超快激光直写二维材料制备多功能光子学器件综述学术资讯

来源：中国激光

Chinese Optics Letters 2020年第二期封面文章：

Tieshan Yang, Han Lin, Baohua Jia. Ultrafast direct laser writing of 2D materials for multifunctional photonics devices [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2020, 18(2): 023601

二维材料通常指含有单层或多层原子的材料，其厚度从单原子层到数十纳米。各种各样的二维材料，如石墨烯、氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷和钙钛矿都已经被成功地分离出来。二维材料表现出奇异的物理化学性质，比如具有原子层厚度、强烈的非线性光学性质、磁性以及优异的机械性能。这些与其对应的块体材料迥异的性能为二维材料应用于纳米器件，尤其是在光子学中的应用创造了新的机遇。

最近各种二维材料微/纳米结构和功能性器件不断被提出，并通过多种加工手段设计出来，以实现其优异的性能。超快激光直写技术由于其丰富的光和物质相互作用的机制和动力学，特殊的三维制造能力，任意结构设计的灵活性以及最小的热效应，使其加工精度高达数十纳米，已被广泛应用在材料图案化、修饰、功能化当中，充分展示出其卓著的加工制造能力。

近日，来自澳大利亚斯威本科技大学Centre for Translational Atomaterials研究团队综述报道了用激光直写技术在二维材料中制备功能性光子器件的最振奋人心的进展，提出了深层次的总结和理解。综述文章发表在Chinese Optics Letters 2020年第2期。

二维材料超快激光直写示意图

该综述文章首先简洁地总结了材料在激光激发下的物理性质变化。激光和材料相互作用可能包含多种作用机制：单光子/双光子吸收，激光照射下材料烧蚀，纳米材料结构相变以及化学/物理性质修饰。这些过程导致材料不同的物理化学性质变化，比如折射率、消光系数、带隙、电导率和表面浸润特性（亲水性或疏水性）等。这些特性改变是功能性光子器件或光电子器件设计的基础。光和材料相互作用可实现二维材料微米/纳米图案化、激光减薄以及激光掺杂，这些特性改变在二维材料高分辨器件的制备和功能化中是至关重要的。之后，文章分析了用激光直写技术制备功能性光子器件，如超薄透镜、石墨烯超材料、完美吸收体以及全息显示等的优劣势。此外，超快激光直写技术还可用于二维材料局部非线性性质改变，通过在传统光子器件中简单地加入二维材料层，将其转化成高非线性系统。这种方法具有极大的灵活性，可以实现超快的速度，并极大地提升全光通信系统的性能。最后，文章指出了该领域的机遇和挑战，并对未来进行了展望。

该研究团队的贾宝华教授指出：“超快激光直写技术是制备高性能二维材料功能性器件必不可少的工具。超快激光可以应用于多种二维材料的图案化和功能化过程，其超高的分辨率和加工精度、简单灵活的加工方法和优异的性价比对于下一代大面积、高性能、便携式、集成化和柔性器件的制备是不可或缺的。”

通过将超快激光直写技术和并行加工以及超分辨技术相结合，有望开发出新颖的激光制备平台，用于多功能、可拓展的二维材料集成器件的制备，从而拓展其在多学科的研究和器件的应用中去。

来源：optics1964 中国激光

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