Réaliser des structures sur des matériaux 2D avec une imprimante 3D

Aug 12, 2023

Dans le but d'exploiter les propriétés exceptionnelles du graphène et d'autres matériaux 2D, des chercheurs du membre associé du graphène Flagship KTH Royal Institute of Technology (Suède) et du partenaire phare du graphène, l'université de la Bundeswehr de Munich (Allemagne) et du centre de recherche SENS, ont uni leurs forces pour structurer Matériaux 2D utilisant l'écriture directe avec le laser intégré d'une imprimante 3D commerciale à deux photons. Publiée dans ACS Nano, la technique a fonctionné sur le diséléniure de platine, le bisulfure de molybdène et le graphène cultivés ou transférés sur des lamelles en verre borosilicaté.

Les méthodes traditionnelles, telles que la lithographie optique et la lithographie par interférence laser, nécessitent de recouvrir le matériau 2D d'un masque de protection, permettant ainsi d'exposer uniquement des zones spécifiques du matériau 2D pendant la gravure. Cependant, le processus de revêtement, de développement et de retrait de la résine photosensible peut endommager le matériau 2D.

La technique présentée dans l’étude ne nécessite pas de couche de masquage, évitant ainsi la contamination et l’endommagement du substrat. Pour structurer les matériaux 2D, les chercheurs ont utilisé un objectif à immersion dans l'huile et un substrat transparent. L’équipe a pu générer des nanotrous (diamètre ≥ 100 nm) dans une zone de 200 μm × 200 μm en quelques secondes seulement.

Les travaux sont particulièrement intéressants car ils permettent à des acteurs scientifiques et industriels n’ayant pas accès aux installations standards de microfabrication d’explorer de nouveaux concepts et dispositifs basés sur des matériaux 2D. Étant donné que les imprimantes 3D à deux photons sont de moins en moins chères et de plus en plus courantes dans les laboratoires de recherche et les entreprises, cette méthode peut être utilisée pour prototyper et fabriquer rapidement de nouveaux dispositifs 2D basés sur des matériaux dans divers domaines de recherche.

"Fournir un moyen de travailler avec des matériaux 2D en dehors des salles blanches abaisse la barre pour s'engager dans ce domaine de recherche passionnant", déclare Alessandro Enrico, l'un des principaux auteurs de l'étude, qui travaillait auparavant à la Division des micro et nanosystèmes (MST). à KTH et récemment transféré à l'Université de Pavie en Italie. « Cette approche présente d'autres avantages par rapport aux processus lithographiques conventionnels : le matériau n'est pas endommagé ou contaminé par les multiples étapes de revêtement et de rinçage au solvant. L’absence de produit chimique signifie également une approche plus respectueuse de l’environnement pour la recherche et la production de matériaux 2D », ajoute le chercheur.

Nanostructuration de matériaux 2D à l'aide d'une imprimante 3D à deux photons. (a) Schéma 3D de l’approche d’écriture laser. Le matériau 2D est cultivé ou transféré sur la face avant d’une fine lamelle de verre. (b), (c) et (d) présentent des réseaux de nanotrous dans le diséléniure de platine (PtSe2), le bisulfure de molybdène (MoS2) et le graphène, respectivement. Barre d'échelle, 1 μm pour PtSe2, 500 nm pour MoS2 et 300 nm pour le graphène.

L'étape suivante consiste à étudier la compatibilité de cette méthode avec des membranes en matériau 2D suspendues et à remplacer le substrat de verre par d'autres substrats fonctionnels.

Ce projet a été réalisé dans le cadre du Graphene Flagship et du Graphene Flagship Partnering Project FLAG-ERA JTC 2019 2D-NEMS, qui est affilié au module de travail Capteurs du Graphene Flagship.

Référence

Enrico, Alessandro et al. "Nanopatterning ultrarapide et sans résistance de matériaux 2D par irradiation laser femtoseconde." ACS nano 17.9 (2023) : 8041-8052. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.2c09501

Rédacteur scientifique et coordinateur de l'initiative « Diversité dans le graphène ».

Rédacteur scientifique et coordinateur de l'initiative « Diversité dans le graphène ».