清华大学重磅《Science》！3D打印纳米晶体！超出衍射极限分辨率！

来源：材料学网

三维 (3D) 激光纳米打印允许无掩模制造具有纳米级分辨率的各种纳米结构。然而，无机纳米结构的 3D 制造通常需要纳米材料-聚合物复合材料，并且受到光聚合机制的限制，导致材料纯度降低和固有性能退化。

2022年9月2日，南极熊获悉，清华大学孙洪波及林琳涵共同通讯在Science 在线发表题为“3D nanoprinting of semiconductor quantum dots by photoexcitation-induced chemical bonding”的研究论文，该研究开发了一种独立于聚合的激光直写技术，称为光激发诱导化学键合。

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提高其化学反应性，从而导致粒子间化学键合。 作为概念验证，该研究以超出衍射极限的分辨率打印了任意 3D 量子点架构。 该研究将使自由形式的量子点光电器件的制造成为可能，例如发光器件或光电探测器。

基于激光的纳米打印具有低至纳米级的高分辨率，但它通常依赖于光聚合，并且仅限于光固化树脂。超越聚合物的功能性纳米材料的三维 (3D) 制造仍然具有挑战性。一种策略是使用 3D 聚合物骨架作为无机材料保形沉积的掩膜，从而产生有机-无机纳米杂化物。 然而，不需要的聚合物骨架的存在会降低材料的纯度并阻碍其固有的机械或物理性能。

虽然聚合物模板可以被蚀刻掉，但只能获得中空的无机结构。另一种策略是将光固化单体与无机纳米材料混合，即光固化纳米复合材料，用于直接激光打印。 固化后的聚合物可以通过后烧结去除，但这会导致结构收缩和缺陷产生 。

图一、PEB的工作原理。

图二、 纳米像素打印和QD表征。

图三、线性、弯曲和体积3D纳米结构。

图四、多色显示和异构打印。


解决这些问题的关键是开发一种超越光聚合的打印机制。Talapin等人设计了在光照射下分解的光活性配体，用于直接光学光刻。然而，这种方法需要对特定纳米晶体具有选择性的表面配体的复杂设计。在该研究工作中，以半导体量子点（QDs）为例，提出了一种策略，利用光激发产生的电子-空穴对来改变 QDs 的表面化学，从而诱导粒子间化学键合，研究人员称之为光激发诱导化学键合（PEB）。

使用半导体量子点是因为它们能够在激发下产生电子-空穴对。这种高能载体一旦被捕获，就可以改变局部电子状态并调整粒子间键合的化学反应性。作为概念验证，该研究以超出衍射极限的分辨率打印了任意 3D 量子点架构。 该研究将使自由形式的量子点光电器件的制造成为可能，例如发光器件或光电探测器。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5345