封面图（图片来源：ISBN: 978-3-527-64684-5）
撰稿 | 辛巍（课题组供稿）
01 导读
近些年，以石墨烯为代表的二维材料已成为了国内外研究领域的耀眼新星。
然而，如何实现这些材料的大规模高质量制备、提高和拓展其原有的物理化学性质、并与现有的半导体集成工艺完美结合等仍然是困扰这些材料真正走向实用化的主要问题。
表面功能化处理的石墨烯及其衍生物因其制备工艺相对成熟、性能优异（光学、电学、热学性能及生物兼容性等）等特点而率先走进了人们的生活（例如华为手机的散热芯片）。
不仅如此，通过合理的表面结构化操作，这些材料能够在有效保持原有性能的基础上增添许多新功效，因此在电磁场调控、能量存储、生物传感等众多领域具有广泛的应用前景。
传统的微纳结构加工技术包括紫外光刻、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等。相比之下，飞秒激光加工技术（以直写技术为代表）以其加工成本低、不易受外界环境条件限制、操作灵活、适用于大规模加工等特点而受到了广泛关注。
大量研究已证实，飞秒激光凭借超短持续时间和超强峰值功率的独特优点几乎可以在任何固体材料上实现非热性加工。
同时，利用其中伴随产生的非线性光学效应，可以使其加工精度突破光学衍射的限制达到亚波长甚至纳米量级。
然而，飞秒激光加工效率的提升一直是该技术长期以来面临的主要问题之一，并且成为限制其实用化的主要障碍。
或者说，有效解决高精度与高效率之间的固有矛盾，已成为飞秒激光加工技术的核心问题和关键所在。
针对上述问题，近日中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）、山西长治学院和美国罗切斯特大学合作，在国际光学领域权威期刊 Light: Science & Applications 上发表文章，提出了一种新型的应对方式——飞秒激光等离子体光刻技术（FPL）。
通过均匀化入射激光通量的宽视场照射以及调控激光与物质耦合强度和瞬时局部自由电子密度分布等，合作者们在百纳米厚的硅基氧化石墨烯（GO）薄膜表面实现了高质量微纳周期结构的快速制备。
由于加工过程伴随着的光热和光化学过程，使得结构化的GO被还原。
加工后的石墨烯材原有的宽光谱吸收和优异导电等性能，同时也表现出了因微纳结构所导致的光吸收和热辐射增强以及平面内光学各向异性等特点。
作为展示，所得材料被用在了微纳光电响应器件上。
图1 基于飞秒激光等离子体光刻技术（FPL）的GO薄膜表面微纳加工
02 研究背景
飞秒激光等离子体光刻技术（FPL）起源于飞秒激光照射样品表面时所诱导产生的周期性结构（Laser-induced periodic surface structure, LIPSS）。
自1965年Birnbaum首次在半导体材料上发现该现象以来，国内外学者已相继在金属、半导体、绝缘体等材料上发现了类似的结果。
由于飞秒激光与物质相互作用在极短的时间内包含了电子吸收和升温、能量传递、晶格热化等系列复杂过程，因此想精确分析其中的物理机制并不容易，长期以来人们只能利用半唯象的物理模型来进行解释。
近些年来，随着相关研究的不断深入，光与表面等离子体波（SPP）的干涉理论逐渐得到了多数研究者的认可。
大量的实验表明，当飞秒激光入射到材料上时会激发产生表面等离子体波。
入射光与SPP干涉引起了周期性的能量分布和能量沉积，进而在材料表面形成周期性结构的雏形。
伴随着表面结构的产生，入射光能量会进一步通过与表面结构相耦合来激发SPP并促进周期性结构的形成。
由于此过程通常与激光参数和加工材料性质等因素息息相关，缺少对其复杂过程的理解和掌控使得科研人员长期以来仅是局限于实验现象的被动观测和分析，而一直无法实现大面积规整化的微纳结构制备。
2013年，Bülent Öktem等人在该现象的研究方面取得了创新进展，他们通过能量反馈机制在金属钛薄膜上实现了微纳结构的高质量化加工，同时指出微纳结构在加工制备过程中表现出了明显的“自修复”能力。
随后，人们通过优化加工环境（如真空环境等）、加工材料质量（如表面抛光等）等方法也相继在其他材料上实现了快速、高质量、大规模微纳结构的制备，相关技术也得到了空前发展。
然而，由于该技术在实用性探索方面的研究时间并不长，我们目前仍无法在实际应用中利用该技术开展广泛的研究。系统的理论和实验研究仍然是推动该技术发展的重要工作内容。
03 创新研究
3.1 FPL技术的加工机制探索
前文已经对LIPSS的产生机理做出了简单介绍，其中飞秒激光与其激发的SPP进行干涉耦合起到了关键作用。
通常情况下，SPP激发仅限于TM模式（横磁波）的入射光，这将导致材料表面形成的周期结构方向将与入射光偏振方向保持垂直。
然而，在我们的实验中却发现了与之相反的现象：即结构方向与入射光偏振相平行。对此现象的正确理解无法通过目前传统理论来获得，我们认为氧化石墨烯（GO）薄膜在与飞秒激光相互作用过程中的性质变化起到了决定性作用。
由于GO表面存在大量的含氧官能团，它在光照条件下的消失使得材料被还原，从而引起材料光学性质的改变，并将导致GO薄膜介电常数出现自表面向内部的梯度分布。
