激光因其方向性好、單色性佳、亮度高等特點被廣泛應(yīng)用于制造、檢測、傳感、醫(yī)療等領(lǐng)域。而飛秒激光作為一種特殊的激光，具有超短脈寬和超高光強等特點。

即使是實驗室通用的飛秒激光，其瞬間峰值功率可達到全球發(fā)電站總功率的 100 倍。因此，飛秒激光是一種在實驗室可輕易實現(xiàn)的極端的物理條件。

近年來，飛秒激光技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用獲得多項諾貝爾獎。然而，多年來，無論從基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用探索，飛秒激光與物質(zhì)相互作用仍然是“神奇的領(lǐng)域”，充滿了許多未知。

近日，浙江大學(xué)邱建榮教授聯(lián)合國內(nèi)外多個科研團隊發(fā)現(xiàn)了一種飛秒激光與物質(zhì)相互作用的全新物理機制，他們首次使用飛秒激光在玻璃材料內(nèi)部實現(xiàn)了可調(diào)成分和帶隙鈣鈦礦納米晶體（Perovskite Nanocrystals，PNC）的三維直接光刻。

并且，他們利用該技術(shù)進行了超高密度超長壽命光存儲、微型發(fā)光二極管列陣、彩色全息顯示等方面的應(yīng)用演示。有望實現(xiàn)幾百萬年甚至更久的光儲存，為下一代存儲及顯示技術(shù)提供了新思路。

圖丨相關(guān)論文（來源：Science）北京時間 2022 年 1 月 21 日，相關(guān)論文以《玻璃中穩(wěn)定的鈣鈦礦納米晶體三維直寫》（Three-dimensional direct lithography of stableperovskite nanocrystals in glass）為題發(fā)表在 Science 上。

該論文共同第一作者是浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院博士生孫軻、之江實驗室PI譚德志、上海理工大學(xué)研究員方心遠(yuǎn)。譚德志博士和浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院邱建榮教授為論文共同通訊作者。

首次使用飛秒激光在玻璃材料內(nèi)部實現(xiàn)了帶隙可控 PNC 的 3D 直接光刻

近年來，飛秒激光器被廣泛應(yīng)用于制造各種材料的三維功能結(jié)構(gòu)，但功能結(jié)構(gòu)的內(nèi)部組成可調(diào)性非常有限。

一般來說，當(dāng)激光與物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)時，多數(shù)利用的是物質(zhì)對光的線性吸收作用。當(dāng)亞帶隙波長的飛秒激光聚焦照射到透明材料中，會產(chǎn)生高度非線性效應(yīng)，很多現(xiàn)象相互交雜在一起。

邱建榮團隊早在 2000 年左右將飛秒激光照到玻璃材料內(nèi)部，實現(xiàn)了各種金屬納米顆粒、量子點以及功能微晶的空間選擇性析出。

這是由于當(dāng)飛秒激光聚焦到玻璃內(nèi)部后，它會在焦點形成等離子體。而等離子體因電子間產(chǎn)生作用而相互排斥，進而產(chǎn)生膨脹和擴散。然后，電子將能量傳遞給晶格，最后，會產(chǎn)生局域的溫度壓力場。局域溫度超過玻璃晶化或粒子析出的溫度時，就會在玻璃內(nèi)部長出各種晶態(tài)粒子。

圖丨直接在玻璃光刻組成可調(diào)的 PNC（來源：Science）與此同時，該團隊也曾嘗試過用納秒激光及長脈沖的皮秒激光聚焦到透明材料的內(nèi)部，以觀察在焦點的地方是否產(chǎn)生變化，但最終通常只在焦點處產(chǎn)生因微爆炸形成的微裂紋。

過去 20 多年的研究中，邱建榮團隊用飛秒激光技術(shù)在透明材料里實現(xiàn)了各種各樣的功能晶體，如二階非線性光學(xué)晶體、三階非線性光學(xué)晶體、金屬納米晶等的空間選擇性操控，但是一般只是一種組成晶體或結(jié)構(gòu)的形成。

