惟妙惟肖! 港中文NC发明：激光直写技术将中国地图和大熊猫绘制到各种基底上!- 大数跨境

首页

惟妙惟肖! 港中文NC发明：激光直写技术将中国地图和大熊猫绘制到各种基底上!

科学材料站

2020-10-25

导读：本文提出了一个全新的思路。研究团队巧妙地通过引入半导体纳米颗粒，同时触发了光学的光镊技术和半导体物理的光电子的产生，以及光电子引发的化学还原反应。

文章信息

无光胶材料单步激光直写技术-一种通用的原位沉积图案材料的方法

第一作者：陈一帆，洪兆辉

通讯作者：夏慷蔚*，杨森*

单位：香港中文大学

研究背景

加工生产高性能芯片的核心工艺就是微纳尺度的材料沉积。目前工业界所采用的光刻工艺复杂而且设备和制作都很昂贵。

香港中文大学物理系助理教授杨森和研究助理教授夏慷蔚率领研究团队另辟蹊径，提出并实现了一种全新的通用材料激光直写技术。该技术结合了激光诱导光阱技术和光诱导化学还原反应，用普通共聚焦激光扫描显微镜平台实现一步到位的材料高精度沉积，大大简化芯片等电子元件的制成。

文章简介

近日，来自香港中文大学的夏慷蔚教授与杨森教授合作，在Nature Communications上发表题为“A universal method for depositing patterned materials in situ”的文章。

他们从基本的物理原理出发，提出了一个全新的思路。研究团队巧妙地通过引入半导体纳米颗粒，同时触发了光学的光镊技术和半导体物理的光电子的产生，以及光电子引发的化学还原反应。

团队在半导体纳米颗粒悬浊液中加入各种金属盐溶液制备一系列“万能墨水”，通过改变激光位置和控制激光开关，可以实现在基底表面任意位置选择性地沉积金属。通过改变“墨水”的组分，团队实现了各种材料在常用基底上的沉积。

本文要点

要点一：全新的原理

制作芯片需要在基底材料特定位置沉积不同形状和厚度的材料，比如金属和绝缘体。高性能芯片需要这些沉积的材料具有很好的电学和力学性质。目前工业上主要还是依赖光刻技术，但是这个方法制备结构昂贵、复杂且长耗时。

另一方面基于纳米金属颗粒沉积的激光直写技术受限于较差的电学和力学性质，有限的材料选择和精度。研究团队从基本原理出发：制备出金属盐与半导体纳米颗粒混合溶液。

通过激光诱导光阱技术将半导体纳米颗粒捕捉在聚焦光束内，同时通过光激发电离，原位还原金属盐溶液内金属，从而实现单步材料微纳直写。

要点二：采用传统墨水作为反应媒介

研究团队经过一番搜索、尝试和筛选，发现中国传统书法和水墨画，以及钢笔所用的碳素墨水中的碳纳米颗粒具有很好的光还原性和微小的尺寸，是此新技术理想的半导体纳米颗粒。

直写出来的结构已达到应用价值，比如纳米尺度的精度，可以应用于制作柔性器材的绝佳的力学性质，与块材相媲美导电金属材料以及绝缘金属氧化物，等等。此技术要需要的设备简单，便于大规模推广。

基于碳素墨水的“万能墨水”成本低廉，废液可以完全回收利用，大大减低对环境的污染。

要点三：独特的应用前景

将光化学反应里提供电子的还原剂均匀地分散在金属盐溶液里这一理念不仅保留了激光所带来的空间分辨率，选择性沉积等传统优势，还极大地简化了激光直写金属的操作流程，降低了对实验器材的需求，操作人员在做出最终想要的金属结构前都无需移动激光直写平台，而这一点催生出了这一新激光诱导物料沉积理念的两大优势：多种材料精确沉积，以及与多种光学测量设备兼容。

前一个优势解决了精确制作多种材料复杂图案的难题。后一个使得操作人员可以在光路中引入各种光学表征设备对基底以及沉积出来的金属结构进行实时光学测量和质量监控，对于芯片的精密加工，尤其是未来量子计算芯片的制作有重大的帮助。

此技术还解决了现有的技术无法解决的问题。比如芯片中如果出现电极破损，会导致整个芯片的作废。研究团队通过该技术成功地演示了用铂对氧化铟锡电极上微米尺度裂痕的修复，这使得原本断开的电路重新连通恢复运作，说明这项技术有助于解决微电子行业的前沿难题。

除此之外，由于此技术工作温度低，避免使用腐蚀性液体，大大扩展了可以应用的材料范围。尤其是可以用于柔性基底材料之上，大大简化可穿戴设备的制作。

除去各种平面电路的制作，此方法还可以用于3D打印。与其他3D打印方法不同，此方法不需要昂贵的脉冲激光，通过光阱的非线性效应，使用普通的连续光激光器也可以直接写出3D图案。

由于这个工艺的通用性，它可以被用于更多的材料，领域和应用。中大团队会以此为基础，继续研究新的发现。

文章链接

A universal method for depositing patterned materials in situ

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19210-0

通讯作者介绍

夏慷蔚博士

2010年本科毕业于华东师范大学物理系，博士师从德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授。随后在比利时鲁汶大学化学系Johan Hofkens教授组从事博后研究工作，于2017年任香港中文大学物理系研究助理教授，现就于德国斯图加特大学物理系。主要研究方向为对固态单个稀土离子精密谱学、基于金刚石氮缺陷色心量子精密测量以及对碳基材料光化学性质的研究。以通讯作者在Nat. Commun., Phys. Rev. Lett., Nanoscale, New J. Phys. 发学术刊物上发表多篇研究论文。

杨森教授

2002年清华大学基础科学班本科毕业，2009年美国加州大学圣迭戈分校物理系博士毕业。先后在德州大学奥斯丁分校和德国斯图加特大学从事博士后研究工作，自2016年任香港中文大学物理系助理教授。主要研究基于固体材料的纳米技术和量子光学，尤其是基于单个固体点缺陷的量子计算，量子通讯和量子传感，以及二维材料的激子的玻色爱因斯坦凝聚等领域的研究。在Science, Nature Photonics, Nature Materials, Nature Nano, Nature Comm., Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. X, Nano letters.等学术刊物上发表多篇研究论文。

第一作者介绍

陈一帆，浙江宁波人，2014年毕业于浙江省镇海中学，2019年在香港中文大学完成物理理学学士学位，现正在香港中文大学理学院物理系攻读博士学位。

课题组介绍

杨森教授的实验团队主要研究固态系统中的量子信息科技，包括量子计算、量子通讯和量子传感测量，尤其是基于金刚石里氮空位中心的量子科技。团队研发出首个基于金刚石单个核自旋的高效量子光学存储器，和用于高压量子材料研究的量子传感器等。正在进行的研究包括研发基于金刚石的量子芯片、建立远程光量子网络，以及研究量子材料的超导和磁特性等。

课题组招聘

欢迎在光学，量子材料，量子信息等方向有特长和兴趣的同学来申请博士生和博士后。