清華大學(xué)重磅《Science》！3D打印納米晶體！超出衍射極限分辨率！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

三維 (3D) 激光納米打印允許無掩模制造具有納米級分辨率的各種納米結(jié)構(gòu)。然而，無機(jī)納米結(jié)構(gòu)的 3D 制造通常需要納米材料-聚合物復(fù)合材料，并且受到光聚合機(jī)制的限制，導(dǎo)致材料純度降低和固有性能退化。

2022年9月2日，南極熊獲悉，清華大學(xué)孫洪波及林琳涵共同通訊在Science 在線發(fā)表題為“3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding”的研究論文，該研究開發(fā)了一種獨(dú)立于聚合的激光直寫技術(shù)，稱為光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合。

在沒有任何添加劑的情況下，半導(dǎo)體量子點(diǎn)內(nèi)部激發(fā)的空穴被轉(zhuǎn)移到納米晶體表面并提高其化學(xué)反應(yīng)性，從而導(dǎo)致粒子間化學(xué)鍵合。 作為概念驗(yàn)證，該研究以超出衍射極限的分辨率打印了任意 3D 量子點(diǎn)架構(gòu)。 該研究將使自由形式的量子點(diǎn)光電器件的制造成為可能，例如發(fā)光器件或光電探測器。

基于激光的納米打印具有低至納米級的高分辨率，但它通常依賴于光聚合，并且僅限于光固化樹脂。超越聚合物的功能性納米材料的三維 (3D) 制造仍然具有挑戰(zhàn)性。一種策略是使用 3D 聚合物骨架作為無機(jī)材料保形沉積的掩膜，從而產(chǎn)生有機(jī)-無機(jī)納米雜化物。 然而，不需要的聚合物骨架的存在會降低材料的純度并阻礙其固有的機(jī)械或物理性能。

雖然聚合物模板可以被蝕刻掉，但只能獲得中空的無機(jī)結(jié)構(gòu)。另一種策略是將光固化單體與無機(jī)納米材料混合，即光固化納米復(fù)合材料，用于直接激光打印。 固化后的聚合物可以通過后燒結(jié)去除，但這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)收縮和缺陷產(chǎn)生 。

圖一、PEB的工作原理。

圖二、 納米像素打印和QD表征。

圖三、線性、彎曲和體積3D納米結(jié)構(gòu)。

圖四、多色顯示和異構(gòu)打印。


解決這些問題的關(guān)鍵是開發(fā)一種超越光聚合的打印機(jī)制。Talapin等人設(shè)計(jì)了在光照射下分解的光活性配體，用于直接光學(xué)光刻。然而，這種方法需要對特定納米晶體具有選擇性的表面配體的復(fù)雜設(shè)計(jì)。在該研究工作中，以半導(dǎo)體量子點(diǎn)（QDs）為例，提出了一種策略，利用光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對來改變 QDs 的表面化學(xué)，從而誘導(dǎo)粒子間化學(xué)鍵合，研究人員稱之為光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合（PEB）。

使用半導(dǎo)體量子點(diǎn)是因?yàn)樗鼈兡軌蛟诩ぐl(fā)下產(chǎn)生電子-空穴對。這種高能載體一旦被捕獲，就可以改變局部電子狀態(tài)并調(diào)整粒子間鍵合的化學(xué)反應(yīng)性。作為概念驗(yàn)證，該研究以超出衍射極限的分辨率打印了任意 3D 量子點(diǎn)架構(gòu)。 該研究將使自由形式的量子點(diǎn)光電器件的制造成為可能，例如發(fā)光器件或光電探測器。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5345