下一代顯示和儲存技術：“飛刀”來了

■記者 崔雪芹 ■柯益能

上世紀80年代，科學家發明了一種奇特的鐳射——飛秒鐳射，它具有超快、超強和超寬頻譜的特點，現在很多眼科近視矯正手術都用到了飛秒鐳射。不過，飛秒鐳射與物質相互作用的機理錯綜複雜，仍然存在很多疑問，連科研人員都琢磨不透它的“脾氣”。

1月21日，《科學》刊登浙江大學光電科學與工程學院教授邱建榮團隊最新成果。該研究團隊發現了飛秒鐳射誘導的空間選擇性微納分相和離子交換規律，開拓了飛秒鐳射三維極端製造新技術，首次在無色透明的玻璃材料內部實現了帶隙可控的三維半導體奈米晶結構。這將為新一代顯示和儲存技術提供新的方向。

飛秒鐳射的驚人之處

飛秒是度量時間長短的一種計量單位，也稱為毫微微秒，1飛秒為1秒的一千萬億分之一。飛秒鐳射，顧名思義就是在飛秒的時間段內發出的脈衝鐳射，也就意味著能量在飛秒間釋放。

飛秒鐳射有何驚人之處？一是瞬時峰值功率非常高，二是能聚焦到比頭髮的直徑還要小的空間區域內，使電磁場的強度比原子核對其周圍電子的作用力還要高。

這樣的強度遠遠超過了原子內部相互作用的庫侖場，所以，飛秒鐳射脈衝能輕易使電子脫離原子的束縛，形成等離子體。

正是因為具有超快、超強的特點，飛秒鐳射被廣泛應用於資訊、環境、能源、醫療等各個領域。“為什麼飛秒鐳射能用來做眼部手術？因為眼部神經血管很豐富，手術需要穩、準、狠，而這把‘鐳射刀’乾淨利索，只對聚焦點區域產生作用，不影響周圍環境。”邱建榮說。

揭開“飛刀”秘密

當將飛秒鐳射聚焦到透明材料內部時，會產生一系列基於多種高度非線性效應的物理化學動力學過程。儘管飛秒鐳射有這麼多用處，但是科研人員對其機理依舊知之甚少。

邱建榮團隊長期從事飛秒鐳射與材料相互作用研究，並取得一系列高度原創的重要突破。比如他們發現了飛秒鐳射誘導折射率變化、偏振依賴奈米光柵、沿鐳射傳播方向週期性奈米孔洞等新現象和新機制，開拓了空間選擇性操控離子價態、直寫三維光波導、析出和擦除功能奈米晶體等新技術，部分成果已經在整合光路、光通訊等領域得到應用。

取得這次成果的第一步是製備均勻透明玻璃。“如果玻璃裡面有一點氣泡、結石或者條紋，就會影響折射率分佈，最終導致基於多光子效應的光與玻璃相互作用效果的劇烈變化。”邱建榮說，研究團隊利用長期研究積累的豐富經驗，在大量實驗的基礎上，成功燒製出了均勻的適合鐳射加工的前驅體玻璃。

接下來的一步就是把飛秒鐳射聚焦照射到玻璃內部。但是在試驗初始階段，邱建榮團隊並沒有找到規律，於是開啟了他們一貫的“地毯式轟炸”模式，反覆調整和試驗。

在經過精心設計和一系列最佳化後，該團隊最終達成了理想的超快鐳射精雕工藝，成功在玻璃內部實現了組分可調的鈣鈦礦奈米晶，在“一瞬間”的時間尺度隨心所欲完成結構和效能操控。

接下來是如何進一步讓鐳射在瞬間刻出由眾多畫素點構成的三維圖案，如何利用透射掃描電鏡觀察比頭髮絲還要細得多的刻痕。團隊在踏踏實實的研究中攻克了一個個難關。

將成為新一代的儲存和顯示材料

2019年，邱建榮團隊第一次成功實現調控一種發光顏色。經過系統研究，如今他們已經能調控多種發光顏色了。

“我一直認為科學研究沒有什麼捷徑可走，我們需要老老實實一步一個腳印地開展工作。”邱建榮說。

團隊以含Cl-Br-I的滷氧化物複合玻璃為例，實現了在玻璃中具有可調諧成分和帶隙的鈣鈦礦奈米晶3D直接光刻，形成的奈米晶在紫外線照射、有機溶液浸泡和250攝氏度高溫環境中表現出顯著的穩定性，展示了這種3D結構奈米材料在光儲存、Micro-LED和全息顯示方面的應用。

為了進一步展示該技術的特點，研究人員在微米級精度內實現了應用於多維資訊編碼和防偽的鈣鈦礦奈米晶彩色圖案化，以及在一塊Cl-Br-I共摻雜玻璃內部的全綵色發光圖案和3D微螺旋直寫以及三維全息顯示。由於超快鐳射誘導的液相奈米分離只發生在玻璃內部的區域性位置，三維鐳射直寫技術排除了材料合成和器件加工過程中有機組分（試劑和溶劑）的汙染。此外，穩定性實驗表明該類器件可以在各種環境中長期使用。

此研究的一個應用方向就是三維、四維甚至更多維度的光儲存。“現有的儲存裝置多為磁儲存，有一些缺點，一是使用壽命只有3到5年，二是耗能比較大，散熱要求高。”論文通訊作者之一、之江實驗室譚德志博士表示，光儲存不僅功耗小，而且容量有望達到1PB/光碟，將是一個大有可為的發展方向，預期儲存壽命將達到幾百萬年之久。

來源： 中國科學報