南科大在激光超分辨率纳米制造领域取得系列进展

近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授徐少林团队围绕“激光超分辨率纳米制造”主题，在Nature Communications， Advanced Optical Materials， Laser & Photonics Reviews， Nano Letters， ACS Applied Materials & Interfaces等激光微纳米制造领域高水平期刊上发表系列论文，内容涉及激光亚波长图案化纳米制造、激光诱导周期性纳米光栅制造、线形脉冲激光跨大尺度微纳复合制造、耐久性纳米锥的激光掺杂增强等离子体刻蚀制造等。

在激光亚波长图案化纳米制造方面，大面积无拼接超衍射极限图案化纳米制造在半导体及光学微纳器件等领域具有至关重要的作用，开发低成本、高效率制备技术及配套设备对于上述领域的高质量发展具有极其重要的意义。

研究人员利用准二元相位掩模对光束进行偏振过滤，结合偏振与相位优化，得到了具有亚波长图案化波前的超快激光脉冲，使用快速扫描形成脉冲分离进行周期性改性/烧蚀，在大气环境下实现了晶圆级表面图形化微纳结构的均匀高效制造。制备的图案化结构在设计上高度自由可控，且具有亚波长图形分辨率（520 nm波长实现了300 nm的图形分辨率），无拼接现象。研究人员设计并加工了超表面吸收器器件，在中红外波段（3-7微米）实现了高达98%的单峰和双峰吸收率。

上述开发的高效激光亚波长图案化加工方法具有普适性，且能够适用于任意薄膜材料的图案化加工。相关研究结果以“Sub-wavelength patterned pulse laser lithography for efficient fabrication of large-areametasurfaces”为题，发表在Nature Communications上，以“Large-Scale Laser Nanopatterning of Multiband Tunable Mid-Infrared Metasurface Absorber”为题，发表在Advanced Optical Materials上。

图1.新型亚波长图案化整形脉冲激光光刻技术

在激光诱导周期性纳米光栅可控制造方面，激光诱导周期性表面结构（LIPSS）能够突破光的衍射极限，获得亚波长（~λ/2）至超深亚波长（~λ/8）分辨率的纳米光栅结构，但其结构的空间长程无序性限制了其在工业界的应用。

研究人员基于对超快激光激发表面等离激元波干涉现象的研究，首次系统解释了激光诱导纳米光栅结构空间分布紊乱的成因，并提出了相应的调控策略，即利用表面等离激元波干涉所引起的自对准现象，实现了长程有序亚波长光栅结构的高效大面积制备。进一步，对超快光源进行光束整形，形成均匀一致的线光源，通过调整激光加工策略，在单次扫描中稳定实现了成千上万二维阵列单元的自发生成，达到了在晶圆级大小样品上高效制备均匀二维纳米结构的目的。上述研究工作以“Self〢ligned Laser㊣nduced Periodic Surface Structures for Large〢rea Controllable Nanopatterning”为题，发表在Laser & Photonics Reviews，以“Self-Aligned Plasmonic Lithography for Maskless Fabrication of Large-Area Long-Range Ordered 2D Nanostructures”为题，发表在Nano letters上。

图2. 基于激光诱导周期性表面结构自对准现象开发的高效二维纳米图案化技术

在线形脉冲激光跨大尺度微纳复合制造方面，跨大尺度分级金属微纳米网格结构（亚100nm至数微米尺度）是提高透明柔性电子器件的透光性、导电性和机械稳定性的一种有效途径，然而高效经济地制备上述微纳复合结构仍极具挑战性。

研究人员创造性地提出了一种单步无掩膜线形脉冲激光光刻技术，通过调制线形脉冲光源的分离烧蚀，可高效制备线宽从50 nm至数微米连续可调的金属网格线。研究人员利用该技术设计并制备了一种柔性透明电极，在保证透过率大于80%的前提下，得到了4.6 Ω/sq的薄层电阻，在经过1000次的抗弯测试后仍能保持良好的光电性能。进一步，研究人员将该技术应用于制备一种柔性多向应变传感器，利用单层薄膜实现了多向应变传感的功能，且在灵敏度和响应性方面都具有显著优势，且显示出良好的机械稳定性和循环稳定性。

相关研究内容以“Laser-patterned hierarchical aligned micro-/nanowire network for highly sensitive multidimensional strain sensor”为题，发表在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”为题，发表在Advanced Materials Technologies上。

图3. 线形脉冲激光光刻用于跨大尺度微纳复合制造

在耐久性纳米锥的激光掺杂增强等离子体刻蚀制造方面，表面纳米结构可有效减低界面处的菲涅尔反射，从而提高光学窗口的透过性，实现表面增透的应用。然而纳米锥等表面结构在受到摩擦或颗粒撞击时易发生磨损和断裂导致性能失效，这限制了其在极端环境下的应用。

研究人员巧妙地设计了一种微框架结构，对表面纳米锥阵列进行保护，使得制备的纳米锥增透表面同时具备了高抗磨损性能。结合超快激光加工与干法刻蚀技术，研究人员提出了一种区域化激光掺杂复合干法刻蚀技术，在石英玻璃、本征SiC等光学窗口表面验证了高透过率、长耐久性光学增透窗口的制造可行性。该研究提出的设计制造方法，能够有效解决增透表面的耐久性难题，有望推动极端环境下光学增透窗口的研究与应用。研究成果以“Armored Nanocones Engraved by Selective Laser Doping Enhanced Plasma Etching for Robust Supertransmissivity”为题，发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

图4. 耐久性纳米锥的激光掺杂增强等离子体刻蚀制造

南科大机械系徐少林课题组博士生袁丹丹、徐康、黄佳旭、黄凌羽、胡劲，硕士生赵亮、乔靖宇，分别为相应论文的第一或共同第一作者，徐少林为通讯作者，南科大为论文第一单位，徐少林课题组成员李峻等在上述论文中亦有十分重要的贡献。美国内布拉斯加林肯大学陆永枫教授，南科大物理系张文清教授，普渡大学程佳瑞教授，南科大机械系韦齐和教授，爱荷华州立大学王信伟教授，南科大材料系李贵新教授，南科大电子系刘言军副教授，南科大微电子学院王敏助理教授等也为论文的顺利发表提供了大量的珍贵意见和建议。

以上研究工作得到了深圳市科技创新委员会、深圳市圭华智能科技有限公司、华为技术有限公司、广东原点智能技术有限公司的大力支持。

审核编辑 ：李倩