與以往研究不同，在本次的研究中，邱建榮團隊實現(xiàn)了納微米尺度下，飛秒激光誘導(dǎo)的局域的液體納米相分離以及緊接著產(chǎn)生的離子交換，驗證了 PNC 形成和成分可調(diào)性的物理機制。

最直接的表現(xiàn)是，在玻璃內(nèi)部的任意一個點，都可以讓它“隨心所欲”地長出各種組成的納米晶。并且，這種 PNC 在紫外線照射、有機溶液和高達 250℃ 的環(huán)境中依然顯示出很好的穩(wěn)定性。

圖丨邱建榮教授（左一）與團隊（來源：邱建榮）2020 年，他們發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦和其他的物質(zhì)反應(yīng)“與眾不同”。“當(dāng)把飛秒激光聚焦到材料內(nèi)部時，納米晶長在中心，而非過去的邊緣位置，這雖然是一個很小的細(xì)節(jié)，但對我們而言是一種非常神奇的現(xiàn)象。”邱建榮說。

該團隊將銫（Cs）、鉛（Pb）、溴（Br）作為鈣鈦礦納米晶的前驅(qū)體摻雜到玻璃基質(zhì)中，并使用熔融冷卻法進行了制備。

而當(dāng)研究人員用碘（I）部分替代 Br，即把兩者混在一起摻到玻璃中，“驚喜”地發(fā)現(xiàn)——PNC 不僅長在激光焦點的中心，而且析出的 PNC 組成（對應(yīng)帶隙）隨激光照射條件可以進行精細(xì)控制。

“有意思的是，隨著飛秒激光照射時間的變化（幾毫秒），我們發(fā)現(xiàn)在長出鈣鈦礦的地方會產(chǎn)生赤橙黃綠青藍多種發(fā)光。”邱建榮說。

發(fā)現(xiàn)有趣的新現(xiàn)象后，對于這種現(xiàn)象背后的機理解釋便成了該團隊研究的重點。隨后，該團隊通過電鏡等多種方法進行表征。邱建榮解釋道：它的原理和油、水的分離及融合類似，飛秒激光誘導(dǎo)的局域高溫高壓促使玻璃首先產(chǎn)生了微納相分離。

“飛秒激光繼續(xù)照射時，緊接著會產(chǎn)生了離子交換現(xiàn)象，Br 跑出來I進去，最后只剩下I，并且組分連續(xù)可控。可以理解為，我們發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理機制。”他說。

圖丨動態(tài)控制鹵化物元素離子遷移和 PNC 的全彩印刷（來源：Science）隨后，該團隊對于析出的 PNC 進行分析，發(fā)現(xiàn)它們的組成不同，也就是說它們的帶隙不同，其對應(yīng)的發(fā)光也不同。“在材料內(nèi)部里任意一個點，我們都可以讓它產(chǎn)生我們所需要的不同發(fā)光。因此，該技術(shù)作為光學(xué)的器件在存儲、顯示、照明等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用潛力。”

總的來說，該團隊實現(xiàn)了對透明材料的時空域的調(diào)控，通過飛秒激光照射的時間來操控這種結(jié)構(gòu)，進而讓它產(chǎn)生連續(xù)、精細(xì)的變化。

該團隊希望最終實現(xiàn)跨時間、空間、多維度的調(diào)控。通過飛秒激光偏振、相位、脈沖前傾等參數(shù)的選擇，實現(xiàn)多結(jié)構(gòu)的精細(xì)操控，最終實現(xiàn)更多樣化的功能。

應(yīng)用于存儲、光能、照明、全息顯示等領(lǐng)域，已與國內(nèi)外公司合作推進

該技術(shù)的下一步研究重點包括在低功耗、長壽命、大容量的信息存儲。對于技術(shù)的優(yōu)化指標(biāo)，該團隊也有清晰的目標(biāo)。邱建榮表示，存儲速度方面，希望能實現(xiàn)甚至 100 飛秒的單脈沖存儲；在數(shù)據(jù)讀取方面，也將開拓包括并行讀取等新技術(shù)。

他舉例說道：“重點研發(fā)計劃項目希望通過與機器學(xué)習(xí)等先進技術(shù)結(jié)合來整體（并列）讀取，最終讀取速度達到 100GB/s。最終存儲的等效容量希望能達到 1PB（千萬億字節(jié)，其數(shù)據(jù)儲存量與 113 塊 10T 硬盤相當(dāng)）。”

