天目Tech一把飞秒激光刀,刻出新世界!中国科研团队成果登上科学
飞秒激光,一种人类在实验室可以实现的超短脉冲激光,其与物质相互作用的机理错综复杂。
近日,浙江大学与之江实验室等单位科学家合作,利用聚焦超快激光在无色透明玻璃内3D直写,实现了精细可控的三维半导体纳米晶结构,为新一代显示和存储技术提供新的方向。
相关成果于近日登上国际顶级学术期刊《科学》。
《科学》官网截图
激光界的"小李飞刀"
飞秒是度量时间长短的计量单位,也称为毫微微秒,1飞秒为1秒的一千万亿分之一。飞秒激光,顾名思义就是在飞秒的时间段内发出的脉冲激光,是能量在飞秒间的瞬间释放。
飞秒激光的瞬时峰值功率非常高,甚至比全世界发电总功率还要多出百倍;同时,它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内。
稳准狠的飞秒激光,犹如古龙笔下例无虚发的小李飞刀,可以应用诸多领域。以人们熟悉的近视手术为例,"因为眼部神经血管很丰富,手术需要稳、准、狠,而这把‘激光刀’干净利索,只对聚焦点区域产生作用,不影响周围环境。" 浙江大学光电科学与工程学院教授邱建荣说。
不过,飞秒激光与物质相互作用的机理错综复杂。
由于高峰值功率、能聚焦的特点,飞秒激光脉冲能轻易使电子脱离原子的束缚,形成等离子体。如果将其聚焦到玻璃内部时,玻璃"融化"后,局部区域会由于高温高压而出现大小为几个纳米的新"相",最终形成一颗一颗的纳米晶。
为了搞清楚其中机理,科研人员不断努力。
飞秒激光三维直写玻璃中钙钛矿纳米晶的彩色发光图案和全息显示。采访对象供图
揭开"飞刀"的秘密
在这项研究中,科学家们制备出了均匀透明的玻璃,把飞秒激光聚焦照射到玻璃内部,让激光在瞬间刻出具有众多像素点构成的三维图案,并利用透射扫描电镜观察形成的微区结构。
制备出均匀透明的玻璃是其中一大难点。"如果玻璃里面有一点气泡、结石或者条纹,就会影响折射率分布,导致光与玻璃相互作用效果剧烈变化。"邱建荣介绍,团队利用长期研究积累的丰富经验,在大量实验的基础上,成功烧制出了均匀的适合激光加工的前驱体玻璃。
科研团队资料图 采访对象供图
在经过精心设计和一系列优化后,团队还获得了理想的超快激光精雕工艺。
利用超快激光在无色玻璃内"3D直写",能够形成不同组成元素组成的钙钛矿纳米晶,实现任意形状的三维半导体纳米结构。
"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。"之江实验室光电智能计算研究中心研究专家谭德志说。
同时,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。
科研团队资料图 采访对象供图
或将成为新一代的存储和显示材料
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发出不同颜色的光。
2019年,团队在钙钛矿纳米晶3D直接光刻过程中,第一次能够调控一种发光颜色。经过进一步系统研究,如今团队已经能调控多种发光颜色了。
"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。
在应用方面,这项成果将为三维、四维甚至更多维度的光储存提供方向。"现有的存储设备多为磁存储,缺点是使用寿命只有3-5年,耗能也比较大,散热要求高。"谭德志表示,光存储不仅功耗小,而且容量有望达到1PB/光盘,将是一个大有可为的未来发展方向,预期存储寿命将达到几百万年之久。
"更进一步,我们首次提出将超快激光直写的纳米晶阵列用于micro-LED,3D显示以及全息显示等全新的更广泛的领域,并做了应用演示。"谭德志说,这项突破性的成果在《科学》杂志本期封面也做了介绍。
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