南科大科研團(tuán)隊在光學(xué)圖案化方面取得新進(jìn)展

近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授胡程志課題組在半導(dǎo)體納米顆粒的光學(xué)圖案化領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“Light patterning semiconductor nanoparticles by modulating surface charges”為題發(fā)表在國際期刊 Nature Communications 上。

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光學(xué)圖案化技術(shù)因其在柔性電子、光電器件、微納機(jī)器人等領(lǐng)域的重要應(yīng)用價值，近年來備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有光學(xué)圖案化技術(shù)通常依賴高強(qiáng)度光源和復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，難以適配大規(guī)模生產(chǎn)需求，同時對能量消耗及設(shè)備成本要求較高。因此，開發(fā)簡單、高效且經(jīng)濟(jì)可行的圖案化方法成為該領(lǐng)域的研究重點。

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圖1. ZnO@Cit納米顆粒的正向圖案化機(jī)理

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圖2. ZnO@Cit納米顆粒的正向圖案化結(jié)果

胡程志課題組提出了基于光觸發(fā)表面電荷調(diào)控的半導(dǎo)體納米顆粒圖案化新方法。研究團(tuán)隊利用紫外光激發(fā) ZnO 納米顆粒表面配體的光降解反應(yīng)，顯著改變顆粒表面電荷，從而通過靜電作用將顆粒精確排列于帶電基底上，實現(xiàn)了正、負(fù)圖案的快速、低成本制造。

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圖3. ZnO@Cit/PDDA納米顆粒的負(fù)向圖案化

該方法的優(yōu)勢是：（1）相比傳統(tǒng)激光技術(shù)，該方法僅需6 mW/cm²的光強(qiáng)，即可在10秒內(nèi)生成厘米級圖案，能量消耗顯著降低；（2）無需光刻膠，適配透明玻璃、柔性PVC等多種基底；（3）除 ZnO 外，該方法亦適用于其他半導(dǎo)體材料（如ZnS、CdS、TiO2），展示了光學(xué)圖案化在多材料體系中的潛力。

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圖4. 由圖案化 ZnO@Cit 納米顆粒制成的紫外光探測器

研究團(tuán)隊進(jìn)一步利用該圖案化技術(shù)制備了基于 ZnO 納米顆粒的紫外光探測器，該器件表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能，光/暗電流比高達(dá)10⁴。該技術(shù)為光電子器件的規(guī)模化制造提供了新的技術(shù)途徑，展現(xiàn)了其在智能設(shè)備、傳感器等領(lǐng)域的巨大潛力。

南科大機(jī)械與能源工程系博士研究生何小麗為論文第一作者，康斯坦茨大學(xué)顧紅日博士（現(xiàn)為香港科技大學(xué)助理教授）為第二作者，南科大機(jī)械與能源工程系副教授郭亮提供了理論指導(dǎo)，胡程志和蘇州大學(xué)教授楊湛為論文共同通訊作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位。此項研究得到了國家重點研發(fā)計劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會、深圳自然科學(xué)基金穩(wěn)定支持計劃以及深圳市科技計劃的資助。南方科技大學(xué)分析檢測中心以及工程師馬續(xù)航為論文提供了技術(shù)支持和協(xié)助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53926-7