近期，中南大学物理学院银恺教授、何军教授课题组在超快激光原子级制造领域取得多项研究成果，相关论文分别发表于国际知名期刊《ACS Nano》、《Advanced Functional Materials》和《Materials Horizons》。
研究团队提出了一种基于飞秒激光直写（FsLDW）技术的仿生多级结构制造策略，利用飞秒激光超短脉冲与高能量密度特性精准控制表面温度，诱导钙钛矿晶体定向生长，形成发光优异的图案化阵列。针对钙钛矿本征稳定性不足，创新性提出双层仿生策略：激光烧蚀使表面形成类似荷叶的微纳分级结构，结合激光诱导含氟官能团富集及PVDF固有低表面能实现超疏水；同时，PVDF的低导热性在亚表面为CsPbX3量子点提供温和结晶环境，避免热分解，并通过激光调控实现全光谱可调多色荧光。最终制备的超疏水多色钙钛矿薄膜具备全光谱发射、优异柔性、高分辨率和自清洁能力，在复杂天气下表现出优异的耐用性（图1）。该进展以“Femtosecond Laser Atomic–Nano–Micro Fabrication of Biomimetic Perovskite Quantum Dots Films toward Durable Multicolor Display”为题于2025年6月19日发表在《ACS Nano》。
图1. 飞秒激光原子-纳米-微米级制造仿生钙钛矿量子点薄膜
研究团队提出了一种飞秒激光超快原子尺度修复激光诱导石墨烯（LIG）的新策略。飞秒激光辐照LIG会产生超快高温光热脉冲，引发瞬时加热和冷却过程，这为碳原子重排提供了热力学和动力学条件，从而促进LIG中结构缺陷的修复。XPS分析证实，飞秒激光修复前后样品中sp2和sp3杂化碳原子比例的显著差异。经过飞秒激光处理后，缺陷相关的sp3杂化比例从30.9%下降到17.6%，而sp2杂化比例则从44.8%增加到56.8%，显示出LIG拓扑结构的修复。飞秒激光修复后ID/IG从1.52减少至1.04。球差校正透射电子显微镜图像表明LIG主要呈非晶态，同时存在各种扭曲的五元、六元和七元碳环，表明LIG中存在高密度的结构缺陷。相比之下，FLR-LIG表现出较为有序的结构。实验表明，飞秒激光处理后的样品线电阻由593 Ω降至124 Ω（图2）。该进展以“Femtosecond Laser Ultrafast Atomic Scale Renovating Laser-Induced Graphene”为题于2025年5月9日发表在《Advanced Functional Materials》。
图2. 飞秒激光超快原子尺度修复石墨烯
研究团队提出了利用飞秒激光表面处理在任意基底上原位构建多功能激光诱导石墨烯（LIG）的新策略。该方法几乎完全消除了LIG对基底的限制，同时最大限度地保持了石墨烯的完整性和功能，优于以往类似的研究。Raman光谱结果证实了LIG在纸、铝、陶瓷和硅等各种基底表面的成功构建。随后，以纸张为例研究了LIG的润湿性、光热转换、电热转换和温度传感特性。实验结果表明，纸基LIG材料具有高接触角（~153.4°）、高吸收率（~98.8%）、低方阻（~82.0 Ω/sq-1）以及线性温度系数（~0.089% ℃-1）。最后，我们提出的方法成功实现了纸张上的自清洁、太阳能加热、电加热和温度传感器功能，并通过LIG技术无缝集成（图3）。该进展以“In situ construction of multifunctional femtosecond laser-induced graphene on arbitrary substrates”为题于2025年5月7日发表于《Materials Horizons》。
图3. 飞秒激光多基底构筑石墨烯
原子级制造是物理、机械、材料等多学科交叉的前沿领域，课题组与中南大学段吉安教授、以色列本古里安大学Christopher J. Arnusch教授等开展长期合作，相关研究工作得到了国家自然科学基金优青、面上、国家重点研发计划青年科学家项目等支持，系列进展可以为极端精密制造、先进显示技术、光电功能器件等领域提供重要技术支撑。
