研究亮點：

    1.實現了金屬/單晶半導體核殼納米晶在剛性（如硅片、玻璃片）/柔性（石墨烯）襯底上的二維、三維超晶格大面積組裝。

    2.  利用低能量的激光輻照法，實現了這些超晶格組裝體中納米顆粒的激光熔合，制備了全新的超結構，并展現了全新的性能。

    微納制造，將尺度為毫米、微米和納米量級的零件，以及由這些零件構成的部件或系統的設計、加工、組裝、集成與應用的技術。隨著微納制造單元從現有的幾十納米降低到十納米一下，傳統“宏”機械制造技術已不能滿足這些“微”機械和“微”系統的高精度制造和裝配加工要求，微納制造技術是微傳感器、微執行器、微結構和功能微納系統制造的基本手段和重要基礎。激光宏觀制造，基于激光與物質相互作用引發熱效應的制造過程，產生了激光切割、激光焊接、激光重熔/合金化等激光表面工程等一系列加工制造技術。

    近20年來，隨著單分散膠體納米晶（金屬、半導體）制備技術的成熟，單分散的納米晶作為基本的結構單元，進行大面積的超晶格自組裝及器件應用成為研究熱點。真正實現代表不同性能的納米晶材料的由下而上（bottom-up）一元、二元等大面積的自組裝超結構，是充分發揮納米晶材料的表面效應、尺寸效應、量子限域效應等納米效應，并實現宏觀納米器件的關鍵步驟。目前的關鍵問題還在于自組裝之后，因為納米晶表面的有機穩定層，阻擋了顆粒之間的有效載流子傳輸，阻礙了器件規模組裝薄膜的性能根本提升。

    金屬@半導體核殼納米晶因為最大的異質接觸面積及可調的等離子體-激子耦合效應等，成為潛在器件應用的結構單元。北京理工大學張加濤研究團隊在利用可控陽離子交換策略實現異質界面精準調控的金屬@單晶半導體核殼納米晶的非外延制備基礎上，利用可控溶劑揮發輔助的提拉成膜法，在剛性/柔性襯底上實現這些核殼納米晶的二維、三維大面積組裝超晶格。

圖1. 精準合成Au@CdS核殼納米晶，實現其在硅片、PET導電薄膜、石墨烯等剛性/柔性襯底上的超晶格組裝。

    就像3D打印固體及超材料的有序超結構一樣，跨尺度的單分散納米晶結構基元超晶格組裝成宏觀尺度的超結構， 成為開發納米新科學與技術的新寵。如何將納米晶自組裝后，進行表面改性，去除表面的有機阻擋層，實現結構基元之間有效的載流子傳輸，成為關鍵難題。

    有鑒于此，北京理工大學張加濤研究團隊與姜瀾研究團隊聯合科技攻關，發展了一種激光輻照固液界面上的納米晶組裝超晶格薄膜的方法。

圖2. 研究人員提出的固液界面上激光輻照納米晶組裝超晶格的激光微納加工新方法。

    基于納米尺寸后物質的熔點降低效應，以及Au金屬納米晶的表面等離子體共振效應（共振吸收峰在530nm左右），利用很低能量的532 nm 連續激光（11.14 W/cm2）與Au以及Au@ZnS等納米晶組裝超晶格的相互作用引發的熱效應，實現了顆粒之間的激光焊接/重熔，通過低能量的激光加工，實現了Plasmon金屬基納米晶的超結構制造。

    納米晶之間相互熔合生長在一起，解決了超晶格組裝薄膜中顆粒之間能量傳遞的難題。利用此方法，還可以實現不同形貌的Plasmon金屬的超結構，如類蜂窩狀，骨頭形狀，L-形狀等支狀結構。

圖3. 納米晶組裝的超晶格電鏡圖

    新結構帶來新性能，研究人員發現激光輻照后的Au納米晶組裝超結構薄膜從原來的532nm左右的吸收效應，演變成從可見到近紅外區 （650-2620 nm）的高效全吸收效應，為進一步高效的太陽光等能量收集奠定新的材料基礎。而且激光輻照之后，超結構薄膜的導電性增強，電導率增強了104倍，成為很好的表面增強拉曼散射）SERS襯底材料，也為高效的太陽能光伏/光電器件應用奠定材料基礎。

圖4. 激光輻照加工方法實現光學、電學性能的根本改善和提升。

    后續工作：

    1. 激光輻照對納米晶組裝超晶格的激光熔合/燒結，實現納米晶材料的宏觀激光微納加工；

    2. 利用Plasmon光熱效應，結合激光輻照法，實現半導體納米晶在有序自組裝基礎上，類似3D打印固體、超材料（metamaterials）的有序宏觀結構的微納制造，開發其在太陽能吸收、光電器件方面的新性能和應用。

    團隊簡介：

    張加濤研究團隊圍繞半導體納米異質結構的化學合成及構效關系進行了大量研究。針對精準的異價摻雜問題，建立了膦配位的陽離子交換反應制備摻雜量子點新方法，實現了導電類型/摻雜發光調控、光磁耦合性能，解決了量子點異價摻雜難題，引起國際量子點同行高度評價和跟蹤研究；針對大晶格失配下異質界面問題，發展了陽離子交換法合成摻雜/異質界面協同調控的金屬/半導體異質納米晶的方法，揭示其光化學能轉換機理，實現了其光催化、光電催化等應用。一作或通訊作者在Nature、Science、NatureNanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊發表SCI論文50余篇，受邀專著/章節4部，研究工作他引2200多次。

    參考文獻：

    1.Liu Huang, Jiatao Zhang* et al. Controlled synthesis and flexibleself-assembly of monodisperse Au@semiconductor core/shell hetero-nanocrystalsinto diverse superstructures. Chemistry of Materials 2017, 29 （5）， 2355-2363.

    2. Liu Huang, Jiatao Zhang* et al. Colloid-Interface-AssistedLaser Irradiation of Nanocrystals Superlattices to be Scalable PlasmonicSuperstructures with Novel Activities，Small 2018, 14, 1703501：1-10.

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責任編輯：殷鵬飛

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