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浙江大學邱建榮團隊超快激光三維極端制造實現突破

2022-03-10

近日，國際頂級期刊《科學》發表論文Three-dimensional direct lithography of stable perovskite nanocrystals in glass。該論文主要由浙江大學邱建榮教授團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。丹麥奧爾堡大學岳遠征院士團隊、上海理工大學顧敏院士團隊和南方科技大學劉召軍教授團隊等也給予了諸多指導和大力支持。

超快激光為光學材料「新貴」開辟新路徑

超快激光具有超快超強的特點，將超快激光聚焦到玻璃內部時，會在焦點附近產生超高電場、超高溫度、超高壓力等現象。基于這一原理，在局部高溫高壓下，超快激光焦點處微米尺寸范圍內的玻璃會出現納米相分離，簡單說來就是玻璃「融化」后，會在局部區域出現大小為幾個納米的新的相。「通過調節激光參數，改變焦點范圍內的溫度和壓力，就能夠對納米相的組成元素進行調節。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之間進行離子交換，從而進一步調控納米相的組成元素。」譚德志解釋說，切斷激光之后，這些分散的納米相就會發生晶化，形成一顆一顆納米晶。

近年來，鈣鈦礦成為光學領域的「新貴」，這種納米級別的半導體材料，由于其特殊的發光性能，在顯示及照明等領域展現出巨大的應用潛力。具有不同組成元素的鈣鈦礦納米晶具有不同的半導體帶隙寬度，在紫外光或者藍光照射下可以發出不同顏色的光。研究團隊通過精心設計及一系列實驗發現，超快激光3D直寫技術可以在無色透明玻璃內實現帶隙可控、任意形狀的三維半導體納米結構。「利用激光直接改變納米晶的發光顏色，實現從藍光到紅光連續可調，是我們在該領域的重大突破之一。在這之前，在材料內部寫入發光連續可調的微納結構幾乎是超乎想象的。」譚德志表示。

為了獲得理想的超快激光直寫工藝，團隊成功燒制出了均勻透明的前驅體玻璃，使得三維半導體納米晶結構得以實現。譚德志進一步解釋說「傳統的納米晶及其器件制備工藝復雜，對制備環境要求高，成本高，且只能構筑二維結構。我們的技術是在玻璃中直寫，可以寫出任意想要的形狀，實現納米晶的三維構造。」

該項研究的另一突破就是利用超快激光在玻璃內3D直寫形成的鈣鈦礦納米晶表現出非常好的穩定性。「鈣鈦礦存在穩定性差的缺陷，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構轉化為非鈣鈦礦結構，所以必須經過嚴苛的封裝處理。而我們的技術是直接在玻璃內激光直寫就可以，無需封裝。」譚德志說。為了檢測納米晶的穩定性，研究團隊將制備后的材料放在強光下照射、在高溫火爐內炙烤、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光特性依然穩定。這些穩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，這將大大延長相關顯示及照明設備的使用壽命。「我們的技術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物，大大降低成本，同時提高了材料與器件的穩定性。我們的研究表明納米晶玻璃在高密度數據存儲、micro-LED、3D顯示、全息顯示等多個領域都將大有可為。我們的工作為超快激光極端制造以及玻璃等多個領域開辟了新的應用場景。」譚德志說道。

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，現任教育部“玻璃光纖材料與器件”創新團隊帶頭人。主要從事功能玻璃、超快激光與玻璃相互作用以及無機發光材料的研究。迄今為止發表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年獲得日本陶瓷協會學術獎（華人首次）。兼任了中國硅酸鹽學報、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年畢業于浙江大學材料科學與工程學院，獲得博士學位。曾在加拿大蒙特利爾工學院、新加坡南洋理工大學、日本京都大學（JSPS Fellow）、韓國基礎科學研究所（Research Professor），浙江大學等單位任職。近年主持或者作為學術骨干參與多項國家基金委基金、重點研發計劃項目、重點項目以及華為委托研發項目等。在超快激光微納加工、光學納米材料、二維材料及其異質結等領域均取得了豐碩的成果，在Prog. Mater. Sci.、Light Sci. Appl.、Laser Photonics Res.、ACS Nano等高影響力期刊發表論文50余篇。

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