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中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-016）——光化学键合实现半导体3D纳米打印

已有 891 次阅读 2023-10-10 15:01 |系统分类:论文交流

1 工作简介

——光化学键合实现半导体3D纳米打印

在大数据时代背景和摩尔定律推动下，半导体芯片的尺寸持续微型化、集成化不断提升，从而实现更高速、大容量的信息传输与信息处理。目前半导体制造工艺特征尺寸已达到纳米级，逐步接近原子特征尺寸，靠器件持续微缩来提高集成度已变得十分困难。三维半导体制造可拓展片上器件的面外设计自由度，是进一步提升芯片集成度及功能性的潜在解决方案。因此，探索半导体材料的三维微纳制造技术，有望解决三维光电芯片的设计与制造难题。

2022年9月，清华大学精密仪器系孙洪波教授、林琳涵副教授团队提出了光激发诱导化学键合技术，该技术利用化学合成的半导体量子点作为人工原子，利用飞秒激光调控半导体量子点的表面化学活性，驱动量子点之间的化学键合，首次实现了半导体量子点的激光3D纳米打印，相关工作发表于Science期刊（Science 377, 1112-1116）。然而，该技术依赖于量子点与表面配体间特定的能级适配，仍无法适用于更加广泛的半导体纳米材料体系。

针对以上挑战，清华大学精密仪器系孙洪波教授、林琳涵副教授和化学系李景虹院士、张昊副教授团队提出了一种光化学键合的超快激光3D打印技术（简称3D Pin），该技术利用飞秒光诱导叠氮分子在“半导体人工原子”之间成键，实现了Ⅱ-Ⅵ族、Ⅲ-Ⅴ族、金属卤化物钙钛矿等多种半导体的三维制造成型。相关成果以“3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals”为题发表在Science期刊上。

半导体量子点的表面通常包覆一层配体分子层，提供空间位阻或静电排斥作用，使量子点可以均匀分散在溶液中，并阻止量子点之间的成键及组装。本研究在纳米材料分散液中引入了一种具有光响应活性的叠氮分子，利用飞秒激光活化叠氮分子产生自由基，与量子点表面配体形成碳氢插入实现分子-配体交联，进而实现半导体量子点在溶液中的定点成键、组装及打印。结构中无机半导体组分可高达90%，通过后续热处理或化学处理，可进一步去除结构中的有机配体，实现100%纯度半导体三维结构。

图1. 光诱导纳米材料化学键合原理示意图及光谱表征。

由于3D Pin技术具有非特异性，可普遍适用于具有不同形貌、尺寸、组分的多种半导体材料的3D打印。该团队通过对飞秒激光进行聚焦和程序化三维扫描，实现了硒化镉、磷化铟、金属卤化物钙钛矿等不同半导体材料的3D打印，并将该技术拓展到氧化钛、金属等非半导体材料中。利用叠氮分子对飞秒激光的非线性吸收，打印分辨率达到150 nm，并可通过优化工艺参数进一步提升。除此之外，该技术可以实现不同半导体材料、以及半导体与金属材料的混合异质制造。

图2. 多种纳米材料3D打印及混合打印的结构形貌、荧光图及元素表征。

基于3D Pin技术制备的半导体量子点结构有效保持了分散量子点的发光特性。并且，通过三维结构设计，该技术打印的结构也为材料带来了新的光电性能。例如，由II‒VI族半导体量子点3D打印而成的纳米三维螺旋阵列，在可见至近红外波段展现出宽波段手性光学响应，手性因子比传统方法提升了20倍，展现出优异的手性光学特性。

图3. 3D打印半导体量子点的手性结构及光学特性。

3D Pin的制造原理具有广泛的材料和结构适用性，开辟了半导体器件三维成型与三维集成的新工艺途径，为制备前所未有高性能的三维光电集成芯片、量子信息器件等提供理论基础和技术储备。

