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利用光生高能載流子調控納米材料的表面化學活性，實現基于化學鍵合的納米粒子三維激光裝配新技術。基于這項技術，研究團隊展示了多種不同納米粒子的復雜三維結構和異質結構，實現了超越光學衍射極限的高精度激光微納制造，為微納功能器件的制備提供了新思路。該成果于9月2日發表在《科學》（Science）期刊上，標題為“光激發誘導化學鍵合實現半導體量子點3D納米打印”（3D Nanoprinting of Semiconductor Quantum Dots by Photo-Excitation-Induced Chemical Bonding）。
作為21世紀高新技術產生和發展的源頭，納米科學與技術源自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制效應與量子隧穿效應、金屬材料出現的表面等離激元共振等。現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，難以實現納米材料的三維制造。而另一方面，利用化學合成可以實現豐富多彩（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誘導化學鍵合的新原理，實現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（圖1所示），利用激光激發量子點產生電子-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，實現量子點之間的高效組裝。
圖1.光激發誘導化學鍵合的原理示意圖
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，實現了納米材料復雜三維結構的精密成型。與現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，實現了接近100%功能納米粒子組分的3D打印；三維加工能力強：能夠實現復雜線性、彎曲和體結構等多種三維結構的納米打印（圖2）；打印分辨率高：利用非線性光激發，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，并在大規模陣列化加工保持優良的均一性；具備多組分打印功能：以不同尺寸的量子點作為原料，這項技術還展示了多組分的異質復合打印能力（圖3）。
圖2.量子點3D納米打印結構形貌圖
圖3.量子點RGB三色打印及異質圖案化
論文展示了基于上述技術制備的高靈敏度光響應的量子點微型光電探測器。值得指出的是，光激發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、高性能近眼顯示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等為論文工作作出了重要貢獻。
這項研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、清華-佛山創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。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5345
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