超快激光器（皮秒或飛秒型）在微電子設(shè)備和納米電子設(shè)備開發(fā)和生產(chǎn)用薄膜圖案加工中的應(yīng)用日益廣泛，其產(chǎn)品應(yīng)用包括光伏電池、顯示器、傳感器或大幅面有機電子產(chǎn)品等。超快激光器的主要優(yōu)勢包含熱效應(yīng)有限、能量散發(fā)快，有助于實現(xiàn)復(fù)雜的超薄型多層薄膜結(jié)構(gòu)的花色處理。
納米材料時代的來臨為極高速、高效和小型化的設(shè)備提供了新的加工可能性。但是對厚度低至單原子層的這類新型納米材料進行加工，在技術(shù)上極富挑戰(zhàn)。本文描述了用超快激光器對原子級二維碳晶格，即石墨烯進行花色處理的應(yīng)用。
石墨烯與激光輻射
過去十多年間，由于其性能獨特、適用于包括光伏電池、光電子、傳感器、化學(xué)反應(yīng)、儲能等在內(nèi)的多種領(lǐng)域，石墨烯引發(fā)了大量的關(guān)注。行業(yè)陸續(xù)開發(fā)出了多種基于硅微電子等傳統(tǒng)手段的石墨烯型技術(shù)。激光加工才剛開始被用于石墨烯設(shè)備的開發(fā)，但已經(jīng)顯示出了巨大的潛力。激光束可用于對石墨烯進行各種處理，包括激光輔助石墨烯生長（LIG， 源自碳化硅和聚酰亞胺）、在不同基材上進行花型消融、甚至是做化學(xué)改性（氧化和功能化，圖1），并可用于不同的光電子、光子、納機電系統(tǒng)（NEMS）設(shè)備的一體化。
圖1：在不同條件下，不同激光脈沖能量對于石墨烯的局部消融或氧化示意圖。
超快激光器可采用單步驟、直寫式激光工藝來替代多步光刻工藝，這對于避免因濕法加工而在石墨烯表面形成任何雜質(zhì)是至關(guān)重要，且極為有益的一種工藝。
石墨烯的花紋消融
盡管厚度僅有一個或幾個原子單層那么厚，石墨烯的光吸收率在很寬的電磁波譜窗口范圍內(nèi)都相對較高。對于單層懸浮石墨烯而言， 可見光的精確測量值為2.3%。此外， 根據(jù)基材性質(zhì)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。當(dāng)使用光子密度很高的超快激光器時，吸收率還可以進一步得到提高。
圖2：大尺寸石墨烯圖案的激光消融示例。
這為石墨烯實現(xiàn)精準(zhǔn)和高效的激光消融提供了可能性（圖2）。電子應(yīng)用通常需要將石墨烯放在位于硅基片上方的熱生長硅氧化物上。在這種結(jié)構(gòu)中，石墨烯的高效吸收性能確保能夠在不損壞硅或硅氧化物（圖3）的情況下對石墨烯進行激光消融加工。
圖3：在可見皮秒激光脈沖下，結(jié)構(gòu)化石墨烯（300nm）在硅氧化物/硅（SiO2/Si）的工藝圖。
由于石墨烯的厚度為原子級，有可能使用單發(fā)式的消融方法，以縮短總體加工時間。可以獲得1μm甚至更低的特征尺寸，并可使用激光誘導(dǎo)多光子加工方式，以實現(xiàn)亞波長分辨率。
石墨烯的光化學(xué)性
對材料表面進行光化學(xué)加工是眾所周知的方法，在光（一般是UV）輻射下，由于內(nèi)部相位的轉(zhuǎn)移或與周圍環(huán)境（氣體、蒸汽和液體）等的反應(yīng)，材料性質(zhì)會發(fā)生變化。最常見的利用激光加工中光化學(xué)特性的應(yīng)用，是用激光輻射進行多光子聚合的增材制造工藝。它為聚合物和復(fù)合材料的3D化學(xué)加工提供了獨特的加工工具。對于同樣可以通過強UV氧化進行化學(xué)改性的碳基石墨烯，也是如此。
不管是從電子特性還是光學(xué)特性來看，石墨烯都是獨特的材料。石墨烯對非線性光學(xué)效應(yīng)進行了驗證，如多光子吸收性、等離子體的產(chǎn)生（等離子體是導(dǎo)電材料中電子“流體”的集體激發(fā)）、Q-開關(guān)等。通過探索這些非線性光學(xué)效應(yīng)，有望用高強度可見光來改變石墨烯的化學(xué)和光學(xué)特性。圖4顯示的是在氧氣/水氣氛條件下使用一款515nm的超快激光器對石墨烯進行局部氧化的典型反應(yīng)。
結(jié)果是，能夠以高速加工的方式（用傳統(tǒng)光學(xué)掃描儀在高達每秒幾米的加工速度下）產(chǎn)生亞微米分辨率的自由結(jié)構(gòu)（無痕）。具有極值開關(guān)和導(dǎo)電率差異、獲得光操縱性以及潤濕性等表面特性。這一結(jié)果非常有用，可以快速開發(fā)各種用于生物、安全或通訊領(lǐng)域的設(shè)備或裝置。
圖4：石墨烯氧化條紋的電子顯微照片。
石墨烯的各種技術(shù)特性遠遠超越當(dāng)今用于電子、微機電系統(tǒng)（MEMS）以及微光機電系統(tǒng)（MOEMS） 中的傳統(tǒng)固態(tài)材料。這些新特性還有待進一步發(fā)掘，使激光加工的使用獲得規(guī)模更大、速度更快、重現(xiàn)性更高、純度更好的技術(shù)，以便將石墨烯集成到新的微電子平臺中。
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