JPCC综述｜激光诱导二维材料改性：从原子尺度到电子尺度

通讯作者：林琳涵，孙洪波；清华大学精密仪器系

作者： Yuan Liu (刘渊), Linhan Lin (林琳涵), Hong-Bo Sun (孙洪波)

二维材料由于其原子级的厚度和独特的性质，如高结合能、可调带隙和新的电子自由度（谷电子学），引起了人们的广泛关注。它们在微电子、纳米光子学、纳米能源等领域有许多应用前景。各种二维材料在个物理特性方面各有优劣，对二维材料进行改性可使其应用范围突破材料原有属性的制约。激光改性作为一种非接触式加工技术，具有高效率、高灵活性和高时空分辨率的特点，是对二维材料改性的有力手段。

图1. 通过监测厚度和/或自钝化来精确控制激光减薄二维材料

近日，清华大学林琳涵副教授和孙洪波教授在JPCC上发表了综述文章二维材料光学改性：从原子尺度到电子尺度。

图2. 激光辅助缺陷修复和激子调制

在过去的十多年里，光与二维材料之间的相互作用备受关注。电子在光照下的激发可被利用到光电子和纳米光子器件中，对各种光与二维材料相互作用的过程深刻理解使研究者可以改变二维材料的几何形貌、化学成分、电子结构甚至原子结构。这提供了新的策略来按需操纵二维材料的光学、热学或电学性质，并进一步扩展其应用。在激光对二维材料的改性过程中，激光可以直接激发二维材料中的电子，改变二维材料的电子结构甚至原子结构，实现光电导调控及光致超快相变；也可以作为改性过程中热的能量来源，通过光热效应间接实现对二维材料改性，实现二维材料的氧化和升华刻蚀、光热相变、氧化石墨烯的光热还原等；在激光诱导掺杂和一些氧化反应中，激光还可以协助二维材料与其他物质发生反应生成性能优异的新材料。聚焦于石墨烯和过度金属硫族化合物 (TMDs)，作者从不同的角度回顾了光和二维材料之间的相互作用，并讨论了前沿光学加工改性技术，以改变二维材料的形态和原子结构，并根据需要调整其电学和光学性能；概述了其基本机制、技术发展及其应用并介绍了对未来挑战和机遇的看法。

文章讨论了二维材料激光改性过程中的光-物质相互作用，回顾和总结了对二维材料几何形貌、化学成分、电子结构以至原子结构改性的前沿光学技术；此外，文章还讨论了这些技术在各种基于二维材料的器件制备中的应用。然而，现有光学改性技术还远远不够完善，未来的技术创新值得期待。了解激光和二维材料之间，光与物质相互作用过程中的物理原理是获得新技术的关键。

相关论文发表在JPCC上，清华大学博士研究生刘渊为文章的第一作者， 林琳涵副教授和孙洪波教授为通讯作者。

林琳涵：清华大学精密仪器系副教授。于清华大学获材料科学与工程学士学位（2008年）和博士学位（2013年）。2014年至2019年间，在密歇根大学迪尔伯恩分校和UT奥斯汀分校担任博士后。研究兴趣包括创新制造、健康和能源领域的光学纳米技术及跨学科研究。他是OSA和COS高级会员。

课题组主页：

http://faculty.dpi.tsinghua.edu.cn/home/linlh2019

孙洪波：清华大学精密仪器系教授。分别于1992年、1996年获吉林大学电子学士和博士学位。2004年晋升为吉林大学教授（长江学者）；自2017年以来在中国清华大学工作。研究兴趣包括超快激光和纳米光子学。他是IEEE、OSA、SPIE和COS的Fellow。

课题组主页：

http://faculty.dpi.tsinghua.edu.cn/home/hbsun