哈工大全媒体（阚思邈 管延超/文 管延超/图）近日，我校机电工程学院航空宇航制造工程系杨立军教授、丁烨副教授团队和材料科学与工程学院李洋教授团队提出了一种在空气中利用远场飞秒激光刻蚀技术在二维多层NbOI₂材料上直写超分辨纳米沟槽阵列结构的新方法。相关研究成果以《远场飞秒激光空气环境下驱动二维范德华铌氧碘七十三分之一激光波长（NbOI₂ λ/73）超分辨纳米结构的制备》（Far-field femtosecond laser-driven λ/73 super-resolution fabrication of 2D van der Waals NbOI2 nanostructures in ambient air）为题发表在《自然通讯》（Nature Communication）上。该研究涉及机械-光学-材料的学科交叉，突破了纳米结构激光制备的分辨率瓶颈，对创新功能架构构建、电子器件集成及纳米光子学发展具有重要意义。
传统的聚焦离子束刻蚀、电子束光刻结合离子刻蚀等方法普遍存在成本高、工艺复杂、低效率、高损伤等局限，发展快速高效、灵活可控的纳米图案化方法至关重要。传统激光直写受限于光学衍射极限，最小特征尺寸通常为半波长量级，制约超细纳米结构制备。近年来，光场调制、远场诱导近场效应等激光加工方法在纳米结构制备方面取得进展，但复杂光学系统设计与严苛操作条件限制了其发展。激光诱导周期性表面结构（LIPSS）技术因无需复杂光路和环境条件即可制备微纳阵列结构而备受关注，但材料不可控烧蚀损伤问题阻碍了其在二维材料纳米结构制备中的应用。如何在空气环境中利用激光诱导周期性表面结构制备规则有序的二维材料纳米阵列结构并拓展器件应用仍需深入探索。
针对上述难题，团队提出了一种在空气中利用远场飞秒激光刻蚀技术在多层铌氧碘（NbOI₂）材料上制备超分辨纳米沟槽阵列结构的方法，实现了低至14.5 纳米七十三分之一激光波长（λ/73）的沟槽宽度。结构表征表明，纳米沟槽阵列结构在保留铌氧碘（NbOI₂）单晶本征结构特征的同时，形成了宽度仅3.2纳米的非晶态氧化铌（Nb₂O₅）边缘。团队经过数值模拟与实验研究，揭示了纳米沟槽阵列结构的形成机制源于飞秒激光诱导的表面等离激元周期场与纳米沟槽局域近场增强效应的耦合作用，通过调控激光脉冲数、能量密度及偏振方向等参数，实现了纳米沟槽间距、密度与取向的精确调控，同时基于纳米沟槽阵列结构带来的丰富的铌氧碘-氧化铌（NbOI₂-Nb₂O₅）异质结及其协同作用机制，制备了基于纳米沟槽阵列结构的铌氧碘（NbOI₂）气体传感器。实验证明，该传感器展现出优异的二氧化氮（NO₂）传感性能（响应时间5.1秒）。该研究为二维材料功能器件的纳米光刻技术发展提供了新思路。
飞秒激光诱导二维铌氧碘（NbOI₂）超分辨纳米沟槽阵列结构的制备
纳米沟槽阵列-NbOI₂铌氧碘（NbOI₂）气体传感器的性能表征与增强机制分析
哈工大为论文第一完成单位。机电工程学院博士研究生管延超与机电工程学院丁烨副教授为论文共同第一作者，哈工大机电工程学院杨立军教授、材料科学与工程学院李洋教授，上海交通大学方裕强副教授为论文共同通讯作者。
该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-59520-9