超精细石墨烯图案的双光束超快激光直写制作技术

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2014年，诺贝尔化学奖授予了发明超分辨率荧光显微技术的德国科学家斯特凡·W·赫尔、美国科学家埃里克·白兹格和美国科学家威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔。受这项工作的启发，上海理工大学光子芯片研究院的科学家研发了一种新型的激光光刻技术，用于制造超精细的石墨烯图案。这一发现打破了碳基光刻技术向纳米尺度发展的衍射极限障碍。近日，顾敏院士和陈希教授将题为“Two-beam ultrafast laser scribing of graphene patterns with 90 nm sub-diffraction feature size”的工作发表在《科学》杂志社新子刊Ultrafast Science上。

双光束超快激光直写程序制造亚衍射石墨烯结构

引用格式（点击阅读原文）

Chen X and Gu M. Two-Beam Ultrafast Laser Scribing of Graphene Patterns with 90-nm Subdiffraction Feature Size. Ultrafast Sci.2022;2022:Article 0001. 

石墨烯的激光直写图案化被广泛应用于多种电学器件的性能突破。在传统的石墨烯图案直写过程中，科学家使用单光束光刻过程驱动氧化石墨烯的光还原，从而形成石墨烯图案。因为光学衍射极限的限制，目前所报道的激光直写石墨烯图案的线宽在微米量级，制作超越衍射极限尺度的激光直写石墨烯图案是光刻领域的一个巨大的挑战。

最近，基于超分辨率荧光显微技术这一诺贝尔奖级成果，科学家报道了一种应用于光刻胶的双光束激光光刻技术。这里使用一道甜甜圈形状的环形光束，来抑制写入光束所触发的光刻胶反应，由此产生线宽超越衍射极限尺度的超精细光刻胶图案。“上海理工大学光子芯片研究院的研究目标是寻找到一条用于制造超精细石墨烯图案的双光束光刻路径，”陈希教授解释道，“但与光刻胶光刻不同的是，氧化石墨烯光还原的抑制途径尚未实现。因此，我们首要的关键任务是实现激光驱动的石墨烯氧化。”

在Ultrafast Science上发表的论文展示了具有高还原度的激光直写石墨烯在飞秒激光照射下的氧化现象。实现表明，波长为532纳米的飞秒激光可以诱导从激光直写石墨烯到氧化态激光直写石墨烯的化学变化。基于这种激光驱动的氧化机制，光子芯片研究院同时控制甜甜圈形的石墨烯还原激光光束和球形的石墨烯氧化激光光束，用于超精细石墨烯图案的制造。其中球形光束负责将激光直写石墨烯转化为氧化态激光直写石墨烯，将激光直写石墨烯的光刻线分裂成两条具有超越衍射极限尺度的光刻线，从而通过双光束光刻实现了最小线宽为90纳米的激光直写石墨烯图案。

“石墨烯是碳基电路的基础材料，这项双光束石墨烯激光光刻工艺会为新一代微纳米碳基电路的制造提供基础技术支撑，”顾敏院士说。

该工作得到了国家自然科学基金委员会和上海市科委等单位的支持。

审核编辑 ：李倩