Nano Res.│飞秒激光促使氧化石墨烯呈现光电各向异性研究取得新进展

背景介绍

近年来，平面内各向异性光电薄膜材料的研究凭借其集成化和微型化潜力引起了国内外学者的广泛关注，特别是在显微成像、生物诊断和军事检测等领域的应用。与传统体双折射晶体所需光程差的宏观积累所不同，各向异性薄膜材料可以在较小的空间范围内调节光和载流子的传输特性。目前，常见的各向异性薄膜材料可分为两类：天然二维范德华晶体和人工超材料/表面。对于前者，其各向异性主要取决于平面内非对称晶格，虽然目前该类二维材料已有20多种，但大多依靠机械剥落而获得，难以实现大面积的制备，极大地限制了其实际应用。对于后者，其性能主要取决于不同偏振态入射光与微/纳米周期结构之间的相互作用，虽然通过合理结构设计能够实现多功能光学传输特性，但是结构单元的复杂设计和高成本制作仍是阻碍其实际应用的主要原因。因此，非常有必要探索一种具有优良人工平面各向异性的薄膜材料来克服上述问题，特别是在材料选择和加工工艺方面。

成果简介

中科院长春光机所杨建军研究员、东北师范大学辛巍副教授和长治学院赵波副教授合作采用飞秒激光在氧化石墨烯（GO，厚度<100 nm）薄膜表面成功制备了大面积亚波长周期光栅结构，并通过原位氧化还原过程实现了结构化还原氧化石墨烯（S-rGO）薄膜的人工面内光学双折射和各向异性光电效应。

不同于传统的飞秒激光加工方法，例如：激光直写和双光束干涉等，采用合适参数的飞秒激光与GO薄膜相互作用可以激发产生TE模式的表面波，继而实现对材料的空间周期选择性作用。如图1所示，将重复频率为1kHz、中心波长为400 nm的飞秒激光通过柱透镜聚焦到GO薄膜上，能够在一个大尺寸线形光斑区域内直接形成大量高规整分布的亚波长光栅结构（周期~ 380 nm），并且结构方向总是与入射光偏振相平行。基于该方法制备1 cm × 1 cm的S-rGO样品最快仅需2分钟左右，较相同激光参数下的激光直写法提高了四个数量级以上。不仅如此，飞秒激光制备S-rGO的过程中还展现出了优异的鲁棒性，即材料表面的微小缺陷不会影响亚波长结构的形成及其规整性排布。通过改变入射激光参数，还可实现对结构周期和深度等的有效调控。另外，通过湿法转移技术还能将S-rGO薄膜移至到其他平滑材料上。这种飞秒激光加工制备的S-rGO薄膜样品表现出了优异的光学和电学等各向异性效应，主要表现在以下两个方面：

图1 基于飞秒激光快速制备的S-rGO样品。

(1) 面内双折射特性

如图2所示，通过紫外-可见-近红外光谱仪测量，在波长为546 nm光照下S-rGO薄膜展现出双折射性能，其最大光学相位延迟约为9.4°，并且随着激光加工参数而发生变化。实验测得其双折射系数最大约为0.18，与天然各向异性晶体、二维材料及人工双折射材料的性能相当，并且其慢轴方向总是平行于S-rGO中的亚波长光栅结构方向。我们通过有效介质理论和 Kramers-Kronig关系对其进行了深入分析，发现双折射性能与材料复折射率引起的偏振光学吸收和透射密切相关。

图2 实验测得S-rGO薄膜的光学双折射特性。

(2) 面内偏振光电特性

如图3所示，通过旋转1/2波片改变入射光偏振与样品表面亚波长光栅结构方向之间的夹角β，我们观测到S-rGO薄膜器件的光电流随入射光的不同偏振态发生变化。当光偏振方向与结构排列相互平行或垂直时，分别测得最大和最小光电流值。S-rGO薄膜的偏振光电趋势与其光学吸收各向异性相同，光学吸收越大，光电响应越高，这表明上述现象与光栅结构对入射光不同偏振态的光学调制有关。相应地，该器件的光电各向异性率也可随激光加工参数获得调节（即σ_PC=1.02~1.21）。与天然各向异性的二维材料相比较，虽然其光电各向异性率并没有显著提高，但其随激光参数的动态调控和大面积快速高效制备特性是前者所无法比拟的。通过优化材料的结构参数，有望进一步改善其各向异性性能。

图3 实验测得S-rGO薄膜的偏振光电特性。

总之，本工作为人工面内双折射材料的制备提供了一个新的可行方法，这种简单的结构设计和灵活的样品制备工艺，有望实现多种人工面内光电各向异性材料对天然块体材料的替代，为新型微纳和集成化器件的设计和应用开辟广阔前景。

课题组简介

杨建军，男，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，微纳光子学与材料国际实验室研究员、吉林省“超快激光科学与应用国际科技合作重点实验室”主任。长期从事飞秒激光技术与物质相互作用领域内的研究工作，研究方向包括：飞秒激光器件、超快现象诊断、飞秒激光微纳加工、飞秒激光烧蚀推进、纳米光子学、非线性光学等。在国内外重要学术刊物上发表论文80余篇（包括Light Science&Applications, Physical Review Letters, Optics Express, Optics Letters等）。课题组常年招收对飞秒激光与物质作用研究及其应用感兴趣的青年学者和学生，欢迎投递简历到邮箱jjyang@ciomp.ac.cn。

辛巍，男，东北师范大学物理学院，副教授。主要从事二维材料及其异质结构的物理性质及微纳光电器件研究、飞秒激光微纳加工及新型半导体材料的超快动力学研究等。迄今已经在Advanced Materials, Light Science&Applications, ACS Applied Materials Interfaces等国际期刊上发表论文40余篇，申请中国专利4项。个人信息主页http://js.nenu.edu.cn/teacher/index.php?zgh=2020900058。

邹婷婷，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生，本文第一作者。

文章信息

Tingting Zou, Bo Zhao, Wei Xin^*, Feiyue Wang, Hongbo Xie, Yuhang Li, Yuwei Shan, Kun Li, Yanbing Sun & Jianjun Yang^*. Birefringent response of graphene oxide film structurized via femtosecond laser. Nano Researchhttps://doi.org/10.1007/s12274-021-3505-x.