2014年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家埃里克·白茲格（Eric Betzig）、威廉·E·莫納爾（William E.Moerner）和德國(guó)科學(xué)家斯特凡·W·赫爾(Stefan W.Hell)，以表彰他們開(kāi)發(fā)出超高分辨率熒光顯微鏡，讓人類(lèi)能以精確視角窺探到小于衍射極限的納米級(jí)微觀世界光學(xué)圖像。受這項(xiàng)工作的啟發(fā)，上海理工大學(xué)光子芯片研究院的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型的激光光刻技術(shù)，用于制造超精細(xì)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(xiě)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(xiě)通常利用單光束光刻驅(qū)動(dòng)氧化石墨烯的光還原，從而形成石墨烯圖案。但由于光學(xué)衍射極限的限制，目前所報(bào)道的激光直寫(xiě)石墨烯圖案的線寬大都在微米量級(jí)，制作超越衍射極限尺度的激光直寫(xiě)石墨烯圖案是光刻領(lǐng)域的一個(gè)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(xiě)工藝

研究團(tuán)隊(duì)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(lái)抑制寫(xiě)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(xì)光刻膠圖案。

陳希教授表示，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是尋找到一條用于制造超精細(xì)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(shí)現(xiàn)。因此，該研究的關(guān)鍵之處是突破激光驅(qū)動(dòng)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(xiě)石墨烯在飛秒激光照射下的氧化現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)表明，波長(zhǎng)為532nm的飛秒激光可以誘導(dǎo)從激光直寫(xiě)石墨烯到氧化態(tài)激光直寫(xiě)石墨烯的化學(xué)變化?；谶@種激光驅(qū)動(dòng)的氧化機(jī)制，研究人員同時(shí)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(xì)石墨烯圖案的制造。其中球形光束將激光直寫(xiě)石墨烯轉(zhuǎn)化為氧化激光直寫(xiě)石墨烯，將激光直寫(xiě)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(guò)雙光束光刻實(shí)現(xiàn)了最小線寬為90nm的激光直寫(xiě)石墨烯圖案。

石墨烯是碳基電路的基礎(chǔ)材料,該團(tuán)隊(duì)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)。