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。 作為概念驗證，該研究以超出衍射極限的分辨率打印了任意 3D 量子點架構(gòu)。 該研究將使自由形式的量子點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材料保形沉積的掩膜，從而產(chǎn)生有機-無機納米雜化物。 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結(jié)構(gòu)。另一種策略是將光固化單體與無機納米材料混合，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制。Talapin等人設(shè)計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。在該研究工作中，以半導(dǎo)體量子點（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)體量子點是因為它們能夠在激發(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。作為概念驗證，該研究以超出衍射極限的分辨率打印了任意 3D 量子點架構(gòu)。 該研究將使自由形式的量子點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