有趣的是，此分布有利于材料表面TE模式SPP的产生。
随后，我们从波动光学的角度对激光作用过程进行了深入分析，并利于FDTD算法对入射光波与TE模式SPP激发的耦合过程进行了模拟分析。
该研究使我们对相关物理过程的认识更加清晰，为FPL相关技术的进一步发展奠定了基础。
图2 基于FPL技术的GO表面微纳结构形成物理过程分析
3.2 基于FPL技术的GO表面微纳结构制备及应用探索
利用FPL技术，该研究团队在百纳米厚的硅基GO薄膜上实现了大面积高质量亚微米周期结构（周期约680纳米，宽度约400纳米）（rGO-LIPSS）的快速制备。
尽管在二维材料上已有LIPSS形成的报道，但利用FPL技术实现如此高质量规整结构的制备还属首次。
实验发现，与相同加工参数（激光能流密度、重复频率、扫描速度等）的单光束飞秒激光直写技术相比较，利用FPL技术可以将加工1×1.2 cm²面积的工作效率提高4个数量级以上。
不仅如此，得益于飞秒激光的非线性光学特点，FPL技术加工过程不易受材料表面缺陷、杂质等因素的影响，加工基底也不易受到材料种类的限制。
加工材料表现出了优异的机械性能，可以利用传统的湿转移法进行完整转移。
这为相关材料周期性微纳结构的灵活制备奠定了基础。
图3 基于FPL技术的rGO-LIPSS的灵活制备
此外，需要指出的是，尽管FPL技术在材料表面周期性微纳结构制备上表现出了优异的特性，但是如何将此优势转化为结构化材料特性的应用才是根本。
以周期结构为例，此前已经有科研人员利用类似的技术在其他材料上实现了高质量、快速结构加工，相关材料也被作为光栅结构而应用到了激光衍射等方面，但这些工作大多忽略了材料本身的物理、化学属性。
相比之下，本工作则更多的关注结构化还原氧化石墨烯（rGO）本身性质的发挥。
实验表明，表面结构化的rGO不仅保留了石墨烯材料所具有的宽光谱吸收（400-2000 nm）和优异的导电性等特点，也表现出了因周期结构所导致的光学吸收增强（> 20%）、光热辐射增强（> 10°C）以及平面内光学各向异性（各向异性率约0.46，可以与天然的各向异性材料相比拟）等特点。
基于结构化rGO的光电响应器件也表现出了稳定的增强光电响应（mA/W量级），响应度要明显高于典型石墨烯光电器件。
图6 基于rGO-LIPSS的光电响应器件特性研究
04 应用与展望
FPL技术的未来发展及应用还将面临许多挑战，例如相关原理的深入理解、技术的稳定性操控、所加工材料的应用探索等。
但无论如何，将FPL技术与新型二维材料相结合都表现出了诱人的前景。
该研究团队已经在FPL前期的实用性方面开展了大量的研究工作，相关技术的灵活操控方面也已取得了进步。
相信随着该技术发展的不断成熟，飞秒激光最终可以实现“鱼”（加工精度）和“熊掌”（加工效率）的兼得。
05 课题组介绍
中科院长春光机所应用光学国家重点实验室，光子实验室
杨建军，教授，长期从事飞秒激光与物质相互作用的研究工作，授权发明专利5项，发表SCI论文100余篇，包括Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett.等。目前主要研究方向：飞秒激光微纳制造、超快动态探测、纳米结构应用。
辛巍，助理研究员，长期从事二维材料及其异质结构的光学与光电性能研究，发表论文30余篇，其中以第一及通讯作者在Adv. Mater., Light Sci. & Appl. 等杂志发表论文10余篇。主要研究方向：二维材料（异质结构）的微纳光电子器件、飞秒激光加工、载流子动力学研究。
郭春雷，教授，长期从事飞秒激光与物质的相互作用等研究，美国罗切斯特大学光学所飞秒激光研究室负责人，中科院长春光机所光子实验室主任，美国物理学会和美国光学学会的会士，发表SCI论文170余篇，H指数40。研究成果得到多个工业巨头关注和应用。
该团队长期从事光与物质相互作用的理论和应用研究，主要研究方向包括：激光与固态物质相互作用、新型材料纳米光子学、精密激光材料加工、强场激光与气体和等离子体的相互作用等。近年来，该团队在Nat. Commun., Light: Sci. & Appl., Small等期刊上发表SCI论文100余篇。
期待国内外优秀学者的加入和合作。
实验室网址：
http://www.guo-lab.org/index.aspx
文章信息：本文题目为：High-speed femtosecond laser plasmonic lithography and reduction of graphene oxide for anisotropic photoresponse，发表在Nature子刊 Light: Science & Applications 上。
本论文主要作者为长春光机所博士生邹婷婷，通讯作者为中科院长春光机所的杨建军教授、辛巍博士和郭春雷教授。
论文下载地址：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0311-2
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