用于超小尺寸材料的超快激光器

超快激光器（皮秒或飞秒型）在微电子设备和纳米电子设备开发和生产用薄膜图案加工中的应用日益广泛，其产品应用包括光伏电池、显示器、传感器或大幅面有机电子产品等。超快激光器的主要优势包含热效应有限、能量散发快，有助于实现复杂的超薄型多层薄膜结构的花色处理。

纳米材料时代的来临为极高速、高效和小型化的设备提供了新的加工可能性。但是对厚度低至单原子层的这类新型纳米材料进行加工，在技术上极富挑战。本文描述了用超快激光器对原子级二维碳晶格，即石墨烯进行花色处理的应用。

石墨烯与激光辐射

过去十多年间，由于其性能独特、适用于包括光伏电池、光电子、传感器、化学反应、储能等在内的多种领域，石墨烯引发了大量的关注。行业陆续开发出了多种基于硅微电子等传统手段的石墨烯型技术。激光加工才刚开始被用于石墨烯设备的开发，但已经显示出了巨大的潜力。激光束可用于对石墨烯进行各种处理，包括激光辅助石墨烯生长（LIG，源自碳化硅和聚酰亚胺）、在不同基材上进行花型消融、甚至是做化学改性（氧化和功能化，图1），并可用于不同的光电子、光子、纳机电系统（NEMS）设备的一体化。

图1：在不同条件下，不同激光脉冲能量对于石墨烯的局部消融或氧化示意图。

超快激光器可采用单步骤、直写式激光工艺来替代多步光刻工艺，这对于避免因湿法加工而在石墨烯表面形成任何杂质是至关重要，且极为有益的一种工艺。

石墨烯的花纹消融

尽管厚度仅有一个或几个原子单层那么厚，石墨烯的光吸收率在很宽的电磁波谱窗口范围内都相对较高。对于单层悬浮石墨烯而言，可见光的精确测量值为2.3%。此外，根据基材性质和接合面的不同，特定基材上的石墨烯的吸收率甚至可以高10倍。当使用光子密度很高的超快激光器时，吸收率还可以进一步得到提高。

图2：大尺寸石墨烯图案的激光消融示例。

这为石墨烯实现精准和高效的激光消融提供了可能性（图2）。电子应用通常需要将石墨烯放在位于硅基片上方的热生长硅氧化物上。在这种结构中，石墨烯的高效吸收性能确保能够在不损坏硅或硅氧化物（图3）的情况下对石墨烯进行激光消融加工。

图3：在可见皮秒激光脉冲下，结构化石墨烯（300nm）在硅氧化物/硅（SiO2/Si）的工艺图。

由于石墨烯的厚度为原子级，有可能使用单发式的消融方法，以缩短总体加工时间。可以获得1μm甚至更低的特征尺寸，并可使用激光诱导多光子加工方式，以实现亚波长分辨率。

石墨烯的光化学性

对材料表面进行光化学加工是众所周知的方法，在光（一般是UV）辐射下，由于内部相位的转移或与周围环境（气体、蒸汽和液体）等的反应，材料性质会发生变化。最常见的利用激光加工中光化学特性的应用，是用激光辐射进行多光子聚合的增材制造工艺。它为聚合物和复合材料的3D化学加工提供了独特的加工工具。对于同样可以通过强UV氧化进行化学改性的碳基石墨烯，也是如此。

不管是从电子特性还是光学特性来看，石墨烯都是独特的材料。石墨烯对非线性光学效应进行了验证，如多光子吸收性、等离子体的产生（等离子体是导电材料中电子“流体”的集体激发）、Q-开关等。通过探索这些非线性光学效应，有望用高强度可见光来改变石墨烯的化学和光学特性。图4显示的是在氧气/水气氛条件下使用一款515nm的超快激光器对石墨烯进行局部氧化的典型反应。

结果是，能够以高速加工的方式（用传统光学扫描仪在高达每秒几米的加工速度下）产生亚微米分辨率的自由结构（无痕）。具有极值开关和导电率差异、获得光操纵性以及润湿性等表面特性。这一结果非常有用，可以快速开发各种用于生物、安全或通讯领域的设备或装置。