近日，浙江大学与之江实验室、上海理工大学的研究人员合作，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2022年1月21日发表在国际顶级学术期刊《Science》。

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。

飞秒激光三维直写玻璃中纳米晶的彩色发光图案和全息显示

采用“飞刀”绘制三维图案

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。

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。

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。

浙江大学团队

上海理工大学团队

“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。