顶刊：武汉大学合作实现金属纳米晶芯片高速打印

文章来源：武汉大学
近日，国际权威顶级期刊《美国化学会志》 （Journal of the American Chemical Society，JACS）发表邓鹤翔教授和程佳瑞教授合作研究成果。论文题为“Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning in Air Using MOFs” （《空气环境下基于MOF的纳米金属激光冶炼及图案化》），被选为当期杂志封面，博士后江浩庆为论文的第一作者。

论文链接：https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.9b00355

实验装置示意图

金属纳米晶粒是制备光电子器件的重要原料。但金属纳米晶粒活性高、极易被氧化，制备过程往往需要溶液、真空或惰性气氛保护，因此制造工艺复杂，难以大规模应用。化学与分子科学学院邓鹤翔教授与工业科学研究院程佳瑞教授团队合作，采用金属有机框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作为原料，利用激光成功制备了颗粒大小均一的金属纳米晶粒。通过程序控制激光的开闭和光斑的移动实现了图案的制备，仅数十秒即可打印出由金属纳米晶粒构成的晶圆级别大小的芯片，整个过程完全在空气中进行，所需激光功率不到5瓦，非常适合规模化生产。

激光照射金属有机框架材料（MOF）产生金属纳米晶粒及芯片打印

MOF由金属与含碳有机配体构筑。目前大部分研究集中在MOF中有机成分上，而结构中丰富的金属离子尚未充分利用。此项工作提出了激光纳米金属冶炼及图案化方法（Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning, 简称nano-LaMP）：以MOF为原料实现了空气环境下的金属纳米颗粒制备和同步图案打印。在反应过程中，MOF晶体内有序排列的金属离子和有机配体分别作为金属源和还原剂。纳秒脉冲激光器则负责将能量精准地投送到指定位置，为金属还原提供能量。MOF晶体高效吸收激光后产生局域高温，金属离子被迅速还原并从MOF丰富的孔道中喷射出来，在基底上沉积并迅速冷却形成金属纳米晶粒。

实验结果微观图示

nano-LaMP方法展现出较好的普适性，能够基于含有不同金属离子的MOF晶体制备出铁、钴、镍、铜、锌、镉、铟、铅和铋九种金属纳米晶粒及其图案。其中，基于铜纳米晶粒的表面增强拉曼效应芯片在对多种生物分子的检测中提供极低的检测限（10-12 M）。nano-LaMP结合了激光和MOF材料的优点，为芯片制造提供了节能环保、快速灵活的新方法。

使用nano-LaMP制备的不同金属的纳米晶

该工作获得国家自然科学基金，国家重点研发计划武汉大学创新团队项目的资助，以及上海光源（SSRF），武汉大学大型仪器共享平台和测试中心的支持。

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