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2014年，諾貝爾化學獎授予了發明超分辨率熒光顯微技術的德國科學家斯特凡·W·赫爾、美國科學家埃里克·白茲格和美國科學家威廉姆·艾斯科·莫爾納爾。受這項工作的啟發，上海理工大學光子芯片研究院的科學家研發了一種新型的激光光刻技術，用于制造超精細的石墨烯圖案。這一發現打破了碳基光刻技術向納米尺度發展的衍射極限障礙。近日，顧敏院士和陳希教授將題為“Two-beam ultrafast laser scribing of graphene patterns with 90 nm sub-diffraction feature size”的工作發表在《科學》雜志社新子刊Ultrafast Science上。

雙光束超快激光直寫程序制造亞衍射石墨烯結構

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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.

石墨烯的激光直寫圖案化被廣泛應用于多種電學器件的性能突破。在傳統的石墨烯圖案直寫過程中，科學家使用單光束光刻過程驅動氧化石墨烯的光還原，從而形成石墨烯圖案。因為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域的一個巨大的挑戰。

最近，基于超分辨率熒光顯微技術這一諾貝爾獎級成果，科學家報道了一種應用于光刻膠的雙光束激光光刻技術。這里使用一道甜甜圈形狀的環形光束，來抑制寫入光束所觸發的光刻膠反應，由此產生線寬超越衍射極限尺度的超精細光刻膠圖案。“上海理工大學光子芯片研究院的研究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路徑，”陳希教授解釋道，“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。因此，我們首要的關鍵任務是實現激光驅動的石墨烯氧化。”

在Ultrafast Science上發表的論文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象。實現表明，波長為532納米的飛秒激光可以誘導從激光直寫石墨烯到氧化態激光直寫石墨烯的化學變化。基于這種激光驅動的氧化機制，光子芯片研究院同時控制甜甜圈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。其中球形光束負責將激光直寫石墨烯轉化為氧化態激光直寫石墨烯，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了最小線寬為90納米的激光直寫石墨烯圖案。

“石墨烯是碳基電路的基礎材料，這項雙光束石墨烯激光光刻工藝會為新一代微納米碳基電路的制造提供基礎技術支撐，”顧敏院士說。

該工作得到了國家自然科學基金委員會和上海市科委等單位的支持。

審核編輯 ：李倩