近日，浙江大学邱建荣教授团队与之江实验室谭德志博士团队合作在Science上发表了飞秒激光三维极端制造方面的研究成果。他们发现了飞秒激光诱导的空间选择性微纳分相和离子交换规律，开拓了飞秒激光三维极端制造新技术，首次在无色透明的玻璃材料内部实现了带隙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。

当将飞秒激光聚焦到透明材料内部时，会产生一系列基于高度非线性过程的物理化学动力学过程。这包括多光子吸收、等离子体产生、电子声子耦合等，在焦点附近产生超高电场、超高温度、超高压力、超快冷却等现象。

邱建荣教授团队发现当将聚焦飞秒激光照射到氧卤复合阴离子玻璃体系内部时，由于诱导产生的局域高温高压，促使玻璃产生微纳相分离，形成富氧和富卤相，并且随着照射时间富卤相中的阴离子会产生基于浓度梯度化学势的离子交换，形成含有不同组成的局域结构，再在激光切断后快冷形成具有不同组分和尺寸的带隙可调的量子点分布结构。

通过聚焦的激光三维扫描实现任意形状的三维结构。他们以含Cl-Br-I的氧化物玻璃为例，实现了在玻璃中具有可调谐成分和带隙的钙钛矿量子点3D直接光刻，形成的纳米量子点在紫外线照射、有机溶液浸泡和250 ℃高温环境中表现出显著的稳定性，展示了这种3D结构纳米晶体在光存储、Micro-LED和全息显示方面的应用。

取得这次成果的第一步是制备均匀透明玻璃。“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，最终导致基于多光子效应的光与玻璃相互作用效果的剧烈变化。”研究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。

接下来的一步就是把飞秒激光聚焦照射到玻璃内部。但是刚开始的试验，团队并没有找到规律，邱建荣团队开展了他们一贯所提倡的“地毯式轰炸”试验模式，反复调整，反复试验。在经过精心设计和一系列优化后，团队最终获得了理想的超快激光精雕工艺，成功在玻璃内部实现了组分可调的钙钛矿纳米晶（图1），在“一瞬间”的时间尺度就能随心所欲实现结构和性能操控。

图1超快激光直写玻璃中成分可调节的 CsPb(Br1-xIx)3钙钛矿量子点的光致发光光谱，以及对应的光学和荧光照片，比例尺为10 μm

如何进一步让激光在瞬间刻出具有众多像素点构成的三维图案？如何利用透射扫描电镜观察比头发丝还要细得多的刻痕？他们攻克了一个个难关，开发了利用空间光调制器的多点多层写入技术，并在均匀的玻璃中，通过调整不同元素掺杂，进而产生不同效应的三维立体结构。邱建荣介绍：“我们可以通过这些结构，形成微纳尺度上的新结构，进而产生精密可控的不同颜色的发光，做成各种新的器件。”

“我一直认为科学研究没有什么捷径可走，我们需要老老实实一步一个脚印地开展实证。”邱建荣说。

团队以含Cl--Br--I-的卤氧化物复合玻璃为例，实现了在玻璃中具有可调谐成分和带隙的钙钛矿纳米晶3D直接光刻，形成的纳米晶在紫外线照射、有机溶液浸泡和250 ℃高温环境中表现出显著的稳定性，展示了这种3D结构纳米材料在光存储、Micro-LED和全息显示方面的应用。

图2 超快激光3D直写玻璃中钙钛矿纳米晶的彩色发光图案和全息显示

研究团队进一步研究了钙钛矿纳米晶在紫外线(UV)照射、热处理或溶剂(乙醇)浸泡的稳定性。在功率密度为2 W/cm2的405 nm紫外激光照射12 h后，纳米晶的光致发光的强度稳定，未见明显峰位变化。此外，当纳米晶被功率密度为32 W/cm2的紫外光照射时，也没有出现发光峰的位移，而在相关研究中0.1 W/cm2的紫外光可以在混合卤化物钙钛矿量子点中诱导明显的相偏析导致发光峰位移。

图3 钙钛矿纳米晶的稳定性测试

由于超快激光诱导的液相纳米分离只发生在玻璃内部的局部位置，三维激光直写技术排除了材料合成和器件加工过程中有机组分(试剂和溶剂)的污染。此项研究的一个应用方向就是三维、四维甚至更多维度的光储存。“现有的存储设备多为磁存储，有一些缺点，一是使用寿命只有3~5年，二是耗能比较大，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。

（文章转载自网络，如有侵权，请联系删除）