Patrones reversibles de gráficos monocapa con un enfoque simple

En un papel impreso en El diario de letras de química físicautilizó múltiples enfoques ópticos combinados con una técnica de escritura directa con láser para fotoescribir y borrar un patrón químico bien definido en un lienzo de grafeno con una resolución espacial de alrededor de 300 nm.

Aprender: Patrón químico regrabable monocromático y óptico puro en grafeno prístino bajo el agua. Crédito: Forance/Shutterstock.com

Propiedades de los gráficos

El grafeno ha atraído un gran interés como sustancia bidimensional interesante para una variedad de aplicaciones, incluidas aplicaciones eléctricas, dispositivos (opto) electrónicos y dispositivos de alta frecuencia, así como dispositivos biológicos y de almacenamiento de energía. Esto se debe a su estructura extremadamente delgada, excepcional durabilidad mecánica y elasticidad, resistencia al calor, fuerte movilidad interfacial de electrones, propiedades ópticas superiores y adaptabilidad a la ingeniería de banda prohibida.

La introducción de sp³defectos de tipo, también conocidos como defectos químicos/funcionales.

Las propiedades químicas, optoelectrónicas y eléctricas del grafeno se pueden ajustar de forma específica en el sitio a través de la funcionalización distribuida espacialmente. Esto permite la personalización de la hidrofilia y la humectabilidad, la acción catalizada u optoelectrónica, el enlace molecular y la permitividad de los electrones, por nombrar algunos. Como resultado, se crean enfoques más avanzados para la funcionalización química espacialmente precisa y el posterior patrón químico en láminas de grafeno.

Evolución temporal de la relación ID/IG bajo irradiación láser a 473 nm para monocapa de grafeno en (a) ITO, (b) Au, (c) sustrato de mica y (d) grafito bajo aire (línea negra) y agua (línea roja). Crédito de la foto: Toyouchi, S et al., The Journal of Physical Chemistry Letters

Métodos de patrones químicos anteriores

Si hay circunstancias especiales, sp³-Los errores en una monocapa de grafeno se pueden convertir a sp² Carbono, a diferencia de otras formas de problemas como brechas, bordes y esquinas.

El patrón químico de las monocapas de grafeno se ha descrito en varios estudios previos. La desfuncionalización sucesiva del grafeno sintetizado químicamente proporciona otro método para sintonizar bidireccionalmente los datos en grafeno que no estaba disponible anteriormente. Sin embargo, en la mayoría de los casos, la reparación térmica y química de defectos moleculares en monocapas de grafeno se ha realizado de forma aleatoria y no controlada.

El enfoque de escritura directa con láser se utilizó junto con la desfuncionalización térmica inducida por láser para desfuncionalizar una capa de óxido de grafeno producida químicamente en un sitio.

Hasta la fecha, no se ha documentado ninguna técnica puramente óptica. Al cumplir con los requisitos especiales para el diseño reescribible y flexible de estructuras de grafeno estructurado, estos enfoques totalmente ópticos podrían abrir nuevas posibilidades avanzadas.

Evolución típica de la relación ID/IG a lo largo del tiempo durante la fotooxidación y curva de ajuste obtenida con una función exponencial. Crédito de la foto: Toyouchi, S et al., The Journal of Physical Chemistry Letters

Ventajas de un método puramente óptico

En este artículo, se describe un método totalmente óptico para el patrón químico reescribible de monocapas de grafeno utilizando fotofuncionalización/desfuncionalización inducida por láser de un solo color junto con técnicas de escritura láser directa.

Se han realizado algunos trabajos preliminares sobre la fotofuncionalización simple de la monocapa de grafeno, que es una técnica prometedora. La fotooxidación es causada por la reacción de iones cargados positivamente inducidos por láser con sp² Átomos de carbono en el grafeno debido a la intensa excitación de los electrones.

Este proceso sencillo no requiere aditivos ni productos químicos, solo agua. En este sentido, la fotooxidación en presencia de humedad es limpia, ecológicamente beneficiosa y beneficiosa para las personas involucradas. La fotooxidación también es económica, adaptable e intrigante para el control espacial sobre la funcionalización química del grafeno.

Al enfocar con precisión un láser en el contacto con el agua en una ubicación preferida arbitraria con precisión espacial limitada por dispersión, se ha logrado un patrón químico arbitrario en grafeno puro a nanoescala. A continuación, la secuencia química generada se visualizó mediante mapeo Raman con un haz de estimulación similar pero con una intensidad de láser diez veces menor.

Patrón de óxido de grafeno reescribible. Mapas de intensidad de banda 2D obtenidos después de fotoescribir un patrón «H» (derecha), fotoborrado parcial (centro) y fotoescribir un patrón «K» en la ubicación del patrón «H» (derecha). La excitación es a 473 nm La potencia del láser es de 0,5 MW/cm²B. 5,0 MW/cm3² y 14,3 MW/cm3² para mapeo Raman, escritura de fotos o borrado de fotos. Barra de escala de 2,5 μm. Crédito de la foto: Toyouchi, S et al., The JDiario de Letras de Química Física

Resultados de la investigacion

En este estudio, se presentó un enfoque simple para el patrón químicamente reversible de grafeno monocapa. El grafeno podría oxidarse de manera efectiva y rápida mediante el uso de ablación láser visual CW de longitud de onda corta.

Esto se logró mediante el transporte de electrones de conducción del grafeno a los oxidantes disueltos en agua. También se demostró que al calentar mientras se manipula la intensidad del mismo láser de encendido, esta región de fotooxidación se puede volver a convertir selectivamente en grafeno puro.

El acoplamiento de la fotooxidación y el enfoque de escritura directa con láser permitió la creación de patrones de funcionalización química en lienzos de grafeno. La distancia focal de estas estructuras (300 nm) se determinó por el tamaño del punto de enfoque del láser. Se utilizó el mapeo Raman con el mismo láser de iluminación para descubrir los diseños químicos inscritos en los lienzos de grafeno.

El método descrito en esta investigación permitió a los que trabajaban en el campo adaptar con precisión la funcionalización química de una manera espacialmente distribuida, allanando el camino para nuevos avances en el ajuste productivo de las propiedades del grafeno.

referencia

Toyouchi S, Wolf M, Feng G, Fujita Y y Uji-i H (2022). Patrón químico regrabable monocromático y óptico puro en grafeno prístino bajo el agua. El diario de letras de química física. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.2c00446

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