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飛秒激光“刀”微納米尺度展現“雕花”功夫

洪恆飛 柯溢能 吳雅蘭 江 耘
2022年01月26日08:54 | 來源:科技日報
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原標題:飛秒激光“刀”微納米尺度展現“雕花”功夫

  飛秒激光三維直寫玻璃中鈣鈦礦納米晶的彩色發光圖案和全息顯示受訪者供圖

  研究團隊通過發現飛秒激光誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規律,開拓了飛秒激光三維極端制造新技術,首次在無色透明的玻璃材料內部實現了帶隙可控的三維半導體納米晶結構,這一成果將為新一代顯示和存儲技術提供新的方向。

  近視矯正手術中的角膜瓣制作、心臟支架等醫療支架的加工成形……現如今,在信息、環境、能源、醫療等多個領域,都會用到同一把“工具刀”——飛秒激光。

  飛秒是度量時間長短的計量單位,1飛秒為1秒的一千萬億分之一。飛秒激光,顧名思義就是在飛秒的時間段內發出的脈沖激光,在20世紀80年代被科學家發明。飛秒激光與物質相互作用的機理錯綜復雜,很多謎團仍待揭開。

  1月21日,《科學》雜志刊登了題為《玻璃中穩定的鈣鈦礦納米晶體三維直寫》的研究成果。來自浙江大學、之江實驗室、上海理工大學的研究團隊通過發現飛秒激光誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規律,開拓了飛秒激光三維極端制造新技術,首次在無色透明的玻璃材料內部實現了帶隙可控的三維半導體納米晶結構,這一成果將為新一代顯示和存儲技術提供新的方向。

  飛秒激光適用光學器件加工

  飛秒激光有何驚人之處?一是激光持續的時間非常短,導致即使是光在1飛秒內也隻能走0.3微米的距離﹔二是瞬時峰值功率非常高,可達到百萬億瓦﹔三是能聚焦到比頭發的直徑還要小的空間區域內,使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高。

  “為什麼飛秒激光能用來做手術?因為眼部神經血管很豐富,手術需要快、狠、准,這把‘手術刀’的特性,決定其隻對聚焦點區域產生作用,不影響周圍環境。” 該論文通訊作者、浙江大學光電科學與工程學院教授邱建榮說。

  激光具有脈沖寬度極短,脈沖峰值功率極高的特點,在精微加工方面具備許多傳統工藝無法比擬的優良特性。作為超快脈沖激光家族中重要的一員,飛秒激光在微納制造、光譜探測等領域發揮了重要的作用。

  據介紹,由於飛秒激光極短的脈寬能在瞬間產生極高的功率密度,可誘導材料發生非線性吸收,從而極大提升加工的空間分辨率。極短的脈寬也可以保証材料在加工過程中不會產生多余的熱量,從而避免材料開裂、破損、融化等現象。

  憑借其極高的功率密度,飛秒激光還能夠作用於其他激光難以加工的材料,例如透明材料、易碎易脆材料、高熔點材料、熱分解和熱變形材料等。

  值得關注的是,科研人員利用飛秒激光引起的多光子吸收,可以在透明材料內部以很好的空間選擇性制造多種微觀結構變化,達到在材料內部進行三維加工或改性的目的。

  邱建榮介紹說,將飛秒激光聚焦到透明材料內部時,會產生一系列基於多種高度非線性效應的物理化學動力學過程。近年來,利用飛秒激光誘導石英、玻璃、晶體等透明材料內部結構發生相關變化,開展三維光學微器件構建、三維光存儲等工藝創新是學界研究熱點。

  玻璃熔化后悄然發生“變異”

  “基於團隊此前相關成果,我們開拓了空間選擇性操控離子價態、直寫三維光波導、析出和擦除功能納米晶體等新技術,部分成果已經在相關領域得到應用。”邱建榮直言,盡管如此,現有研究對飛秒激光的機理依舊知之甚少,其應用層面還有很大的開發空間。

  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,憑其特殊的發光性能,在顯示及照明等領域展現出巨大的應用潛力。

  本次研究中,研究團隊利用三維直接光刻技術,尤其是飛秒激光脈沖引起的局部熔化和隨后的結晶,在摻雜金屬氧化物玻璃中制備了可調成分和帶隙的鈣鈦礦納米晶。

  據了解,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。基於這一原理,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,簡單說來就是玻璃熔化后,會在局部區域出現納米尺度的新的相。

  論文共同通訊作者、之江實驗室光電智能計算研究中心專家譚德志博士介紹,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。通過控制激光輻照時間,則能讓納米相與周圍熔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。切斷激光之后,這些分散的納米相就會發生晶化,形成一顆顆納米晶。

  研究團隊經實驗發現,飛秒激光可以在無色透明玻璃內實現帶隙可控、任意調整形狀的三維半導體納米晶結構。期間,還需要燒制均勻透明、適合飛秒激光加工的前驅體玻璃,驗証這一理想的3D雕刻工藝。

  “如果玻璃裡面有一點氣泡、結石或者條紋就會影響折射率分布,最終導致基於多光子效應的光與玻璃相互作用效果的劇烈變化。” 邱建榮說。

  新器件集成存儲顯示等功能

  現代人的日常工作和生活正在被各種屏幕包圍:手機、電腦、電視、腕表……但這些都屬於二維屏幕。是否可能通過材料創新改進屏幕裝置,實現真正的三維立體顯示?

  “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,也是此次研究的突破之一。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。

  譚德志補充道,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。此次研究團隊實現在玻璃內激光直寫,因此無需封裝。

  據悉,研究團隊此次形成的納米晶在紫外線照射、有機溶液浸泡和250攝氏度高溫環境中均表現出顯著的穩定性,展示了這種3D結構納米材料在光存儲、Micro-LED和全息顯示方面的應用性能。

  此次研究中,研究團隊還將全息顯示應用在通過飛秒激光誘導的鈣鈦礦納米晶三維可控分布的無色透明的復合材料中,點亮三維分布的量子點,首次實現了動態立體彩色全息顯示。

  為了進一步展示該技術的特點,研究團隊在微米級精度內實現了應用於多維信息編碼和防偽的鈣鈦礦納米晶彩色圖案化,以及在一塊Cl—Br—I共摻雜玻璃內部的全彩色發光圖案和3D微螺旋直寫以及三維全息顯示。

  由於超快激光誘導的液相納米分離隻發生在玻璃內部的局部位置,三維激光直寫技術排除了材料合成和器件加工過程中有機組分(試劑和溶劑)的污染。此外,穩定性實驗表明該類器件可以在各種環境中長期使用。

  “此次技術成果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。”譚德志表示,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。

(責編:申佳平、陳鍵)

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