2014年度诺贝尔化学奖授予了美国科学家埃里克·白兹格（Eric Betzig）、威廉·E·莫纳尔（William E.Moerner）和德国科学家斯特凡·W·赫尔(Stefan W.Hell)，以表彰他们开发出超高分辨率荧光显微镜，让人类能以精确视角窥探到小于衍射极限的纳米级微观世界光学图像。受这项工作的启发，上海理工大学光子芯片研究院的研究团队研发了一种新型的激光光刻技术，用于制造超精细的石墨烯图案。它打破了碳基光刻技术向纳米尺度发展的衍射极限障碍。该成果以“Two-beam ultrafast laser scribing of graphene patterns with 90 nm sub-diffraction feature size”为题发表在Ultrafast Science上。
石墨烯的激光直写图案化被广泛应用于光电子器件领域，可以有效提升器件的性能。传统的石墨烯图案直写通常利用单光束光刻驱动氧化石墨烯的光还原，从而形成石墨烯图案。但由于光学衍射极限的限制，目前所报道的激光直写石墨烯图案的线宽大都在微米量级，制作超越衍射极限尺度的激光直写石墨烯图案是光刻领域的一个巨大的挑战。
图 制作亚衍射石墨烯结构的双光束超快激光直写工艺
研究团队所提出的基于超分辨荧光显微镜的双光束激光光刻技术，可以利用一道环形光束来抑制写入光束所触发的光刻胶反应，由此产生线宽超越衍射极限尺度的超精细光刻胶图案。
陈希教授表示，团队的目标是寻找到一条用于制造超精细石墨烯图案的双光束光刻方案。但与光刻胶光刻不同的是，氧化石墨烯光还原的抑制途径尚未实现。因此，该研究的关键之处是突破激光驱动石墨烯氧化的瓶颈。
论文中展示了具有高还原度的激光直写石墨烯在飞秒激光照射下的氧化现象。实现表明，波长为532nm的飞秒激光可以诱导从激光直写石墨烯到氧化态激光直写石墨烯的化学变化。基于这种激光驱动的氧化机制，研究人员同时控制环形的石墨烯还原激光光束和球形的石墨烯氧化激光光束，用于超精细石墨烯图案的制造。其中球形光束将激光直写石墨烯转化为氧化激光直写石墨烯，将激光直写石墨烯的光刻线分裂成两条具有超越衍射极限尺度的光刻线，从而通过双光束光刻实现了最小线宽为90nm的激光直写石墨烯图案。
石墨烯是碳基电路的基础材料,该团队所研发的双光束石墨烯激光光刻工艺为新一代微纳碳基电路的制造奠定了技术基础。