该论文的共同第一作者为清华大学化学系博士后李馥、精密仪器系2019级博士生刘少峰和化学系2021级博士生刘王宇。论文通讯作者为清华大学化学系李景虹院士、张昊副教授和精密仪器系孙洪波教授与林琳涵副教授。清华大学化学系2020级博士生付钟、材料学院李正操教授和2021级博士生侯郑为、航院工程力学系李晓雁教授和蒋佳希博士为论文工作做出了重要贡献。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研项目、清华大学笃实计划、中国科学院战略性先导研究计划资助、国际科学伙伴计划、清华-佛山创新专项基金资助、精密测试技术及仪器国家重点实验室的资助。

2 作者简介

通讯作者

孙洪波，清华大学精密仪器系长聘教授、博士生导师、清华大学精密仪器系学术委员会主席。国家杰出青年科学基金获得者（2005）、教育部长江学者特聘教授（2005），全国优秀博士论文指导教师。

孙洪波教授是超精细激光加工领域世界知名的科学家之一，长期专注超快激光超精细特种制造领域的研究，包括超快激光与物质相互作用机理，制备微光学、微电子、微机械、微流控、微光电、传感、生物和仿生结构与器件；开拓超快光谱研究方法，探索前沿光电和电光转换动力学，系列工作为我国紧迫需求提供关键技术与解决方案。

围绕上述研究内容发表在Science、Nature Physics、Nature Photonics等高水平学术杂志发表SCI论文500余篇，被SCI论文引用30000余次，H因子90；研究结果被Nature、Science和Laser Focus World 等杂志专题介绍100余篇次，150余次国际会议邀请报告，荣获2020年国家自然科学奖二等奖（排名一）、2023年度全国创新争先奖。目前任Light: Science & Applications (Nature Publishing Group)杂志执行主编，PhotoniX杂志共主编。任中国光学学会微纳光学专业委员会主任、中国感光学会激光微纳成形专业委员会主任、原国务院学位委员会学科评议组成员、自然科学基金重大项目负责人。

通讯作者

林琳涵，清华大学精仪系副教授，博士生导师。

主要从事超快激光精密制造、激光微纳操控技术及纳米光学器件研究，在该领域发表SCI论文60余篇，其中以第一作者或通讯作者身份在Science、Nature Photonics、Science Advances、Materials Today、Accounts of Chemical Research、Nano Letters、ACS Nano、Light: Science and Applications、Advanced Functional Materials等期刊上发表论文40余篇。研究成果被Science、Nature Photonics、Discovery Channel、《光明日报》等刊物和媒体专题报道100余次，研究成果入选2022年中国光学十大进展、2022中国光学领域十大社会影响力事件，部分成果获得“Nature 2018年诺贝尔物理学奖专题”收录，以封面入选美国光学学会2018年光学年度进展（Optics in 2018）。

通讯作者

张昊，清华大学化学系副教授、博士生导师。

主要从事功能材料2D图案化和3D打印方法、以及柔性光电生物界面等方向研究。在相关领域发表文章40余篇，部分工作以第一作者或通讯作者发表于在Nature、Science、Science Advances、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie等期刊，被引用超过8000次，h-index为34。目前担任《Nano Research》青年编委。

通讯作者

李景虹，中国科学院院士、清华大学化学系教授，化学系学术委员会主任，清华大学分析中心主任。

李景虹院士近年来致力于电分析化学、生物电化学、单细胞分析化学、纳米电化学及能源环境电化学等领域的教学科研工作。以通讯作者在Science、Nature Nanotech.、Nat. Biomed. Eng.、Nature Protocol、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Anal. Chem.等学术刊物上发表SCI论文近400篇，应邀在Acc. Chem. Res.、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.等期刊发表综述，论文被引用>50,000次，h-index 118。2015年起连续入选汤森路透全球高被引科学家。曾获得国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖等。

3 原文传递

详情请点击论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg6681

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