浙江大学邱建荣团队超快激光三维极端制造实现突破

来源：之江实验室

近日，国际顶级期刊《科学》发表论文Three-dimensional direct lithography of stable perovskite nanocrystals in glass。该论文主要由浙江大学邱建荣教授团队与之江实验室光电智能计算研究中心研究专家谭德志团队合作完成，邱建荣和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。

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。

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。」

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。

作者简介

邱建荣，2001年获得国家杰出青年基金，2008年入选教育部长江特聘教授，现任教育部“玻璃光纤材料与器件”创新团队带头人。主要从事功能玻璃、超快激光与玻璃相互作用以及无机发光材料的研究。迄今为止发表SCI收录论文500余篇（其中Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Phys. Rev. Lett., Nano Lett.等影响因子大于3的300余篇），被SCI他引10000余次。申请专利125项，授权54项（国外4项）。8项研究成果被Nature的Science update等作了介绍。1999年获得日本稀土学会足立奖（每年1名）。2005年获得国际Otto-Schott研究奖（华人唯一），2007年获得日本陶瓷协会学术奖（华人首次）。兼任了中国硅酸盐学报、J. Non-Cryst. Solids, Int. J. Appl. Glass Sci., Frontiers in Materials-Glass Science等期刊的副主编或编委。

谭德志，之江实验室PI，2014年毕业于浙江大学材料科学与工程学院，获得博士学位。曾在加拿大蒙特利尔工学院、新加坡南洋理工大学、日本京都大学（JSPS Fellow）、韩国基础科学研究所（Research Professor），浙江大学等单位任职。近年主持或者作为学术骨干参与多项国家基金委基金、重点研发计划项目、重点项目以及华为委托研发项目等。在超快激光微纳加工、光学纳米材料、二维材料及其异质结等领域均取得了丰硕的成果，在Prog. Mater. Sci.、Light Sci. Appl.、Laser Photonics Res.、ACS Nano等高影响力期刊发表论文50余篇。