量子點(diǎn)，是下一代顯示器件的關(guān)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(dòng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）、近眼顯示等領(lǐng)域的發(fā)展，助力人們?cè)谠钪嬷绣塾巍?/p>
清華團(tuán)隊(duì)研究出一種最新技術(shù)，利用全新的打印原理和機(jī)制，賦予3D納米打印技術(shù)更多的神奇特性。該技術(shù)有望提升VR顯示分辨率，讓人們看到一個(gè)高清的虛擬現(xiàn)實(shí)世界。
近日，清華大學(xué)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(shù)，利用光生高能載流子調(diào)控納米顆粒表面化學(xué)活性，實(shí)現(xiàn)納米粒子間化學(xué)鍵合的三維裝配。
研究團(tuán)隊(duì)在世界范圍內(nèi)首次應(yīng)用了全新的打印原理并展示了多種不同納米粒子的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在納米粒子器件化領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的突破。這項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了超越光學(xué)衍射極限的高精度激光微納制造，打印點(diǎn)陣列密度超過(guò)20000ppi，為超高分辨功能器件的制備提供了新思路。芝加哥大學(xué)Dmitri V. Talapin教授對(duì)該技術(shù)也給予了高度認(rèn)可和評(píng)價(jià)。
該成果于近日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上，題為“光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體量子點(diǎn)3D納米打印”（3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding）。
納米科學(xué)與技術(shù)作為21世紀(jì)最熱門的研究領(lǐng)域之一，對(duì)當(dāng)前集成化、智能化發(fā)展有著重要推動(dòng)作用，無(wú)論是在先進(jìn)電子設(shè)備，還是生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域，都隨處可見(jiàn)納米技術(shù)的應(yīng)用。
當(dāng)然，這些前沿應(yīng)用背后的原理是基于材料尺寸減小至納米尺度所產(chǎn)生的一系列奇特的物理、化學(xué)新效應(yīng)，包括半導(dǎo)體材料中的量子限域效應(yīng)與量子隧穿效應(yīng)、金屬材料出現(xiàn)的表面等離激元共振等。現(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(shù)，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(shí)現(xiàn)納米材料的三維制造。而另一方面，利用化學(xué)合成可以實(shí)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(zhì)量高、表面質(zhì)量好，光、電、磁等多方面性能優(yōu)越。然而這些化學(xué)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(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
針對(duì)以上難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合的新原理，實(shí)現(xiàn)了納米粒子的激光三維裝配技術(shù)，以各種納米粒子作為原料來(lái)組裝三維納米器件。以核殼結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)為例，利用激光激發(fā)量子點(diǎn)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，通過(guò)能級(jí)匹配，驅(qū)動(dòng)光生空穴的隧穿和表面遷移，促使量子點(diǎn)表面配體脫附并形成活性化學(xué)位點(diǎn)，進(jìn)而誘導(dǎo)量子點(diǎn)的表面化學(xué)成鍵，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)之間的高效組裝。
光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合的原理示意圖
這一新技術(shù)都有哪些令人耳目一新的特征？可以對(duì)哪些領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響呢？
基于以上原理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)激光束進(jìn)行聚焦與程序化掃描，實(shí)現(xiàn)了納米材料復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的精密成型。與現(xiàn)有的微納加工制備技術(shù)相比，這項(xiàng)技術(shù)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(shù)相比，這項(xiàng)技術(shù)突破了光聚合的原理限制，不需要任何光學(xué)粘合組分，實(shí)現(xiàn)了接近100%功能納米粒子組分的3D打印；三維加工能力強(qiáng)：能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜線性、彎曲和體結(jié)構(gòu)等多種三維結(jié)構(gòu)的納米打印，從而用于構(gòu)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(diǎn)作為原料，這項(xiàng)技術(shù)展示了多組分的異質(zhì)復(fù)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(xué)衍射極限，打印點(diǎn)陣列密度超過(guò)20000ppi，打印極限分辨率達(dá)到77nm，有助于實(shí)現(xiàn)超高分辨率顯示器件，推動(dòng)VR領(lǐng)域的發(fā)展。
量子點(diǎn)3D納米打印結(jié)構(gòu)形貌及熒光圖
值得一提的是，光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合的微納制造原理具有廣泛的材料和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，通過(guò)能級(jí)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多種半導(dǎo)體、金屬材料的高精度微納制造，開(kāi)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(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
該論文的共同第一作者為清華大學(xué)精密儀器系2019級(jí)博士生劉少峰、材料學(xué)院2021級(jí)博士生侯鄭為。清華大學(xué)為論文第一完成單位，論文通訊作者為清華大學(xué)精密儀器系孫洪波教授和林琳涵副教授。清華大學(xué)材料學(xué)院李正操教授、化學(xué)系張昊副教授、李馥博士以及精儀系方紅華副教授、2020級(jí)博士生趙曜、黎瀟澤為論文工作作出了重要貢獻(xiàn)。此外，這項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華-佛山創(chuàng)新專項(xiàng)基金和精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
“與學(xué)習(xí)知識(shí)與應(yīng)用知識(shí)有所不同，很多從0到1的基礎(chǔ)前沿研究自身應(yīng)該是創(chuàng)造知識(shí)的過(guò)程。課題組同學(xué)面對(duì)所觀測(cè)到的全新現(xiàn)象，在現(xiàn)有文獻(xiàn)相對(duì)比較匱乏的情況下，作了大膽的猜測(cè)和假定，不斷在知識(shí)的邊界點(diǎn)上探索，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷驗(yàn)證和排除，最終得到并證實(shí)了新的機(jī)制。現(xiàn)在，科研項(xiàng)目、研究方向的選擇有很多，我們會(huì)面向當(dāng)下國(guó)家和社會(huì)的需求，繼續(xù)做最有價(jià)值的前沿探索和技術(shù)攻關(guān)。”林琳涵說(shuō)。
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