Nat. Mater.: 等離激元光熱打印賦能高性能全氧化物電子集成

香港城市大學研究團隊創(chuàng)新性地開發(fā)了一種全新的“等離激元光熱打印”技術(shù)，在先進制造領(lǐng)域取得重要突破。研究團隊利用該技術(shù)，在室溫常壓的開放環(huán)境中，首次實現(xiàn)了高密度、高性能全金屬氧化物電子器件的打印制造，其性能足以媲美采用傳統(tǒng)真空、高溫、多重光刻等復(fù)雜工藝制成的器件。該成果將物質(zhì)制造的便利性與性能表現(xiàn)提升至新的高度，以“Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature”為題，近期在線發(fā)表于Nature Materials。

等離激元效應(yīng)作為納米光子學發(fā)展的核心驅(qū)動力，正推動著諸多前沿技術(shù)從理論走向應(yīng)用。在下一代電子器件領(lǐng)域，溶液處理的金屬氧化物因其優(yōu)異的電學特性和低成本潛力而備受關(guān)注。然而，其制造過程通常依賴于高溫退火和復(fù)雜的真空光刻技術(shù)，這極大地限制了其大規(guī)模、低成本和柔性化的應(yīng)用。

圖一：等離激元光熱打印原理及示意圖

為突破這一瓶頸，該團隊巧妙地利用了貴金屬納米結(jié)構(gòu)的等離激元光熱效應(yīng)。他們開發(fā)的“等離激元光熱打印”技術(shù)，通過飛秒激光照射噴涂在金屬氧化物前驅(qū)體薄膜上的銀納米線（Ag NWs）網(wǎng)絡(luò)。在激光激發(fā)下，納米線網(wǎng)絡(luò)能產(chǎn)生瞬時且空間高度局域的“熱點”，局部溫度可瞬間超過360°C，從而精準驅(qū)動下方的透明熱敏前驅(qū)體材料快速轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的功能薄膜。通過精確掃描激光光斑，即可實現(xiàn)金屬氧化物的微尺度圖案化。

圖二：等離激元光熱效應(yīng)打印圖案化金屬氧化物薄膜及裝置圖

在此工作中，該團隊與合作者深入研究了光熱轉(zhuǎn)換的物理機制。研究發(fā)現(xiàn)，當飛秒激光照射到相互交叉的銀納米線上時，交叉的結(jié)點處會因等離激元納腔效應(yīng)產(chǎn)生巨大的電場增強，這是形成最高效“熱點”的關(guān)鍵。整個打印過程分為三個階段：初始的交叉點高效升溫、中期的納米線熔化為細密顆粒、以及最終合并為較大顆粒的形態(tài)演化，從而實現(xiàn)了對熱量的精準調(diào)控。此外，團隊還自主研發(fā)了一套雙激光打印系統(tǒng)：800 nm激光主要用于激發(fā)光熱效應(yīng)，提供高溫熱源；400 nm激光則輔助觸發(fā)材料的光化學反應(yīng)，進一步提升薄膜的結(jié)晶度和電學性能。

圖三：交叉銀納米線等離激元納腔中近場分布及形貌轉(zhuǎn)變

實驗結(jié)果充分證實了該技術(shù)的有效性與優(yōu)越性。研究團隊成功打印了包含導體、電介質(zhì)和半導體在內(nèi)的多種核心電子材料，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了密度高達48,400個/cm2的全金屬氧化物晶體管陣列。同時，團隊還直接打印了多種邏輯門電路，驗證了該技術(shù)在集成電子學領(lǐng)域的巨大潛力。這項工作不僅為功能材料的直接打印開辟了新道路，更為未來集成電子、光電子芯片及各類傳感器件的高通量、低成本制造提供了一種全新的解決方案，有望推動異質(zhì)異構(gòu)集成等先進制造技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用。

圖四：形貌驅(qū)動等離激元光熱轉(zhuǎn)換和局部溫度升高

圖五：等離激元光熱打印高密度全金屬氧化物晶體管陣列及集成邏輯電路

該研究獲得了香港城市大學、香港研究資助局、香港創(chuàng)新科技署和國家自然科學基金委的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02268-w