普林斯頓大學首次3D打印完整的量子點LED

        3D打印迄今仍然局限于特定塑料、被動導體，和幾種生物材料。但普林斯頓大學的研究團隊已經成功3D打印出基于量子點的LED（QD-LED），顯示出不同類型的材料可以3D打印，并完全集成到具有有源器件性能的組件中。

        “使用3D打印實現不同材質的無縫集成是一個巨大的挑戰(zhàn)。”普林斯頓大學教授Michael McAlpine指出。

        在他們發(fā)表在《Nano Letters》上的報告中，研究者描述了五種不同材料的無縫交織，其中包括：1）光致發(fā)光半導體的無機納米粒子；2）一種彈性體基質；3）作為電荷傳輸層的有機聚合物；4）固體和液體金屬引線；5）UV粘合透明基板層。

        該研究團隊的做法包括三個關鍵步驟。 首先，確定電極、半導體和聚合物具有期望的功能和以可打印的形式呈現；接著，小心確保這些材料可溶解于正交溶劑，以免在逐層打印過程中損害到下面層的完整性；最后，這些材料的交織圖案是通過CAD設計的構建體上直接分配來實現的。

       
        科技媒體ExtremeTech報道說，研究小組使用了一臺自己開發(fā)的3D打印機，“現成的3D打印機都無法勝任這項工作。”研究團隊的Ryan Whitwam說。“我們花了半年多的時間和2萬美元才制造出所需要的3D打印機?！?br />

        每個量子點LED的底部層都是由銀納米顆粒構成的，它們正好將LED與電子電路連接起來。在其頂部是兩個聚合物層，推動電流朝上進入下一層。這里就是真正的“量子點”所在之處——它們是納米級的半導體晶體，是包裹在硫化鋅外殼中的硒化鎘納米顆粒。每當一個電子撞擊這些納米粒子，它們就會發(fā)出橙色或綠色的光。光的顏色可以通過改變納米顆粒的尺寸來控制。頂層是一個比較普通的鎵銦磷材料，用來引導電子遠離發(fā)光二極管。

        3D打印的嵌入式QLED的2×2×2的多維矩陣。

        作為概念驗證，研究團隊3D打印了其中一種基于量子點的LED（QD-LED，基于硒化鎘納米粒子，硫化鋅外殼，頂層為銦鎵），該QD-LED表現出純和可調色彩的發(fā)光特性。

        通過進一步融入表面拓撲結構的三維掃描，研究團隊還能將QD-LED打印到具有曲線形的表面的設備上，如接觸透鏡。

        CAD模型上顯示QD-LED元件保形集成到曲線基板上。

        研究團隊展示的第三個例子是一個封裝的LED 2×2×2立方體，據了解，該立方體中的每個組件和電子設備都是3D打印的。這就證明這種難以使用標準的微加工技術完成的新型架構可以通過3D打印來構建。

        總體而言，研究團隊表示，結果表明，3D打印的應用潛力比我們已經知道的要廣泛得多，并能集成許多不同類型的材料。

        工作中的3D打印QD-LED的低分辨率圖像

        “我們預計，這一般策略可擴展到3D打印其他類型的有源器件，如MEMS器件、晶體管、太陽能電池和光電二極管等。”McAlpine教授表示?！翱傮w來說，我們的結果展現了一些令人興奮的應用，包括通過幾何剪裁含有LED和多傳感器的設備，為研究神經回路的光遺傳學提供了新的工具。”

        同時3D打印有源電子元件與生物構建體可能導致新的仿生裝置的出現，比如通過光刺激神經細胞的假體植入物。

        據研究團隊介紹，他們今后的工作將著重解決一些關鍵挑戰(zhàn)，其中包括：1）增加3D打印機的分辨率，使其能夠3D打印更小的設備；2）改進打印設備的性能和打印速度；3）集成其它類別的納米級功能，組成模塊和設備，包括半導體，電漿子（plasmonic）和鐵電物質（ferroelectric）等。