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利用光生高能載流子調(diào)控納米材料的表面化學(xué)活性，實(shí)現(xiàn)基于化學(xué)鍵合的納米粒子三維激光裝配新技術(shù)?；谶@項(xiàng)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)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)，實(shí)現(xiàn)了超越光學(xué)衍射極限的高精度激光微納制造，為微納功能器件的制備提供了新思路。該成果于9月2日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）期刊上，標(biāo)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 Photo-Excitation-Induced Chemical Bonding）。

作為21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的源頭，納米科學(xué)與技術(shù)源自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)體材料中的量子限制效應(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（圖1所示），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(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。

圖1.光激發(fā)誘導(dǎo)化學(xué)鍵合的原理示意圖

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??；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?。▓D2）；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，并在大規(guī)模陣列化加工保持優(yōu)良的均一性；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)還展示了多組分的異質(zhì)復(fù)合打印能力（圖3）。

圖2.量子點(diǎn)3D納米打印結(jié)構(gòu)形貌圖

圖3.量子點(diǎn)RGB三色打印及異質(zhì)圖案化

論文展示了基于上述技術(shù)制備的高靈敏度光響應(yīng)的量子點(diǎn)微型光電探測器。值得指出的是，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、高性能近眼顯示等領(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級博士生劉少峰、材料學(xué)院2021級博士生侯鄭為。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等為論文工作作出了重要貢獻(xiàn)。

這項(xiàng)研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、清華-佛山創(chuàng)新專項(xiàng)基金和精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

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