突破光学衍射极限：飞秒激光制备二维 NbOI2纳米结构开启高性能器件新篇

为解决二维材料超精细纳米结构制备难题，研究人员开展远场飞秒激光在二维多层 NbOI2制备纳米沟槽阵列（NGA）结构的研究。结果制备出窄至～14.5nm 的沟槽，NGA-NbOI2气敏传感器对 NO2响应迅速。该研究推动纳米光刻技术发展。

　　在科技飞速发展的当下，二维（2D）材料凭借独特的物理化学性质，成为电子器件、纳米光子学等领域的 “潜力股”。其中，二维范德华材料中超精细纳米结构的设计与制备，更是实现电子器件功能化的关键 “钥匙”。以往，为了雕琢这些纳米级的 “艺术品”，科研人员使出浑身解数，开发出聚焦离子束（FIB）光刻、电子束光刻（EBL）结合离子蚀刻、扫描探针光刻（SPL）等技术。然而，这些方法就像 “带刺的玫瑰”，成本高昂、操作复杂不说，FIB 需要高真空环境，EBL 会留下影响器件性能的光刻胶残留，SPL 在大面积结构制备上也力不从心。同时，光学衍射极限如同横亘在面前的 “大山”，让激光直写制备超精细纳米结构困难重重。尽管一些激光加工方法取得了进展，但复杂的光学系统设计和严苛的操作条件，还是限制了进一步突破。在这样的困境下，如何找到一种快速、高效、灵活的纳米图案化方法，成为科研人员亟待攻克的难题。

为了突破这些瓶颈，哈尔滨工业大学的研究人员勇挑重担，开展了一项极具创新性的研究。他们另辟蹊径，利用远场飞秒激光在环境空气中对二维多层 NbOI₂进行图案化处理，成功制备出超分辨率纳米沟槽阵列（NGA）结构。这一成果意义非凡，不仅为二维材料的纳米加工开辟了新道路，还为高性能电子器件的研发带来了新希望，相关论文发表在《Nature Communications》上。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先是材料制备技术，通过化学气相传输（CVT）技术合成 NbOI₂单晶块体材料，再经机械剥离和干转移法获得用于实验的 NbOI₂薄片；其次是飞秒激光加工技术，在空气中对样品进行激光图案化处理，通过精心调整激光参数来实现纳米结构的制备；然后是数值模拟技术，利用有限差分时域（FDTD）方法模拟光与纳米沟槽相互作用时的界面电场分布，深入探究纳米结构的形成机制；最后是多种材料表征技术，像扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、X 射线光电子能谱（XPS）等，用于全面分析纳米结构的形貌、晶体结构、元素分布和价态等特性。

下面来看看具体的研究结果：

• 纳米沟槽阵列结构的制备与表征：研究人员将机械剥离的二维多层 NbOI₂纳米片转移到二氧化硅衬底上，用波长 1064nm 的飞秒激光扫描，成功制备出 NGA 结构。令人惊喜的是，该结构的沟槽宽度窄至～14.5nm（约为波长的 1/73），深度贯穿整个纳米片。而且，结构表面光滑，没有明显的材料烧蚀和纳米颗粒飞溅现象。TEM 等表征手段显示，NGA 结构保留了 NbOI₂的单晶特性，边缘为几纳米厚的非晶态 Nb₂O₅，这充分证明了飞秒激光加工的 “冷切割” 优势，为高性能电子器件的制备提供了低损伤的加工基础。
• 纳米沟槽阵列结构的生成机制：对于这种超分辨率 NGA 结构的形成机制，研究人员提出了一种基于纳米沟槽诱导近场（NG-LNF）与表面等离激元极化激元（SPP）周期场相互作用的修正纳米等离子体增强机制。飞秒激光照射时，材料表面产生大量自由电子形成等离子体，激发 SPP 周期场。同时，纳米沟槽会诱导 LNF 效应，二者相互耦合，促使纳米结构的形成和演化。通过改变激光脉冲数、进行结构演化的非原位实验观察，以及运用 FDTD 方法模拟电场分布等研究，有力地验证了这一机制。
• 纳米沟槽阵列结构的可调性：研究人员还发现 NGA 结构具有良好的可调性。激光脉冲能量密度的变化会影响结构的周期性，随着能量密度增加，虽然传统 SPP 理论认为周期会增大，但由于 SPP-LNF 耦合场中 LNF 增强导致结构二次分裂，最终使周期整体减小。改变脉冲数、扫描速度和激光波长等参数，也能对 NGA 结构的尺寸、取向等进行调控。而且，通过调整激光偏振方向，可实现对 NGA 结构取向的精确控制，展示了飞秒激光加工在纳米图案化方面的高度灵活性。
• 纳米沟槽阵列 - NbOI₂气敏传感器：基于 NGA 结构超分辨率的结构尺寸、保留的 NbOI₂单晶特性，以及大量的 NbOI₂-Nb₂O₅异质结，研究人员制备了气敏传感器并测试其对 NO₂的传感性能。实验结果令人瞩目，该传感器在室温下对 5ppm 的 NO₂气体响应迅速，响应时间仅为 5.1s，恢复时间为 25.4s，检测稳定性好、选择性高，能在室温下检测 0.5 - 70ppm 的 NO₂。进一步研究发现，其优异的气敏性能源于丰富的异质结和显著的界面电荷转移，为快速检测 NO₂提供了新途径。

综合来看，这项研究成果意义重大。在纳米加工领域，研究人员成功突破光学衍射极限，制备出超分辨率的 NGA 结构，证实了飞秒激光加工在二维材料上的高精度、低损伤加工能力，为二维材料的纳米制造技术发展注入了新动力。在气敏传感器应用方面，NGA-NbOI₂气敏传感器展现出的卓越 NO₂传感性能，为环境监测、工业安全等领域的气体检测提供了更高效、灵敏的解决方案。不过，目前该方法也存在一定局限性，如加工结构形式较为单一，在不同二维材料上加工的结构规则性存在差异等。未来，通过优化光学场调制和材料性能模拟等手段，有望进一步拓展该方法的应用范围，实现更复杂、多样化的纳米结构加工，推动二维材料在更多领域的广泛应用，为科技发展带来更多可能。