近期，中南大學物理學院銀愷教授、何軍教授團隊在超快激光原子級制造領域取得多項研究成果，相關論文分別發(fā)表于國際期刊《美國化學學會納米》（ACS Nano）、《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）和《材料視野》（Materials Horizons）。

研究團隊提出了一種基于飛秒激光直寫（FsLDW）技術的仿生多級結構制造策略，利用飛秒激光超短脈沖與高能量密度特性精準控制表面溫度，誘導鈣鈦礦晶體定向生長，形成發(fā)光優(yōu)異的圖案化陣列。針對鈣鈦礦本征穩(wěn)定性不足，創(chuàng)新性提出雙層仿生策略：激光燒蝕使表面形成類似荷葉的微納分級結構，結合激光誘導含氟官能團富集及PVDF固有低表面能實現(xiàn)超疏水；同時，PVDF的低導熱性在亞表面為CsPbX3量子點提供溫和結晶環(huán)境，避免熱分解，并通過激光調控實現(xiàn)全光譜可調多色熒光。最終制備的超疏水多色鈣鈦礦薄膜具備全光譜發(fā)射、優(yōu)異柔性、高分辨率和自清潔能力，在復雜天氣下表現(xiàn)出優(yōu)異的耐用性（圖1）。該進展以“飛秒激光原子-納米-微米制備仿生鈣鈦礦量子點薄膜實現(xiàn)耐用多色顯示（Femtosecond Laser Atomic–Nano–Micro Fabrication of Biomimetic Perovskite Quantum Dots Films toward Durable Multicolor Display）”為題發(fā)表于2025年6月19日的《美國化學學會納米》（ACS Nano）。

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圖1.飛秒激光原子-納米-微米級制造仿生鈣鈦礦量子點薄膜

研究團隊提出了一種飛秒激光超快原子尺度修復激光誘導石墨烯（LIG）的新策略。飛秒激光輻照LIG會產生超快高溫光熱脈沖，引發(fā)瞬時加熱和冷卻過程，這為碳原子重排提供了熱力學和動力學條件，從而促進LIG中結構缺陷的修復。XPS分析證實，飛秒激光修復前后樣品中sp2和sp3雜化碳原子比例的顯著差異。經過飛秒激光處理后，缺陷相關的sp3雜化比例從30.9%下降到17.6%，而sp2雜化比例則從44.8%增加到56.8%，顯示出LIG拓撲結構的修復。飛秒激光修復后ID/IG從1.52減少至1.04。球差校正透射電子顯微鏡圖像表明LIG主要呈非晶態(tài)，同時存在各種扭曲的五元、六元和七元碳環(huán)，表明LIG中存在高密度的結構缺陷。相比之下，F(xiàn)LR-LIG表現(xiàn)出較為有序的結構。實驗表明，飛秒激光處理后的樣品線電阻由593 Ω降至124 Ω（圖2）。該進展以“飛秒激光超快原子尺度修復激光誘導石墨烯（Femtosecond Laser Ultrafast Atomic Scale Renovating Laser-Induced Graphene）”為題發(fā)表于2025年5月9日的《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）。

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圖2.飛秒激光超快原子尺度修復石墨烯

研究團隊提出了利用飛秒激光表面處理在任意基底上原位構建多功能激光誘導石墨烯（LIG）的新策略。該方法幾乎完全消除了LIG對基底的限制，同時最大限度地保持了石墨烯的完整性和功能，優(yōu)于以往類似的研究。Raman光譜結果證實了LIG在紙、鋁、陶瓷和硅等各種基底表面的成功構建。隨后，以紙張為例研究了LIG的潤濕性、光熱轉換、電熱轉換和溫度傳感特性。實驗結果表明，紙基LIG材料具有高接觸角（~153.4°）、高吸收率（~98.8%）、低方阻（~82.0 Ω/sq-1）以及線性溫度系數(shù)（~0.089% ℃-1）。最后，我們提出的方法成功實現(xiàn)了紙張上的自清潔、太陽能加熱、電加熱和溫度傳感器功能，并通過LIG技術無縫集成（圖3）。該進展以“任意基底原位構建多功能飛秒激光誘導石墨烯（In situ construction of multifunctional femtosecond laser-induced graphene on arbitrary substrates）”為題于2025年5月7日發(fā)表在《材料視野》（Materials Horizons）上。

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圖3.飛秒激光多基底構筑石墨烯

據(jù)悉，原子級制造是物理、機械、材料等多學科交叉的前沿領域，該課題組與中南大學段吉安教授、以色列本古里安大學Christopher J. Arnusch教授等長期開展合作，相關研究工作得到了國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目、面上項目、國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目等支持，系列進展可為極端精密制造、先進顯示技術、光電功能器件等領域提供重要技術支撐。