近日，南方科技大學機械與能源工程系助理教授徐少林團隊圍繞“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體及光學微納器件等領(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。

研究人員利用準二元相位掩模對光束進行偏振過濾，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行周期性改性/燒蝕，在大氣環(huán)境下實現(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)計上高度自由可控，且具有亞波長圖形分辨率（520 nm波長實現(xiàn)了300 nm的圖形分辨率），無拼接現(xiàn)象。研究人員設(shè)計并加工了超表面吸收器器件，在中紅外波段（3-7微米）實現(xiàn)了高達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。

圖1 新型亞波長圖案化整形脈沖激光光刻技術(shù)

在激光誘導周期性納米光柵可控制造方面，激光誘導周期性表面結(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現(xiàn)象，實現(xiàn)了長程有序亞波長光柵結(jié)構(gòu)的高效大面積制備。進一步，對超快光源進行光束整形，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)定實現(xiàn)了成千上萬二維陣列單元的自發(fā)生成，達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。

圖2 基于激光誘導周期性表面結(jié)構(gòu)自對準現(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、導電性和機械穩(wěn)定性的一種有效途徑，然而高效經(jīng)濟地制備上述微納復(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，且顯示出良好的機械穩(wěn)定性和循環(huán)穩(wěn)定性。

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，從而提高光學窗口的透過性，實現(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易發(fā)生磨損和斷裂導致性能失效，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)計了一種微框架結(jié)構(gòu)，對表面納米錐陣列進行保護，使得制備的納米錐增透表面同時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等光學窗口表面驗證了高透過率、長耐久性光學增透窗口的制造可行性。該研究提出的設(shè)計制造方法，能夠有效解決增透表面的耐久性難題，有望推動極端環(huán)境下光學增透窗口的研究與應(yīng)用。

審核編輯：劉清