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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，讓人們看到一個高清的虛擬現(xiàn)實(shí)世界。
該成果以《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》為題，近日發(fā)表在《科學(xué)》期刊上。
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，對當(dāng)前集成化、智能化發(fā)展有重要推動作用，無論是在先進(jìn)電子設(shè)備，還是在生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域，都隨處可見納米技術(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)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。
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，成為其廣泛應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。
針對以上難題，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，通過能級匹配，驅(qū)動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。
據(jù)悉，基于以上原理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對激光束進(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(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；二是三維加工能力強(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；三是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；四是打印分辨率高，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VR領(lǐng)域的發(fā)展。”團(tuán)隊(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示。
據(jù)了解，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，通過能級設(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。
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