清華團隊實現(xiàn)激光納米3D打印技術新突破，登上Science

來源：清華大學

量子點，是下一代顯示器件的關鍵材料。更小的發(fā)光單元尺寸，更高的器件集成密度，可以推動虛擬現(xiàn)實技術（VR）、近眼顯示等領域的發(fā)展，助力人們在元宇宙中遨游，清華團隊研究出一種最新技術，利用全新的打印原理和機制，賦予3D納米打印技術更多的神奇特性。該技術有望提升VR顯示分辨率，讓人們看到一個高清的虛擬現(xiàn)實世界。

近日，清華大學精密儀器系孫洪波教授、林琳涵副教授課題組提出了一種全新的納米顆粒激光3D打印技術，利用光生高能載流子調控納米顆粒表面化學活性，實現(xiàn)納米粒子間化學鍵合的三維裝配。

研究團隊在世界范圍內首次應用了全新的打印原理并展示了多種不同納米粒子的復雜三維結構和異質結構，在納米粒子器件化領域實現(xiàn)了新的突破。這項技術實現(xiàn)了超越光學衍射極限的高精度激光微納制造，打印點陣列密度超過20000ppi，為超高分辨功能器件的制備提供了新思路。芝加哥大學Dmitri V. Talapin教授對該技術也給予了高度認可和評價。

該成果于近日發(fā)表在《科學》（Science）期刊上，題為“光激發(fā)誘導化學鍵合實現(xiàn)半導體量子點3D納米打印”（3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding）。

納米科學與技術作為21世紀最熱門的研究領域之一，對當前集成化、智能化發(fā)展有著重要推動作用，無論是在先進電子設備，還是生物醫(yī)學檢測等領域，都隨處可見納米技術的應用。

當然，這些前沿應用背后的原理是基于材料尺寸減小至納米尺度所產生的一系列奇特的物理、化學新效應，包括半導體材料中的量子限域效應與量子隧穿效應、金屬材料出現(xiàn)的表面等離激元共振等?，F(xiàn)有的納米器件的制備主要基于光刻、電子束曝光等微納制造技術，僅適用有限種類的納米材料，并且作為平面化制備工藝，難以實現(xiàn)納米材料的三維制造。而另一方面，利用化學合成可以實現(xiàn)豐富多彩（不同尺寸、形貌、成分）納米粒子的制備與精確裁制，并且這些納米材料的晶體質量高、表面質量好，光、電、磁等多方面性能優(yōu)越。然而這些化學合成的納米粒子缺乏有效的器件化制備工藝，成為了其廣泛應用的技術瓶頸。

針對以上難題，研究團隊提出了光激發(fā)誘導化學鍵合的新原理，實現(xiàn)了納米粒子的激光三維裝配技術，以各種納米粒子作為原料來組裝三維納米器件。以核殼結構的半導體量子點為例，利用激光激發(fā)量子點產生電子-空穴對，通過能級匹配，驅動光生空穴的隧穿和表面遷移，促使量子點表面配體脫附并形成活性化學位點，進而誘導量子點的表面化學成鍵，實現(xiàn)量子點之間的高效組裝。

△光激發(fā)誘導化學鍵合的原理示意圖

這一新技術都有哪些令人耳目一新的特征？可以對哪些領域產生深遠的影響呢？

基于以上原理，研究團隊進一步對激光束進行聚焦與程序化掃描，實現(xiàn)了納米材料復雜三維結構的精密成型。與現(xiàn)有的微納加工制備技術相比，這項技術具有以下鮮明特征：

• 打印材料純度高：與現(xiàn)有的激光3D納米打印技術相比，這項技術突破了光聚合的原理限制，不需要任何光學粘合組分，實現(xiàn)了接近100%功能納米粒子組分的3D打?。?li>三維加工能力強：能夠實現(xiàn)復雜線性、彎曲和體結構等多種三維結構的納米打印，從而用于構造新功能三維光電器件；
• 具備多組分打印功能：以不同尺寸的量子點作為原料，這項技術展示了多組分的異質復合打印能力；
• 打印分辨率高：利用非線性光激發(fā)，使打印分辨率突破光學衍射極限，打印點陣列密度超過20000ppi，打印極限分辨率達到77nm，有助于實現(xiàn)超高分辨率顯示器件，推動VR領域的發(fā)展。
  

△量子點3D納米打印結構形貌及熒光圖

值得一提的是，光激發(fā)誘導化學鍵合的微納制造原理具有廣泛的材料和結構適應性，通過能級設計可以實現(xiàn)多種半導體、金屬材料的高精度微納制造，開辟了納米器件制備工藝新途徑，在片上光電器件集成、高性能傳感材料等領域具有重要的應用前景。

該論文的共同第一作者為清華大學精密儀器系2019級博士生劉少峰、材料學院2021級博士生侯鄭為。清華大學為論文第一完成單位，論文通訊作者為清華大學精密儀器系孫洪波教授和林琳涵副教授。清華大學材料學院李正操教授、化學系張昊副教授、李馥博士以及精儀系方紅華副教授、2020級博士生趙曜、黎瀟澤為論文工作作出了重要貢獻。此外，這項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、清華-佛山創(chuàng)新專項基金和精密測試技術及儀器國家重點實驗室的資助。

“與學習知識與應用知識有所不同，很多從0到1的基礎前沿研究自身應該是創(chuàng)造知識的過程。課題組同學面對所觀測到的全新現(xiàn)象，在現(xiàn)有文獻相對比較匱乏的情況下，作了大膽的猜測和假定，不斷在知識的邊界點上探索，并通過實驗不斷驗證和排除，最終得到并證實了新的機制?，F(xiàn)在，科研項目、研究方向的選擇有很多，我們會面向當下國家和社會的需求，繼續(xù)做最有價值的前沿探索和技術攻關?！绷至蘸f。