香港城市大學團隊，開發了一種全新的「等離激元光熱打印」技術，可在室溫常壓條件下利用飛秒激光，對材料施加微尺度圖案化。團隊使用此技術構建了多種高密度、多層結構複雜的全金屬氧化物電子器件，性能媲美傳統的、結合真空高溫退火和多次複雜光刻工藝製備的對應器件。此技術爲集成電子、光電子芯片及多種類型傳感器件的高通量、低成本製造提供了全新的解决方案。成果已發表於《自然 － 材料》，題爲：Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature。

論文：

• https://www.nature.com/articles/s41563-025-02268-w

研究背景

以光刻技術爲代表的傳統微納加工方法，本質是一種「間接圖案化」過程，僅限於加工光刻膠等犧牲層材料，而非直接加工功能材料本身，因爲多數功能材料缺乏光敏特性，需通過複雜的刻蝕、蒸鍍等圖案轉移流程才能形成目標結構。相比之下，激光直寫技術（如飛秒激光雙光子聚合）成為複雜三維微納結構製備的新可能。然而，傳統有機光敏樹脂通常爲電絕緣體，光學折射率亦較低，嚴重限制其在電學和光學調控中的應用。

近年的研究轉向功能材料的激光直寫打印，力求實現材料結構、器件功能的單次集成。

研究成果

貴金屬納米結構中的表面等離激元共振的弛豫通道，主要包括輻射弛豫和非輻射弛豫。輻射弛豫通常是，以光子發射的形式釋放等離激元模式能量，而非輻射弛豫則是，通過熱電子的産生和能量共振轉移，實現能量轉換，其中的熱電子的部分能量轉化爲局域熱能。具體過程爲：熱電子首先通過電子－聲子相互作用與晶格交換能量，時間尺度爲 100 飛秒至 1 皮秒；隨後，金屬晶格通過聲子－聲子相互作用與環境進行熱交換，達到熱平衡，時間尺度延續至數百皮秒至 10 納秒，最終體現爲局域等離激元光熱效應。

基於以上高效、瞬時、局域化光熱轉換機制，研究團隊利用飛秒激光輻照具有寬帶吸收的銀納米綫網格結構，利用等離激元光熱效應，形成强局域高溫熱場，進而高效誘導下方熱敏前驅體材料的快速轉化，實現高質量功能材料薄膜的原位打印、高性能器件的逐層製備。

通過計算不同飛秒激光輻照時間下的等離激元光熱效應，研究發現該過程可分爲三個主要階段：

初始階段（激光照射開始時），等離激元納腔「熱點」在銀納米綫交叉處形成，表現出最高的光吸收效率（a-b），同時具備最大局部加熱速率（c）；

隨着局部加熱使交叉處溫度快速升高以致熔化，部分銀納米綫逐漸轉變爲細小且密集排列的納米顆粒，此時光吸收效率和局部加熱速率均下降約一個數量級（d-f），但是得益於被輻照的納米顆粒集體加熱的貢獻，整體升溫速率仍保持較高水平；

最後，這種顯著的局域加熱效應促使相鄰的小顆粒／不規則組裝體發生合併，逐漸形成更大且較稀疏的顆粒結構（g），此過程中熱量産生速率逐漸降低，並最終完成銀納米綫形態演化（h-i） 

與傳統激光加熱相比，該技術光熱轉換效率更高，可在不損傷材料的情况下對透明前驅體材料進行高質量加工，有效提升了薄膜質量和器件性能。

等離激元光熱打印與其它加工技術對比

該打印系統整合了兩束不同波長的飛秒激光：800 nm 飛秒激光作爲主要光源，激發銀納米綫産生强烈的等離激元納腔光熱效應，提供高溫局部熱源；400 nm 飛秒激光則用於觸發前驅體材料的光化學反應，進一步提升薄膜的結晶度和電學性能。該自主研發的微尺度打印系統，不僅提高了加工靈活性，還確保了圖案化過程的高分辨率和可重複性。

利用此技術，團隊在室溫大氣環境下成功製備了高性能的全金屬氧化物晶體管陣列，性能可比擬多晶硅薄膜晶體管、利用高溫真空磁控濺射等技術製備的商業化 IGZO 薄膜晶體管，還實現了全溶液法製備的高密度全金屬氧化物晶體管陣列，密度可達目前最高紀錄 48400 個／平方厘米的水平。該技術還支持大面積晶圓級的均勻加工，展現出良好的規模化製造前景。

研究團隊

論文共同第一作者是香港城市大學付洋博士、高瞻博士，共同通訊作者是于欣格博士、雷党願教授。該研究獲得香港研究資助局、香港創新科技署、國家自然科學基金委的資助。

來源：中國光學

如欲知道更多教科相關消息，請留意京港 Facebook 專頁：https://www.facebook.com/BHKAEC