文章来源：中国光学
导读
应用研究的快速发展往往依赖于变革性技术的出现，而技术变革常常源自基础研究的原始创新。功能材料，尤其是半导体材料，在高密度集成电路和光电芯片应用中高度依赖于微纳尺度图案的精准构筑。以光刻技术为代表的传统微纳加工方法，尽管能实现百纳米级的加工精度，但其本质是一种"间接图案化"过程，仅限于加工光刻胶等牺牲层材料，而非直接加工功能材料本身。这是因为光刻技术依赖光化学反应改变光刻胶溶解性，而多数功能材料缺乏光敏特性，需通过复杂的刻蚀、蒸镀等图案转移流程才能形成目标结构。相比之下，激光直写技术（如飞秒激光双光子聚合）因无掩膜、高分辨率和加工灵活性等优势，为制备复杂三维微纳结构提供了新可能。然而，传统有机光敏树脂通常为电绝缘体（电导率约为10-14 S/m），其光学折射率较低（1.4–1.6），严重限制了其在电学和光学调控中的功能性应用。近年来，研究逐渐转向功能材料的激光直写打印，力求实现材料结构与器件功能的单次集成，有望助力高性能器件的高密度集成和高通量制造。
表1：等离激元光热打印与其它加工技术对比
参考文献：Science 377, 1112-1116 (2022); Science 381, 1468-1474 (2023); Nature Nanotechnology 7, 557–561 (2012)
在此背景下，香港城市大学研究团队开发了一种全新的“等离激元光热打印”技术。该技术在室温常压条件下，利用飞秒激光激发银纳米线产生瞬时空间高度局域热场，精准驱动透明金属氧化物前驱体快速转化；通过按需扫描飞秒激光光斑在银纳米线上的位置，进一步实现金属氧化物的微尺度图案化。由于该打印方法兼具加工环境简单、材料通用性强、高分辨率、高通量和低成本等特点，研究团队成功构建多种高密度、多层结构复杂、溶液处理的全金属氧化物电子器件，包括高密度晶体管阵列和集成逻辑门器件，性能媲美传统的结合真空高温退火和多次复杂光刻工艺制备的对应器件。该研究成果近日以“Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature”为题发表于Nature Materials。
创新技术：等离激元光热打印
如图1a所示，贵金属纳米结构中表面等离激元共振的弛豫通道主要包括辐射弛豫和非辐射弛豫。辐射弛豫常表现为以发射光子的形式释放等离激元模式能量，而非辐射弛豫则通过产生热电子和能量共振转移实现能量转换，其中热电子的部分能量转化为局域热能。具体过程为：热电子首先通过电子-声子相互作用与晶格交换能量，时间尺度为100飞秒至1皮秒；随后，金属晶格通过声子-声子相互作用与周围环境进行热交换，达到热平衡，时间尺度延续至数百皮秒至10纳秒，最终体现为局域等离激元光热效应。
图1：等离激元光热打印原理及示意图
图源：Nature Nanotechnology 10, 25–34 (2015)；Nature Materials (2025)
基于以上等离激元介导的高效、瞬时、局域化光热转换机制，研究团队利用飞秒激光辐照具有宽带吸收的银纳米线网格结构，利用等离激元光热效应形成强局域高温热场，进而高效诱导下方热敏前驱体材料的快速转化，实现高质量功能材料薄膜的原位打印（图1b）和高性能器件的逐层制备。与传统激光加热相比，该技术光热转换效率更高，可在不损伤材料的情况下对透明前驱体材料进行高质量加工，有效提升了薄膜质量和器件性能。
如图2a所示，研究团队在金属氧化物前驱体薄膜表面喷涂一层约700 nm厚的银纳米线，在飞秒激光照射下，纳米线交叉点形成等离激元纳腔“热点”，使局部温度快速升高至360 °C以上（图2b，红外相机实测），热驱动前驱体材料向金属氧化物薄膜的局部定向转化（图2c左）；通过精确控制飞秒激光扫描系统诱导空间选择性加热（图2d），实现金属氧化物材料的直接图案化打印，最后去除银纳米结构并在溶液中溶解残留前驱体材料，即可得到光热打印的高质量、图案化金属氧化物薄膜（图2c右）。
图2：等离激元光热效应打印图案化金属氧化物薄膜及装置图
图源：Nature Materials (2025)
