突破！清华开发了基于半导体量子点的新型3D纳米打印技术

光子盒研究院出品

近日，清华大学与吉林大学的研究人员合作开发了一种使用半导体量子点(QD)的新型3D纳米打印技术。相关论文以《通过光激发诱导的化学键合对半导体量子点进行3D纳米打印》为题[1]，发表在《科学》杂志上。

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聚合无关的激光写入技术：光激发诱导产生化学键

在过去的十年里，使用3D打印技术制作三维物体的范围大大扩展，带来了新的产品和更快的创建示范对象的方法。但是，正如这项新工作的研究人员所指出的：3D打印机主要使用基于聚合物的材料，限制了可制作的产品类型。众多制造商们表示，他们会购买能够打印具有光学或电子特性产品的3D打印机；在这项新的努力中，中国的研究人员已经朝着这个方向迈出了一大步。

这种新方法涉及使用半导体量子点（quantum dots）——由硒化镉（CdSe）制成的纳米晶体，表面覆盖着硫化锌，盖子（cap）由3-巯基丙酸配体制成，作为印刷材料的添加物。这些“点”是用激光激活的：来自激光的光子被纳米晶体吸收，导致化学变化，使量子点之间产生结合；这一过程被称为双光子吸收（two-photon absorption）。在他们的设置中，质子的吸收只可能在光强度最高的地方发生。因此，此次实验允许创造比光的波长更小的化学键。

光激发诱导化学键合(PEB)的工作原理。(A)使用PEB对3-巯基丙酸(MPA)覆盖的CdSe/ZnS量子点（QDs）进行3D纳米打印。(B)PEB的基本机制。(C)滴铸（drop-cast）的QDs和印刷结构的傅里叶转换红外(FTIR)光谱。

双光子纳米打印装置的示意图。红外飞秒激光的强烈光束在非常小的体积内诱导两个光子同时吸收，从而在纳米晶体表面引发光化学反应。

此次实验中，科学家开发了一种与聚合无关的激光直接写入技术——光激发诱导的化学键技术。在没有任何添加剂的情况下，半导体量子点内部激发的空穴被转移到纳米晶体表面并改善其化学反应性，从而导致粒子间化学键合。作为概念验证，实验中以超过衍射极限的分辨率打印了任意的3D量子点架构。研究人员指出，他们的技术保留了量子点的光电特性，这意味着用量子点制成的墨水打印的3D产品可以用于光电设备。

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市场应用前景广阔，将彻底改变原型设计、小规模制造流程

在同一期杂志上，芝加哥大学的Jia-Ahn Pan和Dmitri Talapin提供了一篇关于更通用的3D打印设备和针对清华团队此项新工作的文章：《用光3D打印纳米晶体》[2]。文章表示，在以往，纳米晶体具有许多功能特性，但它们与3D打印的融合受到限制：主要依靠使用聚合物材料作为棚架（scaffolding）。“纳米晶体通过双光子光刻技术可以连接形成复杂的3D结构，此次实验中，中国团队演示了‘双光子光刻’的3D打印纳米晶体方法。这种按需制造自定义3D物体的能力将彻底改变原型设计和小规模制造流程。”

参考链接：

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5345

[2]https://www.science.org/doi/10.1126/science.add8382

[3]https://phys.org/news/2022-09-3d-nanoprinting-semiconductor-quantum-dots.html

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