科学研究

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发布日期:2022-01-21
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研究成果登上Science 超快激光三维极端制造实现新突破

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北京时间2022年1月21日,国际顶级期刊《科学》发表论文Three-dimensional direct lithography of stable perovskite nanocrystals in glass。该论文主要由之江实验室光电智能计算研究中心研究专家谭德志团队与浙江大学邱建荣教授团队合作完成,谭德志博士为论文共同第一作者、共同通讯作者。 丹麦奥尔堡大学岳远征院士团队、上海理工大学顾敏院士团队和南方科技大学刘召军教授团队等也给予了诸多指导和大力支持。

 

超快激光为光学材料“新贵”开辟新路径

超快激光具有超快超强的特点,将超快激光聚焦到玻璃内部时,会在焦点附近产生超高电场、超高温度、超高压力等现象。基于这一原理,在局部高温高压下,超快激光焦点处微米尺寸范围内的玻璃会出现纳米相分离,简单说来就是玻璃“融化”后,会在局部区域出现大小为几个纳米的新的相。“通过调节激光参数,改变焦点范围内的温度和压力,就能够对纳米相的组成元素进行调节。而通过控制激光辐照时间,则能让纳米相与周围融化的玻璃基质之间进行离子交换,从而进一步调控纳米相的组成元素。”谭德志解释说,切断激光之后,这些分散的纳米相就会发生晶化,形成一颗一颗纳米晶。

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近年来,钙钛矿成为光学领域的“新贵”,这种纳米级别的半导体材料,由于其特殊的发光性能,在显示及照明等领域展现出巨大的应用潜力。具有不同组成元素的钙钛矿纳米晶具有不同的半导体带隙宽度,在紫外光或者蓝光照射下可以发出不同颜色的光。研究团队通过精心设计及一系列实验发现,超快激光3D直写技术可以在无色透明玻璃内实现带隙可控、任意形状的三维半导体纳米结构。“利用激光直接改变纳米晶的发光颜色,实现从蓝光到红光连续可调,是我们在该领域的重大突破之一。在这之前,在材料内部写入发光连续可调的微纳结构几乎是超乎想象的。”谭德志表示。

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为了获得理想的超快激光直写工艺,团队成功烧制出了均匀透明的前驱体玻璃,使得三维半导体纳米晶结构得以实现。谭德志进一步解释说:“传统的纳米晶及其器件制备工艺复杂,对制备环境要求高,成本高,且只能构筑二维结构。我们的技术是在玻璃中直写,可以写出任意想要的形状,实现纳米晶的三维构造。”

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该项研究的另一突破就是利用超快激光在玻璃内3D直写形成的钙钛矿纳米晶表现出非常好的稳定性。“钙钛矿存在稳定性差的缺陷,光照、热处理、氧气、水蒸气等,都会使其从光电性能良好的钙钛矿结构转化为非钙钛矿结构,所以必须经过严苛的封装处理。而我们的技术是直接在玻璃内激光直写就可以,无需封装。”谭德志说。为了检测纳米晶的稳定性,研究团队将制备后的材料放在强光下照射、在高温火炉内炙烤、在酒精中浸泡,甚至将玻璃碾碎成玻璃渣,在上述极端条件下,通过激光直写的钙钛矿纳米晶的发光特性依然稳定。这些稳定性实验充分表明该类器件可以在比较恶劣的条件下长期使用,这将大大延长相关显示及照明设备的使用寿命。“我们的技术可以减少纳米晶及其光电器件的制备工序,且所有过程不涉及到任何有机物,大大降低成本,同时提高了材料与器件的稳定性。我们的研究表明纳米晶玻璃在高密度数据存储、micro-LED、3D显示、全息显示等多个领域都将大有可为。我们的工作为超快激光极端制造以及玻璃等多个领域开辟了新的应用场景。”谭德志说道。

 

“做有挑战性的研究”

在浙江大学完成本科到博士的学业后,谭德志先后在日本京都大学、韩国基础科学研究所等多个国家的知名研究机构从事科研工作,担任JSPS Fellow和Research Professor等。“现在回想起来,之前每一段科研经历,都是十分宝贵的财富。多年的科研历练,让我坚定,必须要做有挑战、有意义、全新的课题,实现从0到1的突破。”谭德志说。

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此次发表在《科学》的论文是谭德志回国后的第一个重要课题。“刚回国时有过迷茫,那会我阅读了大量文献,涉及材料,光学,物理等各个领域,逐渐确立了需要攻克的研究方向。基于这段经历,我后来撰写了一篇综述论文,发表在了光学领域著名期刊Laser & Photonics Reviews上。”谭德志回忆说,“邱建荣教授团队在玻璃材料领域和超快激光微纳制造方面有深厚的积累,取得了系列开拓性成果,在国内外产生了重要影响。我希望自己能挑战一个‘看似不可能’的课题,努力从科学和技术两个层面去突破已有的观念和设计,去‘建造一栋新的大厦’。”这一试就试了近三年。“我们的工作对高重复性实现有要求,你今天、明天、后天做出来的纳米晶,必须保持高度一致性和可重复性,这样才有产业化应用的可能。”不同时间制备的玻璃,玻璃内不同的位置,要做出约为头发丝直径十分之一大小的完全一样的东西,具有极大的挑战性。

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2021年,谭德志正式加入之江实验室,并快速启动了超快激光微纳制造系统的搭建。“未来,我们将在之江实验室的平台上进一步提升超快激光3D微纳制造技术水平,同时加速研究成果的产业化应用。我们团队重点将聚焦光量子计算,用超快激光微纳制造赋能智能计算领域的发展。”谭德志表示。

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