浙大邱建榮團(tuán)隊(duì)《Science》超快激光3D直寫制造實(shí)現(xiàn)突破！

來源：材料基

近日，國際頂級(jí)期刊《科學(xué)》發(fā)表論文Three-dimensional direct lithography of stable perovskite nanocrystals in glass。該論文主要由浙江大學(xué)邱建榮教授團(tuán)隊(duì)與之江實(shí)驗(yàn)室光電智能計(jì)算研究中心研究專家譚德志團(tuán)隊(duì)合作完成，邱建榮和譚德志博士為論文共同第一作者、共同通訊作者。 丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征院士團(tuán)隊(duì)、上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)劉召軍教授團(tuán)隊(duì)等也給予了諸多指導(dǎo)和大力支持。

超快激光為光學(xué)材料“新貴”開辟新路徑

超快激光具有超快超強(qiáng)的特點(diǎn)，將超快激光聚焦到玻璃內(nèi)部時(shí)，會(huì)在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生超高電場、超高溫度、超高壓力等現(xiàn)象�；�于這一原理，在局部高溫高壓下，超快激光焦點(diǎn)處微米尺寸范圍內(nèi)的玻璃會(huì)出現(xiàn)納米相分離，簡單說來就是玻璃“融化”后，會(huì)在局部區(qū)域出現(xiàn)大小為幾個(gè)納米的新的相�！蓖ㄟ^調(diào)節(jié)激光參數(shù)，改變焦點(diǎn)范圍內(nèi)的溫度和壓力，就能夠?qū)�納米相的組成元素進(jìn)行調(diào)節(jié)。而通過控制激光輻照時(shí)間，則能讓納米相與周圍融化的玻璃基質(zhì)之間進(jìn)行離子交換，從而進(jìn)一步調(diào)控納米相的組成元素�！白T德志解釋說，切斷激光之后，這些分散的納米相就會(huì)發(fā)生晶化，形成一顆一顆納米晶。

近年來，鈣鈦礦成為光學(xué)領(lǐng)域的“新貴”，這種納米級(jí)別的半導(dǎo)體材料，由于其特殊的發(fā)光性能，在顯示及照明等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。具有不同組成元素的鈣鈦礦納米晶具有不同的半導(dǎo)體帶隙寬度，在紫外光或者藍(lán)光照射下可以發(fā)出不同顏色的光。研究團(tuán)隊(duì)通過精心設(shè)計(jì)及一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超快激光3D直寫技術(shù)可以在無色透明玻璃內(nèi)實(shí)現(xiàn)帶隙可控、任意形狀的三維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)�！袄�用激光直接改變納米晶的發(fā)光顏色，實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光連續(xù)可調(diào)，是我們在該領(lǐng)域的重大突破之一。在這之前，在材料內(nèi)部寫入發(fā)光連續(xù)可調(diào)的微納結(jié)構(gòu)幾乎是超乎想象的�！弊T德志表示。

為了獲得理想的超快激光直寫工藝，團(tuán)隊(duì)成功燒制出了均勻透明的前驅(qū)體玻璃，使得三維半導(dǎo)體納米晶結(jié)構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)。譚德志進(jìn)一步解釋說「傳統(tǒng)的納米晶及其器件制備工藝復(fù)雜，對制備環(huán)境要求高，成本高，且只能構(gòu)筑二維結(jié)構(gòu)。我們的技術(shù)是在玻璃中直寫，可以寫出任意想要的形狀，實(shí)現(xiàn)納米晶的三維構(gòu)造。」

該項(xiàng)研究的另一突破就是利用超快激光在玻璃內(nèi)3D直寫形成的鈣鈦礦納米晶表現(xiàn)出非常好的穩(wěn)定性�！糕}鈦礦存在穩(wěn)定性差的缺陷，光照、熱處理、氧氣、水蒸氣等，都會(huì)使其從光電性能良好的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，所以必須經(jīng)過嚴(yán)苛的封裝處理。而我們的技術(shù)是直接在玻璃內(nèi)激光直寫就可以，無需封裝�！棺T德志說。為了檢測納米晶的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)將制備后的材料放在強(qiáng)光下照射、在高溫火爐內(nèi)炙烤、在酒精中浸泡，甚至將玻璃碾碎成玻璃渣，在上述極端條件下，通過激光直寫的鈣鈦礦納米晶的發(fā)光特性依然穩(wěn)定。這些穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)充分表明該類器件可以在比較惡劣的條件下長期使用，這將大大延長相關(guān)顯示及照明設(shè)備的使用壽命�！蔽覀兊募夹g(shù)可以減少納米晶及其光電器件的制備工序，且所有過程不涉及到任何有機(jī)物，大大降低成本，同時(shí)提高了材料與器件的穩(wěn)定性。我們的研究表明納米晶玻璃在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、micro-LED、3D顯示、全息顯示等多個(gè)領(lǐng)域都將大有可為。我們的工作為超快激光極端制造以及玻璃等多個(gè)領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用場景�！白T德志說道。