清华大学科研团队提出纳米粒子的三维激光装配技术

近日，清华大学精密仪器系孙洪波教授、林琳涵副教授课题组提出了利用光生高能载流子调控纳米材料的表面化学活性，实现基于化学键合的纳米粒子三维激光装配新技术。基于这项技术，研究团队展示了多种不同纳米粒子的复杂三维结构和异质结构，实现了超越光学衍射极限的高精度激光微纳制造，为微纳功能器件的制备提供了新思路。

该成果于9月2日发表在《科学》（Science）期刊上，标题为“光激发诱导化学键合实现半导体量子点3D纳米打印”（3D Nanoprinting of Semiconductor Quantum Dots by Photo-Excitation-Induced Chemical Bonding）。

作为21世纪高新技术产生和发展的源头，纳米科学与技术源自于材料尺寸减小至纳米尺度所产生的一系列奇特的物理、化学新效应，包括半导体材料中的量子限制效应与量子隧穿效应、金属材料出现的表面等离激元共振等。现有的纳米器件的制备主要基于光刻、电子束曝光等微纳制造技术，仅适用有限种类的纳米材料，并且作为平面化制备工艺，难以实现纳米材料的三维制造。而另一方面，利用化学合成可以实现丰富多彩（不同尺寸、形貌、成分）纳米粒子的制备与精确裁制，并且这些纳米材料的晶体质量高、表面质量好，光、电、磁等多方面性能优越。然而这些化学合成的纳米粒子缺乏有效的器件化制备工艺，成为了其广泛应用的技术瓶颈。

针对以上难题，研究团队提出了光激发诱导化学键合的新原理，实现了纳米粒子的激光三维装配技术，以各种纳米粒子作为原料来组装三维纳米器件。以核壳结构的半导体量子点为例（图1所示），利用激光激发量子点产生电子-空穴对，通过能级匹配，驱动光生空穴的隧穿和表面迁移，促使量子点表面配体脱附并形成活性化学位点，进而诱导量子点的表面化学成键，实现量子点之间的高效组装。

图1.光激发诱导化学键合的原理示意图

基于以上原理，研究团队进一步对激光束进行聚焦与程序化扫描，实现了纳米材料复杂三维结构的精密成型。与现有的微纳加工制备技术相比，这项技术具有以下鲜明特征。打印材料纯度高：与现有的激光3D纳米打印技术相比，这项技术突破了光聚合的原理限制，不需要任何光学粘合组分，实现了接近100%功能纳米粒子组分的3D打印；三维加工能力强：能够实现复杂线性、弯曲和体结构等多种三维结构的纳米打印（图2）；打印分辨率高：利用非线性光激发，使打印分辨率突破光学衍射极限，打印点阵列密度超过20000ppi，打印极限分辨率达到77nm，并在大规模阵列化加工保持优良的均一性；具备多组分打印功能：以不同尺寸的量子点作为原料，这项技术还展示了多组分的异质复合打印能力（图3）。

图2.量子点3D纳米打印结构形貌图

图3.量子点RGB三色打印及异质图案化

论文展示了基于上述技术制备的高灵敏度光响应的量子点微型光电探测器。值得指出的是，光激发诱导化学键合的微纳制造原理具有广泛的材料和结构适应性，通过能级设计可以实现多种半导体、金属材料的高精度微纳制造，开辟了纳米器件制备工艺新途径，在片上光电器件集成、高性能近眼显示等领域具有重要的应用前景。

该论文的共同第一作者为清华大学精密仪器系2019级博士生刘少峰、材料学院2021级博士生侯郑为。清华大学为论文第一完成单位，论文通讯作者为清华大学精密仪器系孙洪波教授和林琳涵副教授。清华大学材料学院李正操教授、化学系张昊副教授、李馥博士以及精仪系方红华副教授等为论文工作作出了重要贡献。

这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华-佛山创新专项基金和精密测试技术及仪器国家重点实验室的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5345