近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系助理教授徐少林團(tuán)隊(duì)圍繞“激光超分辨率納米制造”主題，在Nature Communications， Advanced Optical Materials， Laser & Photonics Reviews， Nano Letters， ACS Applied Materials & Interfaces等激光微納米制造領(lǐng)域高水平期刊上發(fā)表系列論文，內(nèi)容涉及激光亞波長圖案化納米制造、激光誘導(dǎo)周期性納米光柵制造、線形脈沖激光跨大尺度微納復(fù)合制造、耐久性納米錐的激光摻雜增強(qiáng)等離子體刻蝕制造等。

在激光亞波長圖案化納米制造方面，大面積無拼接超衍射極限圖案化納米制造在半導(dǎo)體及光學(xué)微納器件等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的作用，開發(fā)低成本、高效率制備技術(shù)及配套設(shè)備對于上述領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展具有極其重要的意義。

研究人員利用準(zhǔn)二元相位掩模對光束進(jìn)行偏振過濾，結(jié)合偏振與相位優(yōu)化，得到了具有亞波長圖案化波前的超快激光脈沖，使用快速掃描形成脈沖分離進(jìn)行周期性改性/燒蝕，在大氣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了晶圓級表面圖形化微納結(jié)構(gòu)的均勻高效制造。制備的圖案化結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)上高度自由可控，且具有亞波長圖形分辨率（520 nm波長實(shí)現(xiàn)了300 nm的圖形分辨率），無拼接現(xiàn)象。研究人員設(shè)計(jì)并加工了超表面吸收器器件，在中紅外波段（3-7微米）實(shí)現(xiàn)了高達(dá)98%的單峰和雙峰吸收率。

上述開發(fā)的高效激光亞波長圖案化加工方法具有普適性，且能夠適用于任意薄膜材料的圖案化加工。相關(guān)研究結(jié)果以“Sub-wavelength patterned pulse laser lithography for efficient fabrication of large-areametasurfaces”為題，發(fā)表在Nature Communications上，以“Large-Scale Laser Nanopatterning of Multiband Tunable Mid-Infrared Metasurface Absorber”為題，發(fā)表在Advanced Optical Materials上。

圖1.新型亞波長圖案化整形脈沖激光光刻技術(shù)

在激光誘導(dǎo)周期性納米光柵可控制造方面，激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)（LIPSS）能夠突破光的衍射極限，獲得亞波長（~λ/2）至超深亞波長（~λ/8）分辨率的納米光柵結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)的空間長程無序性限制了其在工業(yè)界的應(yīng)用。

研究人員基于對超快激光激發(fā)表面等離激元波干涉現(xiàn)象的研究，首次系統(tǒng)解釋了激光誘導(dǎo)納米光柵結(jié)構(gòu)空間分布紊亂的成因，并提出了相應(yīng)的調(diào)控策略，即利用表面等離激元波干涉所引起的自對準(zhǔn)現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了長程有序亞波長光柵結(jié)構(gòu)的高效大面積制備。進(jìn)一步，對超快光源進(jìn)行光束整形，形成均勻一致的線光源，通過調(diào)整激光加工策略，在單次掃描中穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了成千上萬二維陣列單元的自發(fā)生成，達(dá)到了在晶圓級大小樣品上高效制備均勻二維納米結(jié)構(gòu)的目的。上述研究工作以“Self〢ligned Laser㊣nduced Periodic Surface Structures for Large〢rea Controllable Nanopatterning”為題，發(fā)表在Laser & Photonics Reviews，以“Self-Aligned Plasmonic Lithography for Maskless Fabrication of Large-Area Long-Range Ordered 2D Nanostructures”為題，發(fā)表在Nano letters上。

圖2. 基于激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)自對準(zhǔn)現(xiàn)象開發(fā)的高效二維納米圖案化技術(shù)

在線形脈沖激光跨大尺度微納復(fù)合制造方面，跨大尺度分級金屬微納米網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（亞100nm至數(shù)微米尺度）是提高透明柔性電子器件的透光性、導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性的一種有效途徑，然而高效經(jīng)濟(jì)地制備上述微納復(fù)合結(jié)構(gòu)仍極具挑戰(zhàn)性。