该打印系统整合了两束不同波长的飞秒激光：800 nm飞秒激光作为主要光源，激发银纳米线产生强烈的等离激元纳腔光热效应，提供高温局部热源；400 nm飞秒激光则用于触发前驱体材料的光化学反应，进一步提升薄膜的结晶度和电学性能。两束激光通过精密的光束控制系统协同工作，结合高精度三维位移平台，实现微尺度图案化加工。该自主研发的微尺度打印系统不仅提高了加工灵活性，还确保了图案化过程的高分辨率和可重复性，为复杂多层功能材料的异质异构集成提供了可靠的技术保障。
形貌驱动的光热转换机制
当两根银纳米线处于不同夹角时，如图3a-3b所示，在纳米线交接处可产生极大的电场增强。等离激元“热点”将会在纳米线交叉处形成，其光热效应会使得交叉点位置处迅速升温，纳米线受热产生形貌变化，进而变成细小密集的纳米颗粒（图3c）。
图3：交叉银纳米线等离激元纳腔中近场分布及形貌转变
图源：Nature Materials (2025)
通过计算不同飞秒激光辐照时间下的等离激元光热效应，研究发现该过程可分为三个主要阶段：初始阶段（激光照射开始时），等离激元纳腔“热点”在银纳米线交叉处形成，表现出最高的光吸收效率（图4a-4b），同时具备最大局部加热速率（图4c）；随着局部加热使交叉处温度快速升高以致熔化，部分银纳米线逐渐转变为细小且密集排列的纳米颗粒，此时光吸收效率和局部加热速率均下降约一个数量级（图4d-4f），但是得益于被辐照的纳米颗粒集体加热贡献，整体升温速率仍保持较高水平；最后，这种显著的局域加热效应促使相邻的小颗粒/不规则组装体发生合并，逐渐形成更大且较稀疏的颗粒结构（图4g），此过程中热量产生速率逐渐降低，并最终完成银纳米线形态演化（图4h-4i）。
图4：形貌驱动等离激元光热转换和局部温度升高
图源：Nature Materials (2025)
应用突破：室温大气环境制备全金属氧化物电子器件
利用该等离激元光热打印技术，研究团队在室温大气环境下成功制备了高性能全金属氧化物晶体管阵列。图5a-5b展示了制备的单个全金属氧化物薄膜晶体管（ITO/AlOx/IGZO，W=150 µm，L=100 μm），其电子迁移率高达14.5 ± 5.4 cm2 V-1 s-1（图5c），可比拟多晶硅薄膜晶体管（50–100 cm2 V-1 s-1）和利用高温真空磁控溅射等技术制备的商业化IGZO薄膜晶体管（10–50 cm2 V-1 s-1）。研究团队还采用该技术实现了全溶液法制备的高密度全金属氧化物晶体管阵列，其密度可达48400个/平方厘米（图5d-5f），为目前溶液法制备中报道的最高密度。此外，该技术还支持大面积晶圆级的均匀加工（图5g），展现出良好的规模化制造前景。在此基础上，研究团队还进一步实现了多种全金属氧化物逻辑门电路的直接打印，例如由14个晶体管构成的半加器（图5h）。测试结果表明，这些器件具备优异的逻辑运算功能（图5i），充分验证了等离激元光热打印技术在构建高性能、高密度集成化金属氧化物电子器件中的可行性和实用性。
图5：等离激元光热打印高密度全金属氧化物晶体管阵列及集成逻辑电路
图源：Nature Materials (2025)
该研究团队开发的“等离激元光热打印”技术，实现了金属氧化物前驱体在室温大气环境下向高质量金属氧化物薄膜的快速转化，覆盖了导体、电介质和半导体三种最典型的材料种类。这项创新技术不仅在多种功能材料的直接打印方面展现出巨大潜力，还为集成电子、光电子芯片及多种类型传感器件的高通量、低成本制造提供了全新的解决方案，有望推动异质异构集成等先进制造技术的快速发展与应用。该研究获得了香港城市大学、香港研究资助局、香港创新科技署和国家自然科学基金委的资助。
论文信息
Gao, Z., Fu, Y., et al. Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature. Nature Materials (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02268-w
