浙江大學(xué)邱建榮團(tuán)隊(duì)超快激光三維極端制造實(shí)現(xiàn)突破
時(shí)間：2022-03-10 15:40 來源：之江實(shí)驗(yàn)室 作者：admin 閱讀：次
近日，國際頂級(jí)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(duì)與之江實(shí)驗(yàn)室光電智能計(jì)算研究中心研究專家譚德志團(tuán)隊(duì)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(duì)、上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊(duì)和南方科技大學(xué)劉召軍教授團(tuán)隊(duì)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(diǎn)，將超快激光聚焦到玻璃內(nèi)部時(shí)，會(huì)在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生超高電場(chǎng)、超高溫度、超高壓力等現(xiàn)象。基于這一原理，在局部高溫高壓下，超快激光焦點(diǎn)處微米尺寸范圍內(nèi)的玻璃會(huì)出現(xiàn)納米相分離，簡(jiǎn)單說來就是玻璃「融化」后，會(huì)在局部區(qū)域出現(xiàn)大小為幾個(gè)納米的新的相。「通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)，改變焦點(diǎn)范圍內(nèi)的溫度和壓力，就能夠?qū){米相的組成元素進(jìn)行調(diào)節(jié)。而通過控制激光輻照時(shí)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。」譚德志解釋說，切斷激光之后，這些分散的納米相就會(huì)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(jí)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(duì)通過精心設(shè)計(jì)及一系列實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)帶隙可控、任意形狀的三維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。「利用激光直接改變納米晶的發(fā)光顏色，實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光連續(xù)可調(diào)，是我們?cè)谠擃I(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。」譚德志表示。
為了獲得理想的超快激光直寫工藝，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)。譚德志進(jìn)一步解釋說「?jìng)鹘y(tǒng)的納米晶及其器件制備工藝復(fù)雜，對(duì)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(shí)現(xiàn)納米晶的三維構(gòu)造。」
該項(xiàng)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(huì)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。」譚德志說。為了檢測(cè)納米晶的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)充分表明該類器件可以在比較惡劣的條件下長(zhǎng)期使用，這將大大延長(zhǎng)相關(guān)顯示及照明設(shè)備的使用壽命。「我們的技術(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(shí)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(chǔ)、micro-LED、3D顯示、全息顯示等多個(gè)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(gè)領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用場(chǎng)景。」譚德志說道。
作者簡(jiǎn)介
邱建榮，2001年獲得國家杰出青年基金，2008年入選教育部長(zhǎng)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(duì)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(qǐng)專利125項(xiàng)，授權(quán)54項(xiàng)（國外4項(xiàng)）。8項(xiàng)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(huì)足立獎(jiǎng)（每年1名）。2005年獲得國際Otto-Schott研究獎(jiǎng)（華人唯一），2007年獲得日本陶瓷協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)獎(jiǎng)（華人首次）。兼任了中國硅酸鹽學(xué)報(bào)、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(shí)驗(yàn)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(xiàng)國家基金委基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目以及華為委托研發(fā)項(xiàng)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。
超快激光具有超快超強(qiáng)的特點(diǎn)，將超快激光聚焦到玻璃內(nèi)部時(shí)，會(huì)在焦點(diǎn)附近產(chǎn)生超高電場(chǎng)、超高溫度、超高壓力等現(xiàn)象。基于這一原理，在局部高溫高壓下，超快激光焦點(diǎn)處微米尺寸范圍內(nèi)的玻璃會(huì)出現(xiàn)納米相分離，簡(jiǎn)單說來就是玻璃「融化」后，會(huì)在局部區(qū)域出現(xiàn)大小為幾個(gè)納米的新的相。「通過調(diào)節(jié)激光參數(shù)，改變焦點(diǎn)范圍內(nèi)的溫度和壓力，就能夠?qū){米相的組成元素進(jìn)行調(diào)節(jié)。而通過控制激光輻照時(shí)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。」譚德志解釋說，切斷激光之后，這些分散的納米相就會(huì)發(fā)生晶化，形成一顆一顆納米晶。
為了獲得理想的超快激光直寫工藝，團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)。譚德志進(jìn)一步解釋說「?jìng)鹘y(tǒng)的納米晶及其器件制備工藝復(fù)雜，對(duì)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(shí)現(xiàn)納米晶的三維構(gòu)造。」
該項(xiàng)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(huì)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。」譚德志說。為了檢測(cè)納米晶的穩(wěn)定性，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)充分表明該類器件可以在比較惡劣的條件下長(zhǎng)期使用，這將大大延長(zhǎng)相關(guān)顯示及照明設(shè)備的使用壽命。「我們的技術(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(shí)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(chǔ)、micro-LED、3D顯示、全息顯示等多個(gè)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(gè)領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用場(chǎng)景。」譚德志說道。
作者簡(jiǎn)介
譚德志，之江實(shí)驗(yàn)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(xiàng)國家基金委基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目以及華為委托研發(fā)項(xiàng)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。
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