武漢大學(xué)實(shí)現(xiàn)納米晶芯片高速3D打印

近日，國際權(quán)威頂級期刊《美國化學(xué)會志》 （Journal of the American Chemical Society，JACS）發(fā)表鄧鶴翔教授和程佳瑞教授合作研究成果。論文題為“Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning in Air Using MOFs” （《空氣環(huán)境下基于MOF的納米金屬激光冶煉及圖案化》），被選為當(dāng)期雜志封面，博士后江浩慶為論文的第一作者。

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

金屬納米晶粒是制備光電子器件的重要原料。但金屬納米晶粒活性高、極易被氧化，制備過程往往需要溶液、真空或惰性氣氛保護(hù)，因此制造工藝復(fù)雜，難以大規(guī)模應(yīng)用。化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院鄧鶴翔教授與工業(yè)科學(xué)研究院程佳瑞教授團(tuán)隊(duì)合作，采用金屬有機(jī)框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作為原料，利用激光成功制備了顆粒大小均一的金屬納米晶粒。

通過程序控制激光的開閉和光斑的移動實(shí)現(xiàn)了圖案的制備，僅數(shù)十秒即可打印出由金屬納米晶粒構(gòu)成的晶圓級別大小的芯片，整個過程完全在空氣中進(jìn)行，所需激光功率不到5瓦，非常適合規(guī)模化生產(chǎn)。

激光照射金屬有機(jī)框架材料（MOF）產(chǎn)生金屬納米晶粒及芯片打印

MOF由金屬與含碳有機(jī)配體構(gòu)筑。目前大部分研究集中在MOF中有機(jī)成分上，而結(jié)構(gòu)中豐富的金屬離子尚未充分利用。此項(xiàng)工作提出了激光納米金屬冶煉及圖案化方法（Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning, 簡稱nano-LaMP）：以MOF為原料實(shí)現(xiàn)了空氣環(huán)境下的金屬納米顆粒制備和同步圖案打印。

在反應(yīng)過程中，MOF晶體內(nèi)有序排列的金屬離子和有機(jī)配體分別作為金屬源和還原劑。納秒脈沖激光器則負(fù)責(zé)將能量精準(zhǔn)地投送到指定位置，為金屬還原提供能量。MOF晶體高效吸收激光后產(chǎn)生局域高溫，金屬離子被迅速還原并從MOF豐富的孔道中噴射出來，在基底上沉積并迅速冷卻形成金屬納米晶粒。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果微觀圖示

nano-LaMP方法展現(xiàn)出較好的普適性，能夠基于含有不同金屬離子的MOF晶體制備出鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎘、銦、鉛和鉍九種金屬納米晶粒及其圖案。其中，基于銅納米晶粒的表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)芯片在對多種生物分子的檢測中提供極低的檢測限（10-12 M）。nano-LaMP結(jié)合了激光和MOF材料的優(yōu)點(diǎn)，為芯片制造提供了節(jié)能環(huán)保、快速靈活的新方法。

使用nano-LaMP制備的不同金屬的納米晶

該工作獲得國家自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃武漢大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助，以及上海光源（SSRF），武漢大學(xué)大型儀器共享平臺和測試中心的支持。