2014年度諾貝爾化學獎授予了美國科學家埃裏克·白茲(zi) 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(men) 開發出超高分辨率熒光顯微鏡，讓人類能以精確視角窺探到小於(yu) 衍射極限的納米級微觀世界光學圖像。受這項工作的啟發，上海理工大學光子芯片研究院的研究團隊研發了一種新型的激光光刻技術，用於(yu) 製造超精細的石墨烯圖案。它打破了碳基光刻技術向納米尺度發展的衍射極限障礙。該成果以“Two-beam ultrafast laser scribing of graphene patterns with 90 nm sub-diffraction feature size”為(wei) 題發表在Ultrafast Science上。

石墨烯的激光直寫(xie) 圖案化被廣泛應用於(yu) 光電子器件領域，可以有效提升器件的性能。傳(chuan) 統的石墨烯圖案直寫(xie) 通常利用單光束光刻驅動氧化石墨烯的光還原，從(cong) 而形成石墨烯圖案。但由於(yu) 光學衍射極限的限製，目前所報道的激光直寫(xie) 石墨烯圖案的線寬大都在微米量級，製作超越衍射極限尺度的激光直寫(xie) 石墨烯圖案是光刻領域的一個(ge) 巨大的挑戰。

圖 製作亞(ya) 衍射石墨烯結構的雙光束超快激光直寫(xie) 工藝

研究團隊所提出的基於(yu) 超分辨熒光顯微鏡的雙光束激光光刻技術，可以利用一道環形光束來抑製寫(xie) 入光束所觸發的光刻膠反應，由此產(chan) 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於(yu) 製造超精細石墨烯圖案的雙光束光刻方案。但與(yu) 光刻膠光刻不同的是，氧化石墨烯光還原的抑製途徑尚未實現。因此，該研究的關(guan) 鍵之處是突破激光驅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(xie) 石墨烯在飛秒激光照射下的氧化現象。實現表明，波長為(wei) 532nm的飛秒激光可以誘導從(cong) 激光直寫(xie) 石墨烯到氧化態激光直寫(xie) 石墨烯的化學變化。基於(yu) 這種激光驅動的氧化機製，研究人員同時控製環形的石墨烯還原激光光束和球形的石墨烯氧化激光光束，用於(yu) 超精細石墨烯圖案的製造。其中球形光束將激光直寫(xie) 石墨烯轉化為(wei) 氧化激光直寫(xie) 石墨烯，將激光直寫(xie) 石墨烯的光刻線分裂成兩(liang) 條具有超越衍射極限尺度的光刻線，從(cong) 而通過雙光束光刻實現了最小線寬為(wei) 90nm的激光直寫(xie) 石墨烯圖案。

石墨烯是碳基電路的基礎材料,該團隊所研發的雙光束石墨烯激光光刻工藝為(wei) 新一代微納碳基電路的製造奠定了技術基礎。