近日，吉林大學劉岳峰教授，夏虹教授和清華大學孫洪波教授在Nano Letters合作發表研究論文“High-Resolution Patterning of Perovskite Quantum Dots via Femtosecond Laser Induced Forward Transfer”。該論文通過飛秒激光誘導正向轉移（FsLIFT）技術，成功實現了高分辨率全彩鈣鈦礦量子點陣列和任意微圖案。FsLIFT技術將轉移、沉積、圖案和對準集成在一個步驟中，并且不涉及掩模和化學試劑的使用，保證了鈣鈦礦量子點光物理特性不受影響。最終成功地實現了具有2μm線寬高分辨率的三基色鈣鈦礦量子點陣列。這項工作為促進基于圖案化鈣鈦礦量子點的各種實際應用的開發提供了一種有前景的策略。通過FsLIFT技術制備基于鈣鈦礦量子點的全彩圖案和陣列過程如圖 1a 所示。我們使用飛秒激光實現了鈣鈦礦量子點基于非線性吸收的轉移。飛秒激光聚焦在鈣鈦礦量子點薄膜和載體襯底之間的界面上，鈣鈦礦量子點通過非線性吸收引起等離子體的產生和膨脹。因此，激光輻照區域中的鈣鈦礦量子點可以轉移到接收襯底上。由于超短脈沖短于電子-聲子耦合時間，在激光和鈣鈦礦量子點相互作用的過程中，晶格仍然是“冷”的，因此沒有發生熱損傷，可以很好地保持鈣鈦礦量子點的光物理性質。圖1b-d展示了基于紅、綠和藍鈣鈦礦量子點的地球圖案的熒光照片。所得到的實驗結果說明FsLIFT技術具有制備圖案化鈣鈦礦量子點的能力。
圖1. （a） 通過FsLIFT制備鈣鈦礦量子點陣列的示意圖。綠色（b）、藍色（c）和紅色（d）鈣鈦礦量子點地球微圖案的熒光照片。在制備全彩鈣鈦礦量子點陣列之前，我們首先利用FsLIFT技術制備了單色鈣鈦礦量子點陣列。成功制備了50 μm、20 μm和2 μm寬度的綠色（圖2a-c）、藍色（圖2d-f）和紅色（圖2g-i）圖案化鈣鈦礦量子點陣列。可以看出，所制備的陣列不僅具有清晰的邊緣，而且表現出均勻明亮的熒光特性，這表明FsLIFT技術確實是無損的。即使在2 μm的高分辨率下，所制備的鈣鈦礦量子點陣列也完全沒有針孔和裂紋。
圖 2. 通過FsLIFT制備的不同分辨率的綠色（a-c）、藍色（d-f）和紅色（g-i）鈣鈦礦量子點陣列的熒光照片。為了驗證FsLIFT技術的高精度并探究轉印鈣鈦礦量子點的薄膜質量，對接收襯底和相應載體襯底上的鈣鈦礦量子點薄膜進行了SEM表征。如圖3a-c所示，激光輻照區域幾乎沒有殘留的鈣鈦礦量子點。輻照區域和未輻照區域的邊界完整、清晰、整齊。此外，未輻照區域的鈣鈦礦量子點薄膜沒有針孔和裂紋，這證實了FsLIFT的高精度加工特性。載體襯底上的鈣鈦礦量子點也可以重復用作多次轉移的材料源，來提高材料利用率。圖3d-f展示了接收襯底上寬度為50 μm、20 μm和2 μm的鈣鈦礦量子點陣列的SEM照片。轉印的陣列具有清晰的邊緣，并且轉移結果與熒光照片基本一致。這些實驗結果表明，所提出的FsLIFT技術可以有效地制備具有原始熒光特性和清晰邊緣的鈣鈦礦量子點陣列。
圖3.通過FsLIFT制備的載體襯底（a-c）和接收襯底（d-f）上鈣鈦礦量子點陣列的SEM照片。除了實現高分辨率圖案化制備外，確保鈣鈦礦量子點的光物理性質保持不變也是至關重要的。圖4a展示了旋涂的鈣鈦礦量子點薄膜和轉移后的圖案化鈣鈦礦量子點薄膜的PL光譜。顯然，轉移后前后的鈣鈦礦量子點薄膜的熒光峰位置和強度沒有移動和降低，這意味著鈣鈦礦量子點的熒光性能幾乎沒有受到影響。此外，旋涂和轉移的綠色鈣鈦礦量子點薄膜的TRPL光譜幾乎相同，如圖4b所示。在雙指數衰減擬合之后，旋涂的鈣鈦礦量子點薄膜在510 nm處的衰減時間約為6.998 ns，而轉移的鈣鈦礦量子點薄膜在510 nm處的衰減時間約為6.521 ns。極其接近的激發態壽命進一步證明了FsLIFT過程不會增加缺陷并降低激發態輻射復合幾率。基于PL和TRPL結果，我們可以推斷在FsLIFT之后，鈣鈦礦量子點的光物理性質可以得到很好的保留。
圖4. 旋涂PQD膜和激光轉移PQD膜的PL光譜（a）、在405nm激發并在510nm波長下測試的TRPL光譜（b）。得益于飛秒激光直寫系統的靈活性，所提出的FsLIFT技術也可以用于制備具有復雜圖案的全彩鈣鈦礦量子點。圖5a-c展示了全彩鈣鈦礦量子點蝴蝶微圖案的熒光照片。制備的全彩圖案說明了FsLIFT技術具有根據設計制備彩色微圖案的能力。對于顯示應用來說，關鍵的挑戰是將對齊的RGB子像素精確制備在像素內的指定位置。因此，利用FsLIFT工藝重復轉移RGB鈣鈦礦量子點薄膜，可以來實現高分辨率全彩顯示應用。如圖5d-f所示，已經成功地制備了尺寸為50 μm、20 μm和2 μm 的全彩鈣鈦礦量子點陣列，這對顯示應用具有重要意義。FsLIFT是一種簡單靈活的PQD圖案化方法工藝來滿足多種實際需求。
圖 5. （a-c）全彩鈣鈦礦量子點圖案的熒光照片。分辨率分別為50 μm（d）、20 μm（e）和2 μm（f）鈣鈦礦量子點陣列的熒光照片。這項工作開發了一種高效、無掩模、靈活且可編程的FsLIFT技術來制備高精度圖案化的鈣鈦礦量子點。該技術集鈣鈦礦量子點的轉移、沉積、圖案化和對準于一步，并且不需要掩模版和化學試劑處理。所制備的全彩鈣鈦礦量子點陣列的最高分辨率可以達到2μm。制備的圖案化鈣鈦礦量子點薄膜具有清晰邊緣，并且光物理性質和薄膜質量也得到了很好的保留。高分辨率圖案化FsLIFT技術可以極大地促進基于鈣鈦礦量子點的各種實際應用，包括防偽、信息加密和高分辨率顯示。該論文的第一作者為吉林大學電子科學與工程學院博士生梁書語，通訊作者為吉林大學劉岳峰教授，夏虹教授和清華大學孫洪波教授。劉岳峰教授近年來聚焦熒光材料的高分辨率圖案化技術，針對近眼顯示，光學成像和熒光防偽等應用，開發了基于飛秒激光加工技術的一系列熒光材料圖案化方案，包括沉積，燒蝕，前向轉移等。
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