背景介紹

近年來，平面內(nèi)各向異性光電薄膜材料的研究憑借其集成化和微型化潛力引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，特別是在顯微成像、生物診斷和軍事檢測等領(lǐng)域的應(yīng)用。與傳統(tǒng)體雙折射晶體所需光程差的宏觀積累所不同，各向異性薄膜材料可以在較小的空間范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光和載流子的傳輸特性。目前，常見的各向異性薄膜材料可分為兩類：天然二維范德華晶體和人工超材料/表面。對于前者，其各向異性主要取決于平面內(nèi)非對稱晶格，雖然目前該類二維材料已有20多種，但大多依靠機(jī)械剝落而獲得，難以實(shí)現(xiàn)大面積的制備，極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用。對于后者，其性能主要取決于不同偏振態(tài)入射光與微/納米周期結(jié)構(gòu)之間的相互作用，雖然通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多功能光學(xué)傳輸特性，但是結(jié)構(gòu)單元的復(fù)雜設(shè)計(jì)和高成本制作仍是阻礙其實(shí)際應(yīng)用的主要原因。因此，非常有必要探索一種具有優(yōu)良人工平面各向異性的薄膜材料來克服上述問題，特別是在材料選擇和加工工藝方面。

成果簡介

中科院長春光機(jī)所楊建軍研究員、東北師范大學(xué)辛巍副教授和長治學(xué)院趙波副教授合作采用飛秒激光在氧化石墨烯（GO，厚度<100 nm）薄膜表面成功制備了大面積亞波長周期光柵結(jié)構(gòu)，并通過原位氧化還原過程實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化還原氧化石墨烯（S-rGO）薄膜的人工面內(nèi)光學(xué)雙折射和各向異性光電效應(yīng)。

不同于傳統(tǒng)的飛秒激光加工方法，例如：激光直寫和雙光束干涉等，采用合適參數(shù)的飛秒激光與GO薄膜相互作用可以激發(fā)產(chǎn)生TE模式的表面波，繼而實(shí)現(xiàn)對材料的空間周期選擇性作用。如圖1所示，將重復(fù)頻率為1kHz、中心波長為400 nm的飛秒激光通過柱透鏡聚焦到GO薄膜上，能夠在一個大尺寸線形光斑區(qū)域內(nèi)直接形成大量高規(guī)整分布的亞波長光柵結(jié)構(gòu)（周期~ 380 nm），并且結(jié)構(gòu)方向總是與入射光偏振相平行。基于該方法制備1 cm × 1 cm的S-rGO樣品最快僅需2分鐘左右，較相同激光參數(shù)下的激光直寫法提高了四個數(shù)量級以上。不僅如此，飛秒激光制備S-rGO的過程中還展現(xiàn)出了優(yōu)異的魯棒性，即材料表面的微小缺陷不會影響亞波長結(jié)構(gòu)的形成及其規(guī)整性排布。通過改變?nèi)肷浼す鈪?shù)，還可實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)周期和深度等的有效調(diào)控。另外，通過濕法轉(zhuǎn)移技術(shù)還能將S-rGO薄膜移至到其他平滑材料上。這種飛秒激光加工制備的S-rGO薄膜樣品表現(xiàn)出了優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)等各向異性效應(yīng)，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

圖1 基于飛秒激光快速制備的S-rGO樣品。

(1) 面內(nèi)雙折射特性

如圖2所示，通過紫外-可見-近紅外光譜儀測量，在波長為546 nm光照下S-rGO薄膜展現(xiàn)出雙折射性能，其最大光學(xué)相位延遲約為9.4°，并且隨著激光加工參數(shù)而發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)測得其雙折射系數(shù)最大約為0.18，與天然各向異性晶體、二維材料及人工雙折射材料的性能相當(dāng)，并且其慢軸方向總是平行于S-rGO中的亞波長光柵結(jié)構(gòu)方向。我們通過有效介質(zhì)理論和 Kramers-Kronig關(guān)系對其進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)雙折射性能與材料復(fù)折射率引起的偏振光學(xué)吸收和透射密切相關(guān)。

圖2 實(shí)驗(yàn)測得S-rGO薄膜的光學(xué)雙折射特性。

(2) 面內(nèi)偏振光電特性

如圖3所示，通過旋轉(zhuǎn)1/2波片改變?nèi)肷涔馄衽c樣品表面亞波長光柵結(jié)構(gòu)方向之間的夾角β，我們觀測到S-rGO薄膜器件的光電流隨入射光的不同偏振態(tài)發(fā)生變化。當(dāng)光偏振方向與結(jié)構(gòu)排列相互平行或垂直時，分別測得最大和最小光電流值。S-rGO薄膜的偏振光電趨勢與其光學(xué)吸收各向異性相同，光學(xué)吸收越大，光電響應(yīng)越高，這表明上述現(xiàn)象與光柵結(jié)構(gòu)對入射光不同偏振態(tài)的光學(xué)調(diào)制有關(guān)。相應(yīng)地，該器件的光電各向異性率也可隨激光加工參數(shù)獲得調(diào)節(jié)（即σPC=1.02~1.21）。與天然各向異性的二維材料相比較，雖然其光電各向異性率并沒有顯著提高，但其隨激光參數(shù)的動態(tài)調(diào)控和大面積快速高效制備特性是前者所無法比擬的。通過優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，有望進(jìn)一步改善其各向異性性能。

圖3 實(shí)驗(yàn)測得S-rGO薄膜的偏振光電特性。

總之，本工作為人工面內(nèi)雙折射材料的制備提供了一個新的可行方法，這種簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和靈活的樣品制備工藝，有望實(shí)現(xiàn)多種人工面內(nèi)光電各向異性材料對天然塊體材料的替代，為新型微納和集成化器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開辟廣闊前景。

課題組簡介

楊建軍，男，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，微納光子學(xué)與材料國際實(shí)驗(yàn)室研究員、吉林省“超快激光科學(xué)與應(yīng)用國際科技合作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”主任。長期從事飛秒激光技術(shù)與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域內(nèi)的研究工作，研究方向包括：飛秒激光器件、超快現(xiàn)象診斷、飛秒激光微納加工、飛秒激光燒蝕推進(jìn)、納米光子學(xué)、非線性光學(xué)等。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文80余篇（包括Light Science&Applications, Physical Review Letters, Optics Express, Optics Letters等）。課題組常年招收對飛秒激光與物質(zhì)作用研究及其應(yīng)用感興趣的青年學(xué)者和學(xué)生，歡迎投遞簡歷到郵箱jjyang@ciomp.ac.cn。

辛巍，男，東北師范大學(xué)物理學(xué)院，副教授。主要從事二維材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)及微納光電器件研究、飛秒激光微納加工及新型半導(dǎo)體材料的超快動力學(xué)研究等。迄今已經(jīng)在Advanced Materials, Light Science&Applications, ACS Applied Materials Interfaces等國際期刊上發(fā)表論文40余篇，申請中國專利4項(xiàng)。個人信息主頁http://js.nenu.edu.cn/teacher/index.php?zgh=2020900058。 

鄒婷婷，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與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 Research https://doi.org/10.1007/s12274-021-3505-x.