聚焦离子束（Focued-ion-beam， FIB）刻蚀技术的基本原理是在电场和磁场的作用下，将离子束聚焦到亚微米甚至纳米量级，通过偏转系统和加速系统控制离子束的扫描运动，从而实现微纳米图形的刻蚀切割和无掩模加工。高能量粒子入射到固体样品表面后与固体原子发生碰撞，在这一过程中会将能量传递给固体原子，导致固体原子逸出固体表面，这就是聚焦离子束刻蚀技术的主要物理过程。目前常用的离子源有氦离子、氖离子和镓离子。氦离子显微镜（Helium Ion Microscopy， HIM）使用的光斑尺寸小，因而其散射长度相对较小；同时，HIM使用的短德布罗意波（Short de Broglie Wave）的波长是电子波长的1/100，这使得光束分辨率可达0.5nm。图5-15（a）展示了利用HIM加工得到的悬空石墨烯纳米带，宽度分别为20nm、10nm和5nm。 图5-15（b）则展示了利用HIM在多层石墨烯表面直接刻蚀得到的高分辨率校徽，说明了HIM具有高分辨直写的能力。

图5-15　氦离子束刻蚀石墨烯所获得的纳米图案的SEM图

（a）用HIM制备得到的不同宽度石墨烯纳米带；（b）用HIM在多层石墨烯表面制备得到的高分辨率哈佛大学校徽

利用HIM对石墨烯进行图案化是非常有意义的，通过精确控制离子束扫描可以制备高分辨率的石墨烯纳米带，可为带隙可调的石墨烯纳米图案的制备提供有效途径。结合掩模刻蚀技术和HIM，Zhou等制备了基于石墨烯纳米带的FET器件，该器件的制备流程图如图5-16（a）所示。首先，将在铜箔表面生长的石墨烯无损地转移到SiO2/Si基底上，利用光学曝光技术与金属镀膜和剥离工艺在石墨烯表面沉积欧姆接触金属电极Ti/Au；然后，利用光学曝光技术与氧等离子体刻蚀对石墨烯进行微米加工，得到石墨烯微米沟道；最后，利用氦离子束对石墨烯沟道进行原位精确刻蚀，得到纳米尺寸的石墨烯图案。通过氦离子束刻蚀加工所得到石墨烯纳米带阵列的SEM图如图5-16（b～f）所示，石墨烯纳米带最小宽度为5nm。他们将制备的石墨烯纳米带FET器件作为气体传感器，实现了对NO2气体的高灵敏度探测，最低检测浓度可达2×10－8。(www.daowen.com)

图5-16　聚焦离子束刻蚀技术加工石墨烯纳米带阵列

（a）FIB刻蚀技术加工石墨烯纳米带流程图；（b～f）FIB刻蚀技术制备的石墨烯纳米带阵列SEM图

HIM的主要优点是可实现无掩模、直接写入和纳米级加工，缺点是加工过程中离子束会与基底相互作用，从而对加工图案造成损伤。实验中通过拉曼光谱表征发现，石墨烯纳米带的ID/IG值变大，说明在图案化过程中石墨烯引入了缺陷。其他研究成果进一步表明，由于氦离子具有相对较大的相互作用体积，当在支撑基底上对石墨烯和其他二维材料进行图案化时，会产生相对大的后向散射离子和反冲原子，从而在预期的图案区域周围引入数百纳米的损伤。因此，应选择合适的光束能量和图案尺寸以最大限度地减少反向散射离子和反冲原子。研究表明，在石墨烯刻蚀过程中同步使用激光照射可以减少反向散射的He＋和反冲原子对石墨烯纳米带的损害作用，使得制备的石墨烯纳米带具有更高的电导率。