玻璃內“雕”三維半導體納米晶結構飛刀技術為新一代顯示和存儲技術提供新方向

柯溢能 吳雅蘭

供圖/視覺中國

激光被稱為“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”，自20 世紀60 年代初人類發明第一臺激光器以來，激光已廣泛應用于我們生活的方方面面。激光被公認為是20 世紀人類最偉大的四大發明之一。20 世紀80 年代，科學家發明了一種奇特的激光——飛秒激光，一種人類在實驗室可以實現的超短脈沖激光。飛秒激光具有超快、超強和超寬頻譜的特點，近年來發展非常迅速，其相關的技術和前沿應用成果已誕生了多項諾貝爾獎，現在很多眼科近視矯正手術都用到了飛秒激光。

不過，飛秒激光與物質相互作用的機理錯綜復雜，仍然存在很多疑問，連科研人員都琢磨不透它的“脾氣”。近日，浙江大學光電科學與工程學院邱建榮教授團隊發現了飛秒激光誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規律，開拓了飛秒激光三維極端制造新技術，首次在無色透明的玻璃材料內部實現了帶隙可控的三維半導體納米晶結構。這將為新一代顯示和存儲技術提供新的方向。

2022 年1 月21 日，國際頂級學術期刊《科學》刊登了這項成果。論文共同第一作者為浙江大學光電科學與工程學院博士生孫軻、之江實驗室研究員譚德志、上海理工大學研究員方心遠，通訊作者為譚德志博士和邱建榮教授。

在論文工作的機理解釋、全息顯示以及Micro-LED（微米發光二極管）演示等方面，團隊與丹麥奧爾堡大學岳遠征院士、上海理工大學顧敏院士團隊、南方科技大學劉召軍教授團隊以及浙江大學農生環測試中心進行了卓有成效的合作。

激光界的“小李飛刀”

飛秒是度量時間長短的一種計量單位，也稱為毫微微秒，1 飛秒為1秒的一千萬億分之一。飛秒激光，顧名思義就是在飛秒的時間段內發出的脈沖激光，也就意味著能量在飛秒間瞬間釋放。有一個成語叫蓄勢待發，正好可以用來形容能量在飛秒內的集中爆發。

飛秒激光有何驚人之處？一是瞬時峰值功率非常高，甚至比全世界發電總功率還要高出百倍。二是能聚焦到比頭發直徑還要小的空間區域內，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高。高峰值功率且能聚焦的特性使飛秒激光的光強甚至能達到1022W/cm2量級。這樣的強度遠遠超過了原子內部相互作用的庫倫場。所以，飛秒激光脈沖能使電子輕易脫離原子的束縛，形成等離子體。

正是因為具有超快超強的特點，飛秒激光被廣泛應用于信息、環境、能源、醫療等各個領域。“為什么飛秒激光能用來做手術？因為眼部神經血管很豐富，手術需要穩、準、狠，而這把‘激光刀’干凈利索，只對聚焦點區域產生作用，不影響周圍環境。”邱建榮說。

穩、準、狠的飛秒激光，是不是跟古龍筆下例無虛發的“小李飛刀”有幾分相似呢？

譚德志表示，光存儲不僅功耗小，而且容量有望達到1PB/光盤，將是一個大有可為的未來發展方向，預期存儲壽命將達到幾百萬年之久。

揭開飛刀秘密

當飛秒激光聚焦到透明材料內部時，會產生一系列基于多種高度非線性效應的物理化學動力學過程。盡管飛秒激光有這么多用處，但是科研人員對其機理依舊知之甚少。

邱建榮團隊長期從事飛秒激光與材料相互作用研究，并取得了一系列高度原創的重要突破，處于國際領先地位。比如，他們發現了飛秒激光誘導折射率變化、偏振依賴納米光柵、沿激光傳播方向周期性納米孔洞等新現象和新機制，開拓了空間選擇性操控離子價態、直寫三維光波導、析出和擦除功能納米晶體等新技術，部分成果已經在集成光路、光通信等領域得到應用。

取得這次成果的第一步是制備均勻透明玻璃。“如果玻璃里面有一點氣泡、結石或者條紋就會影響折射率分布，最終導致基于多光子效應的光與玻璃相互作用效果的劇烈變化。”研究團隊利用長期研究積累的豐富經驗，在大量實驗的基礎上，成功燒制出了均勻的適合激光加工的前驅體玻璃。

接下來的一步就是把飛秒激光聚焦照射到玻璃內部。但是剛開始的試驗，團隊并沒有找到規律，邱建榮團隊開展了他們一貫所提倡的“地毯式轟炸”試驗模式，反復調整，反復試驗。在經過精心設計和一系列優化后，團隊最終獲得了理想的超快激光精雕工藝，成功在玻璃內部實現了組分可調的鈣鈦礦納米晶，在“一瞬間”的時間尺度內就能隨心所欲實現結構和性能操控。

接下來如何進一步讓激光在瞬間刻出具有眾多像素點構成的三維圖案？如何利用透射掃描電鏡觀察比頭發絲還要細得多的刻痕？團隊在踏踏實實的研究中攻克了一個又一個難關。

從磁存儲向光存儲出發

2019 年，團隊第一次能夠調控一種發光顏色。經過進一步系統研究，如今團隊已經能調控多種發光顏色了。

“我一直認為科學研究沒有什么捷徑可走，我們需要老老實實一步一個腳印地開展實證。”邱建榮說。

團隊以含Cl--Br--I-的鹵氧化物復合玻璃為例，實現了在玻璃中具有可調諧成分和帶隙的鈣鈦礦納米晶3D 直接光刻，形成的納米晶在紫外線照射、有機溶液浸泡和250 攝氏度高溫環境中表現出顯著的穩定性，展示了這種3D 結構納米材料在光存儲、Micro-LED（微米發光二極管）和全息顯示方面的應用。

為了進一步展示該技術的特點，研究團隊在微米級精度內實現了應用于多維信息編碼和防偽的鈣鈦礦納米晶彩色圖案化，以及在一塊Cl--Br--I-共摻雜玻璃內部的全彩色發光圖案和3D 微螺旋直寫以及三維全息顯示。由于超快激光誘導的液相納米分離只發生在玻璃內部的局部位置，三維激光直寫技術排除了材料合成和器件加工過程中有機組分（試劑和溶劑）的污染。此外，穩定性實驗表明該類器件可以在各種環境中長期使用。

此項研究的一個應用方向就是三維、四維甚至更多維度的光儲存。“現有的存儲設備多為磁存儲，有一些缺點，一是使用壽命只有3～5 年，二是耗能比較大，散熱要求高。”譚德志表示，“光存儲不僅功耗小，而且容量有望達到1PB/光盤，將是一個大有可為的未來發展方向，預期存儲壽命將達到幾百萬年之久。”