2014年度諾貝爾化學獎授予了美國科學家埃里克·白茲格（Eric Betzig）、威廉·E·莫納爾（William E.Moerner）和德國科學家斯特凡·W·赫爾(Stefan W.Hell)，以表彰他們開發(fā)出超高分辨率熒光顯微鏡，讓人類能以精確視角窺探到小于衍射極限的納米級微觀世界光學圖像。受這項工作的啟發(fā)，上海理工大學光子芯片研究院的研究團隊研發(fā)了一種新型的激光光刻技術(shù)，用于制造超精細的石墨烯圖案。它打破了碳基光刻技術(shù)向納米尺度發(fā)展的衍射極限障礙。該成果以“Two-beam ultrafast laser scribing of graphene patterns with 90 nm sub-diffraction feature size”為題發(fā)表在Ultrafast Science上。

石墨烯的激光直寫圖案化被廣泛應(yīng)用于光電子器件領(lǐng)域，可以有效提升器件的性能。傳統(tǒng)的石墨烯圖案直寫通常利用單光束光刻驅(qū)動氧化石墨烯的光還原，從而形成石墨烯圖案。但由于光學衍射極限的限制，目前所報道的激光直寫石墨烯圖案的線寬大都在微米量級，制作超越衍射極限尺度的激光直寫石墨烯圖案是光刻領(lǐng)域的一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖 制作亞衍射石墨烯結(jié)構(gòu)的雙光束超快激光直寫工藝

研究團隊所提出的基于超分辨熒光顯微鏡的雙光束激光光刻技術(shù)，可以利用一道環(huán)形光束來抑制寫入光束所觸發(fā)的光刻膠反應(yīng)，由此產(chǎn)生線寬超越衍射極限尺度的超精細光刻膠圖案。

陳希教授表示，團隊的目標是尋找到一條用于制造超精細石墨烯圖案的雙光束光刻方案。但與光刻膠光刻不同的是，氧化石墨烯光還原的抑制途徑尚未實現(xiàn)。因此，該研究的關(guān)鍵之處是突破激光驅(qū)動石墨烯氧化的瓶頸。

論文中展示了具有高還原度的激光直寫石墨烯在飛秒激光照射下的氧化現(xiàn)象。實現(xiàn)表明，波長為532nm的飛秒激光可以誘導從激光直寫石墨烯到氧化態(tài)激光直寫石墨烯的化學變化?；谶@種激光驅(qū)動的氧化機制，研究人員同時控制環(huán)形的石墨烯還原激光光束和球形的石墨烯氧化激光光束，用于超精細石墨烯圖案的制造。其中球形光束將激光直寫石墨烯轉(zhuǎn)化為氧化激光直寫石墨烯，將激光直寫石墨烯的光刻線分裂成兩條具有超越衍射極限尺度的光刻線，從而通過雙光束光刻實現(xiàn)了最小線寬為90nm的激光直寫石墨烯圖案。

石墨烯是碳基電路的基礎(chǔ)材料,該團隊所研發(fā)的雙光束石墨烯激光光刻工藝為新一代微納碳基電路的制造奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。