浙江大學(xué)邱建榮團(tuán)隊超快激光三維極端制造實現(xiàn)突破

來源：之江實驗室

近日,，國際頂級期刊《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)隊與之江實驗室光電智能計算研究中心研究專家譚德志團(tuán)隊合作完成,，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,、上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊和南方科技大學(xué)劉召軍教授團(tuán)隊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，將超快激光聚焦到玻璃內(nèi)部時,，會在焦點附近產(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,，超快激光焦點處微米尺寸范圍內(nèi)的玻璃會出現(xiàn)納米相分離,，簡單說來就是玻璃「融化」后，會在局部區(qū)域出現(xiàn)大小為幾個納米的新的相,�,！竿ㄟ^調(diào)節(jié)激光參數(shù)，改變焦點范圍內(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,�,！棺T德志解釋說，切斷激光之后,，這些分散的納米相就會發(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)隊通過精心設(shè)計及一系列實驗發(fā)現(xiàn),，超快激光3D直寫技術(shù)可以在無色透明玻璃內(nèi)實現(xiàn)帶隙可控、任意形狀的三維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu),�,！咐�用激光直接改變納米晶的發(fā)光顏色，實現(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,�,！棺T德志表示。

為了獲得理想的超快激光直寫工藝,，團(tuán)隊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，實現(xiàn)納米晶的三維構(gòu)造,�,！�

該項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。「鈣鈦礦存在穩(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)定性實驗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�,！肝覀兊募夹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、micro-LED,、3D顯示,、全息顯示等多個領(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領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用場景,�,！棺T德志說道。

作者簡介

邱建榮,，2001年獲得國家杰出青年基金,，2008年入選教育部長江特聘教授，現(xiàn)任教育部“玻璃光纖材料與器件”創(chuàng)新團(tuán)隊帶頭人,。主要從事功能玻璃,、超快激光與玻璃相互作用以及無機(jī)發(fā)光材料的研究。迄今為止發(fā)表SCI收錄論文500余篇（其中Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. Lett., Nano Lett.等影響因子大于3的300余篇），被SCI他引10000余次,。申請專利125項,，授權(quán)54項（國外4項）。8項研究成果被Nature的Science update等作了介紹,。1999年獲得日本稀土學(xué)會足立獎（每年1名）,。2005年獲得國際Otto-Schott研究獎（華人唯一），2007年獲得日本陶瓷協(xié)會學(xué)術(shù)獎（華人首次）,。兼任了中國硅酸鹽學(xué)報,、J. Non-Cryst. Solids, Int. J. Appl. Glass Sci., Frontiers in Materials-Glass Science等期刊的副主編或編委。

譚德志,，之江實驗室PI,，2014年畢業(yè)于浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，獲得博士學(xué)位,。曾在加拿大蒙特利爾工學(xué)院,、新加坡南洋理工大學(xué)、日本京都大學(xué)（JSPS Fellow）,、韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（Research Professor）,，浙江大學(xué)等單位任職。近年主持或者作為學(xué)術(shù)骨干參與多項國家基金委基金,、重點研發(fā)計劃項目,、重點項目以及華為委托研發(fā)項目等。在超快激光微納加工,、光學(xué)納米材料,、二維材料及其異質(zhì)結(jié)等領(lǐng)域均取得了豐碩的成果，在Prog. Mater. Sci.,、Light Sci. Appl.,、Laser Photonics Res.、ACS Nano等高影響力期刊發(fā)表論文50余篇,。