圖丨飛秒激光三維直寫玻璃中 PNC 的彩色發(fā)光圖案和全息顯示（來源：Science）目前，已有的單比特存儲最低功耗為 50 納焦，該團隊希望未來能實現(xiàn) 10 飛焦。但是，這并不意味著功耗越低越好。邱建榮表示，在實際應(yīng)用領(lǐng)域，功耗低可能意味著穩(wěn)定性會受影響，所以具體指標(biāo)還需要進一步討論與探索。

在使用壽命上，該技術(shù)可以實現(xiàn)調(diào)控及長壽命儲存，比如幾百年甚至永久性儲存。一般來說，使用壽命與功耗相互制約，壽命長意味著穩(wěn)定，功耗也會相對高。“我們的目標(biāo)是，希望可以用一個光盤儲存人一生的數(shù)據(jù)。”邱建榮說。

據(jù)介紹，該技術(shù)已應(yīng)用在承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃課題，并申請了 4 個國內(nèi)專利（其中 1 個已獲準(zhǔn)），在國際專利方面也將積極布局。

目前，在存儲的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，該技術(shù)已經(jīng)與國內(nèi)外公司共同推進，并在飛秒激光直寫光波列陣方面獲得了國際領(lǐng)先的損耗記錄（插入損耗小于 0.7dB，傳輸損耗小于 0.07dB/cm）。

邱建榮表示，飛秒激光的相關(guān)應(yīng)用不局限在實驗室，近幾年團隊已經(jīng)開發(fā)了系列通用的應(yīng)用裝備。“未來如果實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，裝備的穩(wěn)定性還需要進一步地提高，成本也需要進一步下探。我們已經(jīng)在布局，期待在不遠(yuǎn)的將來該技術(shù)真正地落地應(yīng)用。”

聯(lián)合多團隊完成該研究，與飛秒激光領(lǐng)域結(jié)緣 27 載

該技術(shù)由多團隊合作完成，由邱建榮領(lǐng)導(dǎo)的浙大團隊負(fù)責(zé)飛秒激光與材料相互作用機理和操控技術(shù)研究，如材料設(shè)計、激光與物質(zhì)相互作用機理，激光操控技術(shù)；上海理工大學(xué)顧敏院士團隊聚焦于全息立體彩色顯示；南方科技大學(xué)劉召軍教授團則重點專注 Micro-LED 的功能演示；丹麥奧爾堡大學(xué)岳遠(yuǎn)征院士團隊合作進行了機理的分析。

圖丨2005 年，邱建榮教授（右一）獲得德國 Abb 基金 Otto-Schott 研究獎（華人唯一獲獎?wù)撸▉碓矗呵窠s）邱建榮專注飛秒激光與材料相互作用領(lǐng)域 27 年，他與飛秒激光結(jié)緣于1995年。先后曾擔(dān)任日本京都大學(xué)平尾一之教授牽頭的項目的 Chief Researcher 和 Group Leader，美國康奈爾大學(xué)應(yīng)用與工程物理系 Gaeta 實驗室研究員，中國科學(xué)院上海光機所研究員、博士生導(dǎo)師，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院求是特聘教授。此外，他還是教育部長江特聘教授，國家杰出青年基金獲得者，美國光學(xué)學(xué)會 Fellow，美國陶瓷學(xué)會 Fellow,世界陶瓷科學(xué)院院士。

圖丨邱建榮團隊（來源：邱建榮）邱建榮認(rèn)為，“通過研究飛秒激光與物質(zhì)作用背后的物理機制，再去開拓能精細(xì)操控我們所需要結(jié)構(gòu)的技術(shù)，進一步地探索它的應(yīng)用。未來，希望我們在飛秒激光以及激光的應(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)有所發(fā)現(xiàn)、有所發(fā)明、有所創(chuàng)造、有所前進。”

-End-

參考：

1.Ke Sun et al. Science 375，6578，307-310（2022）. https://doi.org/10.1126/science.abj269