石墨烯是一种碳原子按照六边形蜂窝状结构排列而成的单原子层材料，因其具有优异的光、电、热、力学等特性，在众多科研和工业领域表现出了巨大的应用潜力，因而自其被发现以来便引起国内外学者的广泛关注。然而，正所谓“金无足赤”，石墨烯在拥有众多优异特性的同时又不可避免的存在着吸光能力差、载流子传输调控能力弱等特点，这又在一定程度上限制了这种“神奇材料”的实际应用。

为了解决上述问题，制备功能化的石墨烯衍生物或开展表面微纳结构化处理是常用的手段。通过控制石墨烯衍生物表面官能团的种类、含量以及微纳形貌，不仅能够在保留石墨烯原有优异特性，而且又可以增添其能带结构和表面能可调等优势，在电磁场调控、能量存储、生物传感等众多领域具有应用前景。由此可见，如何快速、可控、高质量的实现这类材料的结构化制备是扩大石墨烯应用范围的关键。

图1 石墨烯平面结构图（图片来自网络）

近日，长春光机所的研究人员提出了一种对氧化石墨烯材料（石墨烯衍生物的一种）开展可控还原和表面微纳结构处理的新方法 ——飞秒激光等离激元刻写（FPL）技术。他们利用重复频率为1千赫兹、脉冲持续时间为40飞秒（1飞秒只有1秒的一千万亿分之一）的近红外激光，通过柱透镜线聚焦照射（光斑长度约为1厘米）在厚度仅有百纳米（约为人的头发丝直径的三百分之一）的氧化石墨烯薄膜上，获得了规整分布微结构和空间选择性还原的同步快速实现，并且发现经过飞秒激光照射后的薄膜样品不仅具有明显的光电各项异性响应，而且还将增强对入射光波的捕获和热辐射能力。

图2 FPL技术制备表面微结构化石墨烯的方法和结果（图片来自网络）

什么是FPL技术？

传统的飞秒激光加工技术需要操作者将聚焦的光束当成“纳米笔尖”在材料的表面及内部进行“书写”，通过移动“笔尖”的位置构建微纳结构。可以想象，如果利用此技术开展大面积微纳制造，则耗时低效的加工过程无疑是阻碍其应用发展的主要因素。

与上述方法形成鲜明对比的是，科研人员在此采用FPL技术是将传统的激光“纳米笔尖”换成了“厘米笔刷”来进行刻写，在移动“笔刷”的过程中即可产生数以万计的规整微结构。通过改变激光“笔刷”的工作参数，可以有效调整加工结构的形貌（包括周期、方向、深度等）。

进一步的研究表明，这种微纳刻写技术的关键在于利用飞秒激光照射到材料上诱发产生表面波，它将入射光斑内的空间连续能量调制为多个按照特定规律排布的空间离散化光强。或者说，入射飞秒激光借助于材料表面的特殊物理效应将聚焦光斑自调制成多个纳米光源后再进行作用，从而避免了传统激光直写技术中单一聚焦光斑的直接作用效果，极大地提升了激光加工的效率、精度和规整性。

不仅如此，柱透镜的线聚焦方式也有效增大了激光在材料表面的作用范围。在此过程中，飞秒激光刻写精度不是取决于聚焦光斑尺寸，而是严格依赖于表面波特性，这为材料表面微纳结构的大面积快速制备提供了物理基础。

事实上，这种表面波的激发产生在物理上来源于飞秒激光对氧化石墨烯薄膜照射还原过程中，材料光学性质（介电常数或折射率）发生随深度变化的梯度分布，从而引发表面极化电流产生并在光波电场作用下的传播，形成横电（TE）模式的表面波。

图3 FPL技术形成原理图（图片来自网络）

FPL技术有什么优点？

刻写精度高。采用这种技术刻写的表面微结构不仅在空间上排列均匀，而且相邻刻线的间隔为680 纳米，误差率仅有3%！或者说，在1厘米长度范围内可以同步获得约15000条刻线。

制备效率快。与传统的飞秒激光直写技术相比较，如果在薄膜表面1×1平方厘米面积上（相当于小拇指甲大小）刻写相同的微结构，则前者需要大约17天，而我们的方法仅需166秒，刻写速度提高了约4个数量级！这对大面积微纳结构的制备具有明显优势。

抗干扰能力强。研究发现在刻写过程中，即使薄膜表面存在一些微小杂质或者缺陷，微纳结构产生的均匀性也几乎不受影响。这类似于人在行走过程中遇到障碍物时，可以顺利越过后继续前行。

FPL技术的应用及前景？

对石墨烯表面形貌进行改造，会拓展其物化性质吗？答案是肯定的。作者发现采用FPL技术获得的表面微纳结构化还原氧化石墨烯薄膜，不仅保留了石墨烯原有的宽光谱吸收和良好的导电性能，而且也表现出因表面微纳结构所导致的光学吸收和热辐射增强效应，以及平面内光电各向异性等。这些特点将在制备偏振光电器件中起到非常重要作用。

二维材料相结合的FPL技术，为利用飞秒激光对其他二维材料进行高精度结构刻写和功能特性调控打开了大门，这将对新型平面光学器件制备及其未来应用产生深远影响。

图5 FPL技术制备获得表面微结构化石墨烯的光电各项异性响应（图片来自网络）