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實世界。
該成果以《光激發誘導化學鍵合實現半導體量子點3D納米打印》為題，近日發表在《科學》期刊上。
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、智能化發展有重要推動作用，無論是在先進電子設備，還是在生物醫學檢測等領域，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。
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，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。
據悉，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，這項技術具有鮮明特征：一是打印材料純度高，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；二是三維加工能力強，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，從而用于構造新功能三維光電器件；三是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；四是打印分辨率高，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，有助于實現超高分辨率顯示器件，推動VR領域的發展。”團隊相關負責人表示。
據了解，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、高性能傳感材料等領域具有重要的應用前景。
《光明日報》（ 2022年10月26日 11版）
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