梯度石墨烯驅動激光自對準轉印技術

　　近日，華中科技大學機械學院/智能制造裝備與技術全國重點實驗室黃永安教授在Nature旗下國際光學頂尖期刊《Light: Science & Applications》上發表題為“Gradient-graphene-enabled directional photothermal regulation for self-aligned laser transfer printing（基于梯度石墨烯定向光熱調控策略的自對準激光轉印技術）”。該研究創新性地提出并實現了一種基于“熱導率梯度碳層”的自對準激光轉印技術（Self-aligned Laser Transfer, SALT），攻克了傳統激光轉印技術的光斑與芯片的對準偏差導致芯片轉移誤差的難題，為陣列化微納器件異質集成提供了全新的解決方案。

　　將數以百萬計的微型芯片（如MicroLED、傳感器陣列等）精準、高效地集成到柔性或非平面基底上，是柔性顯示、可穿戴設備及生物電子等領域的制造基石。激光在能量、時間和空間具有高度可控性，通過激光與印章中界面材料相互作用推動芯片向基板轉移，被視為最具潛力的解決方案。但其產業化一直受限于一個根本性瓶頸：在高速掃描過程中，激光光斑與芯片的對準精度要求極為苛刻，微小的照射偏差就會導致芯片釋放不同步、軌跡偏移，嚴重影響良率與精度。

　　面對這一挑戰，華中科技大學黃永安教授團隊改變思路，將調控對象由傳統的“入射光場”轉向光熱轉換后的“熱場”（圖1）。團隊不再追求激光與芯片的絕對對準，而是通過賦予轉印印章“智能糾偏”能力，研發了自對準激光轉印技術（SALT）。該技術在印章中巧妙地引入了“熱導率梯度石墨烯”，利用材料的梯度導熱特性實現了光熱的“自動勻化”。具體而言，熱梯度石墨烯通過準分子激光誘導聚合物限域改性制備（上層高導熱石墨烯，下層低導熱無定形碳），利用碳同素異構體熱導率上的跨量級差異，構建了定向熱傳導路徑，將非均勻光場輸入轉化為均勻溫度場輸出。當激光照射時，上層高導熱石墨烯從無定形碳中將大部分熱量（80%）吸收并快速橫向擴散，通過“疏堵結合”的機制實現熱量“自動找平”。

該技術的特點在于：

　　高精度與高容錯：在激光光斑偏移量達到芯片尺寸30%的嚴苛條件下，轉移精度仍可保持在<5 μm，對工藝波動的容忍度相比傳統方法提升約6倍。

　　高效可編程選擇性：通過調控梯度石墨烯碳層的“灰度”（即紅外吸收率），無需為每個芯片規劃復雜的激光路徑，即可利用單次全域激光掃描實現特定芯片的批量選擇性釋放，提升了操作的靈活性與效率。

　　強大的兼容性與擴展性：該技術成功實現了從100 μm到1mm跨尺度、異形芯片在無粘性基底上的精準集成。此外，研究團隊通過多次選擇性轉印，成功組裝了可編程點亮的全彩柔性MicroLED微型顯示器件，驗證了SALT在柔性顯示領域中的應用潛力。

圖1自對準激光轉印技術原理

　　高質量的印章制備是實現自對準效果的關鍵。如圖2所示，轉印圖章由透明石英基板、光熱轉換石墨烯碳層和微空腔粘附層組成。團隊開發了一種獨特的界面限域激光碳化工藝，不同于傳統的表面燒蝕，研究人員利用準分子激光透過透明石英基板輻照聚酰亞胺（PI）界面。這種封閉環境引發了獨特的“自限制”反應：隨著碳化產物的累積，其對紫外激光的吸收逐漸增強，阻斷了反應的向下延伸，從而自然誘導形成了“上層高結晶石墨烯-下層無定形碳”的垂直梯度結構。拉曼光譜逐層分析證實，這種原位生成的梯度層在原子尺度上實現了從有序晶格到無序結構的連續過渡。配合優化設計的微腔陣列結構，該復合印章在保證高吸光效率的同時，兼具了優異的力學粘附調控性能。

圖2 梯度碳層印章制備與表征

　　為了深入解析梯度碳層通過定向熱調控實現光熱自勻化的機理，研究團隊通過多物理場仿真與高速觀測實驗揭示了其光熱解耦機制（圖3）。在傳統的激光轉印中，光斑位置直接決定了熱點位置。而在SALT技術中，梯度碳層打破了這一對應關系：無定形碳作為“熱源”，石英基板作為“散熱片”，而石墨烯層則充當了高效的“熱界面材料”，三者協同作用確保了PI底層的溫度均勻分布。仿真與實驗數據均表明，即使激光發生顯著偏移，傳遞到粘附層的溫度場依然能保持均勻分布，確保了微器件的同步、垂直釋放，即使紅外激光偏移量達到芯片尺寸的30%，也能保證芯片轉移精度小于5 μm。

圖3 梯度碳層定向熱調控機理

　　在大規模MicroLED顯示制造中，如何高效地從數百萬顆芯片中挑選特定像素進行轉移是一大挑戰。團隊創新性地引入了“光熱閾值門控”理念（圖4）。通過精準調控準分子激光加工參數，可以在同一印章上預制出具有不同紅外吸收率（即“灰度”）的梯度碳層陣列。在單次紅外激光全域掃描下，只有吸光度超過特定閾值的區域才會產生足夠的熱量釋放芯片。這種方法摒棄了傳統技術對復雜激光掃描路徑規劃的依賴，實現了任意圖案微芯片的并形化、批量選擇性組裝。

圖4 灰度控制的梯度碳層實現批量選擇性轉移

　　SALT技術的通用性與系統集成能力在多場景應用中得到了驗證（圖5）。本研究通過自主搭建的巨量轉移裝備（iGreatTransfer），將鈦金屬膜、不銹鋼微球、硅片、玻璃片等多種微芯轉印到不同無粘性基底上，展現了該技術對基底和芯片材料的普適性。此外，團隊成功利用該技術制造了可編程驅動的RGB全彩柔性MicroLED顯示系統。這標志著自對準激光轉移技術已具備從單一器件轉移邁向復雜光電系統集成制造的實用化潛力。

圖5 微芯片和MicroLED芯片的顯示集成應用

　　該研究不僅實現了微芯片高效、高精度轉印集成效果，更發展了一種普適性的自對準策略，通過在能量傳遞路徑中引入智能梯度材料進行本征調控，為微電子器件的大規模、高良率制造提供了全新的技術路徑，有望實現在柔性顯示、生物電子、柔性可穿戴電子設備等諸多前沿領域應用。

　　華中科技大學機械學院2021級博士生蓋夢欣為論文第一作者，華中科技大學黃永安教授和南京理工大學卞敬副教授為共同通訊作者。機械學院2023屆博士畢業生陳福榮，2025屆碩士畢業生劉磊，2024級博士生肖宏，2024級碩士生羅渝，2023級碩士生馬宇行、黃欣程等參與研究。研究得到了國家自然科學基金與湖北省中央引導地方發展專項的資助。

　　論文鏈接：Mengxin Gai et al., Gradient-graphene-enabled directional photothermal regulation for self-aligned laser transfer printing. Light Sci Appl 15, 62 (2026).

　　
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02170-9

來源：高分子科技