[发明专利]一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统

说明书

本发明公开了一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统，本方法首先制备氧化物‑石墨烯‑基底材料三明治结构样品；其次，样品通过激光直写系统进行加工；超过阈值光强的区域内石墨烯在激光诱导下和氧化物发生碳热还原反应而被破坏，其他部分的石墨烯则不会被破坏得以保留，从而形成石墨烯微纳结构。本发明方法及系统操作简单，不需要借助掩模板进行曝光，避免了离子束加工中二次溅射的问题，能实现高精度的石墨烯结构及图案的加工，加工分辨率可通过激光光斑大小和激光能量调控，有利于复杂结构石墨烯图案的快速加工及高质量石墨烯结构器件的制备，可广泛的推广应用。

技术领域

本发明属于先进材料制备加工领域，涉及一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统；具体涉及一种基于激光诱导碳热还原反应的石墨烯微纳结构加工方法及其系统，其适用于基于激光直写的微纳加工领域和基于石墨烯的结构化加工。

背景技术

石墨烯作为一种新兴的二维材料，受到了全世界科研及应用领域的广泛关注。其表现出来的各种优异性能，已经开始在各个行业引发起一场颠覆性的革命，从集成电路到电磁调控，再到新能源超级电容等领域。2015年，国家已将石墨烯纳入《中国制造2025》重点技术工程，明确了我国石墨烯产业在未来十年的发展方向，也提出了石墨烯十年的产值目标，即2020年形成百亿产业规模，2025年整体产业规模突破千亿。

在已经提出和实现的各种设计中，一个关键的技术节点是将石墨烯结构化的能力。在集成电路行业，石墨烯因其高载流子迁移率而备受推崇，然而将石墨烯结构化以进行高密度集成是石墨烯在该领域被广泛应用的一个基础要求。在电磁调控方面，结构化的石墨烯可以将电磁能量局域在一个很小的范围内，高密度能量的获得对量子光学、光电探测、生物传感等技术的发展大有裨益；同时，通过利用电磁能量在结构间的耦合也可以完成对入射电磁波传播方向、振幅、偏振等特征量的调控，实现诸如波片、完美吸收器、窄带滤波器等功能化器件。因此，将石墨烯结构化的能力可以被认为是石墨烯技术及石墨烯产业发展的基础。

现有的生成结构化石墨烯的方法主要分为bottom-up方法和top-down方法两大类。 Bottom-up方法包括自组装、化学合成等生成方法；top-down方法包括聚焦离子束刻蚀、电子束光刻、激光直写等常见刻蚀方法，其中激光直写因其无掩模、无二次沉积的特点而被认为是最有研究价值的结构化石墨烯的方法之一。此外，激光直写相比其他方法还有简易、高产出、低成本等优势。

在现有的激光直写加工石墨烯的技术中，通过使用矢量光场进行加工可提高加工分辨率，然而这些技术却依然没能突破加工光束的衍射极限，且加工精度还远远不能令人满意。因此使用飞秒激光快速、高精度的加工出分辨率超衍射极限的石墨烯结构一直是尚未攻克的难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对现有技术的不足，经过多次设计和研究，提供了一种激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法及其系统。

依据本发明的第一方面，提供一种基于激光诱导石墨烯微纳结构的加工方法，其包括以下步骤：步骤1、准备石墨烯微纳结构加工需要的基底材料；

步骤2、将石墨烯转移到基底材料上；

步骤3、蒸镀氧化物，获得氧化物-石墨烯-基底材料三明治结构样品；

步骤4、通过激光直写系统对氧化物-石墨烯-基底材料三明治结构样品进行加工，超过阈值光强的区域内石墨烯在激光诱导下和氧化物发生碳热还原反应而被破坏，其余部分的石墨烯则不会被破坏得以保留；

步骤5、对加工后样品进行后处理，去除残余氧化物，得到石墨烯微纳结构。