissenschaftlichen und industriellen Akteuren ohne Zugang zu Standard-Mikrofabrikationsanlagen ermöglicht, neue Konzepte und Geräte auf der Basis von 2D-Materialien zu erforschen. Da Zwei-Photonen-3D-Drucker immer billiger und in Forschungslabors und Unternehmen immer häufiger eingesetzt werden, kann diese Methode zur schnellen Prototypenerstellung und Herstellung neuer 2D-Geräte auf Materialbasis in verschiedenen Forschungsbereichen eingesetzt werden.

„Die Bereitstellung einer Möglichkeit, mit 2D-Materialien außerhalb von Reinräumen zu arbeiten, senkt die Hürde für die Teilnahme an diesem spannenden Forschungsgebiet“, sagt Alessandro Enrico, einer der Hauptautoren der Studie, der früher in der Abteilung für Mikro- und Nanosysteme (MST) arbeitete. an der KTH und wechselte kürzlich an die Universität Pavia in Italien. „Dieser Ansatz hat weitere Vorteile gegenüber herkömmlichen lithografischen Verfahren: Das Material wird durch mehrere Beschichtungs- und Lösungsmittelspülschritte nicht beschädigt oder verunreinigt. Der Verzicht auf Chemikalien bedeutet auch einen umweltfreundlicheren Ansatz für die Forschung und Produktion von 2D-Materialien“, fügt der Forscher hinzu.

Nanostrukturierung von 2D-Materialien mit einem Zwei-Photonen-3D-Drucker. (a) 3D-Schema des Laserschreibansatzes. Das 2D-Material wird entweder auf die Vorderseite eines dünnen Glasdeckglases aufgewachsen oder übertragen. (b), (c) und (d) zeigen Nanolochanordnungen in Platindiselenid (PtSe2), Molybdändisulfid (MoS2) bzw. Graphen. Maßstabsbalken: 1 μm für PtSe2, 500 nm für MoS2 und 300 nm für Graphen.

Der nächste Schritt besteht darin, die Kompatibilität dieser Methode mit schwebenden 2D-Materialmembranen zu untersuchen und das Glassubstrat durch andere funktionelle zu ersetzen.

Dieses Projekt wurde im Rahmen des Graphene Flagship und des Graphene Flagship Partnering Project FLAG-ERA JTC 2019 2D-NEMS durchgeführt, das mit dem Sensors Work Package des Graphene Flagship verbunden ist.

Referenz

Enrico, Alessandro et al. „Ultraschnelle und widerstandsfreie Nanostrukturierung von 2D-Materialien durch Femtosekunden-Laserbestrahlung.“ ACS nano 17.9 (2023): 8041-8052. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c09501

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.