研究人員創(chuàng)造性地提出了一種單步無掩膜線形脈沖激光光刻技術(shù)，通過調(diào)制線形脈沖光源的分離燒蝕，可高效制備線寬從50 nm至數(shù)微米連續(xù)可調(diào)的金屬網(wǎng)格線。研究人員利用該技術(shù)設(shè)計(jì)并制備了一種柔性透明電極，在保證透過率大于80%的前提下，得到了4.6 Ω/sq的薄層電阻，在經(jīng)過1000次的抗彎測試后仍能保持良好的光電性能。進(jìn)一步，研究人員將該技術(shù)應(yīng)用于制備一種柔性多向應(yīng)變傳感器，利用單層薄膜實(shí)現(xiàn)了多向應(yīng)變傳感的功能，且在靈敏度和響應(yīng)性方面都具有顯著優(yōu)勢，且顯示出良好的機(jī)械穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。

相關(guān)研究內(nèi)容以“Laser-patterned hierarchical aligned micro-/nanowire network for highly sensitive multidimensional strain sensor”為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上，以“Line-shaped laser lithography for efficiently fabricating flexible transparent electrodes with hierarchical metal grids across λ/10 to microscale”為題，發(fā)表在Advanced Materials Technologies上。

圖3. 線形脈沖激光光刻用于跨大尺度微納復(fù)合制造

在耐久性納米錐的激光摻雜增強(qiáng)等離子體刻蝕制造方面，表面納米結(jié)構(gòu)可有效減低界面處的菲涅爾反射，從而提高光學(xué)窗口的透過性，實(shí)現(xiàn)表面增透的應(yīng)用。然而納米錐等表面結(jié)構(gòu)在受到摩擦或顆粒撞擊時(shí)易發(fā)生磨損和斷裂導(dǎo)致性能失效，這限制了其在極端環(huán)境下的應(yīng)用。

研究人員巧妙地設(shè)計(jì)了一種微框架結(jié)構(gòu)，對表面納米錐陣列進(jìn)行保護(hù)，使得制備的納米錐增透表面同時(shí)具備了高抗磨損性能。結(jié)合超快激光加工與干法刻蝕技術(shù)，研究人員提出了一種區(qū)域化激光摻雜復(fù)合干法刻蝕技術(shù)，在石英玻璃、本征SiC等光學(xué)窗口表面驗(yàn)證了高透過率、長耐久性光學(xué)增透窗口的制造可行性。該研究提出的設(shè)計(jì)制造方法，能夠有效解決增透表面的耐久性難題，有望推動(dòng)極端環(huán)境下光學(xué)增透窗口的研究與應(yīng)用。研究成果以“Armored Nanocones Engraved by Selective Laser Doping Enhanced Plasma Etching for Robust Supertransmissivity”為題，發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

圖4. 耐久性納米錐的激光摻雜增強(qiáng)等離子體刻蝕制造

南科大機(jī)械系徐少林課題組博士生袁丹丹、徐康、黃佳旭、黃凌羽、胡勁，碩士生趙亮、喬靖宇，分別為相應(yīng)論文的第一或共同第一作者，徐少林為通訊作者，南科大為論文第一單位，徐少林課題組成員李峻等在上述論文中亦有十分重要的貢獻(xiàn)。美國內(nèi)布拉斯加林肯大學(xué)陸永楓教授，南科大物理系張文清教授，普渡大學(xué)程佳瑞教授，南科大機(jī)械系韋齊和教授，愛荷華州立大學(xué)王信偉教授，南科大材料系李貴新教授，南科大電子系劉言軍副教授，南科大微電子學(xué)院王敏助理教授等也為論文的順利發(fā)表提供了大量的珍貴意見和建議。

以上研究工作得到了深圳市科技創(chuàng)新委員會、深圳市圭華智能科技有限公司、華為技術(shù)有限公司、廣東原點(diǎn)智能技術(shù)有限公司的大力支持。

審核編輯 ：李倩