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飞秒激光“刀”开辟新一代显示和存储技术新方向

日期: 2022-01-24
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来源:中国科学报


上世纪80年代,科学家发明了一种奇特的激光——飞秒激光,它具有超快、超强和超宽频谱的特点,现在很多眼科近视矫正手术都用到了飞秒激光。不过,飞秒激光与物质相互作用的机理错综复杂,仍然存在很多疑问,连科研人员都琢磨不透它的“脾气”。
1月21日,《科学》刊登浙江大学光电科学与工程学院教授邱建荣团队最新成果,研究团队发现了飞秒激光诱导的空间选择性微纳分相和离子交换规律,开拓了飞秒激光三维极端制造新技术,首次在无色透明的玻璃材料内部实现了带隙可控的三维半导体纳米晶结构。这将为新一代显示和存储技术提供新的方向。
飞秒激光的惊人之处
飞秒是度量时间长短的一种计量单位,也称为毫微微秒,1飞秒为1秒的一千万亿分之一。飞秒激光,顾名思义就是在飞秒的时间段内发出的脉冲激光,也就意味着能量在飞秒间瞬间释放。
飞秒激光有何惊人之处?一是瞬时峰值功率非常高,二是能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高。
这样的强度远远超过了原子内部相互作用的库伦场,所以,飞秒激光脉冲能轻易使电子脱离原子的束缚,形成等离子体。
正是因为具有超快超强的特点,飞秒激光被广泛应用于信息、环境、能源、医疗等各个领域。“为什么飞秒激光能用来做手术?因为眼部神经血管很丰富,手术需要稳、准、狠,而这把‘激光刀’干净利索,只对聚焦点区域产生作用,不影响周围环境。”邱建荣说。
揭开飞刀秘密
当将飞秒激光聚焦到透明材料内部时,会产生一系列基于多种高度非线性效应的物理化学动力学过程。尽管飞秒激光有这么多用处,但是科研人员对其机理依旧知之甚少。
邱建荣团队长期从事飞秒激光与材料相互作用研究,并取得一系列高度原创的重要突破。比如他们发现了飞秒激光诱导折射率变化、偏振依赖纳米光栅、沿激光传播方向周期性纳米孔洞等新现象和新机制,开拓了空间选择性操控离子价态、直写三维光波导、析出和擦除功能纳米晶体等新技术,部分成果已经在集成光路、光通讯等领域得到应用。
取得这次成果的第一步是制备均匀透明玻璃。“如果玻璃里面有一点气泡、结石或者条纹就会影响折射率分布,最终导致基于多光子效应的光与玻璃相互作用效果的剧烈变化。”研究团队利用长期研究积累的丰富经验,在大量实验的基础上,成功烧制出了均匀的适合激光加工的前驱体玻璃。
接下来的一步就是把飞秒激光聚焦照射到玻璃内部。但是刚开始的试验,团队并没有找到规律,邱建荣团队开展了他们一贯所提倡的“地毯式轰炸”试验模式,反复调整,反复试验。
在经过精心设计和一系列优化后,团队最终获得了理想的超快激光精雕工艺,成功在玻璃内部实现了组分可调的钙钛矿纳米晶,在“一瞬间”的时间尺度就能随心所欲实现结构和性能操控。
接下来是如何进一步让激光在瞬间刻出具有众多像素点构成的三维图案?如何利用透射扫描电镜观察比头发丝还要细得多的刻痕?团队在踏踏实实的研究中攻克了一个个难关。
将成为新一代的存储和显示材料
2019年团队第一次能够调控一种发光颜色。经过进一步系统研究,如今团队已经能调控多种发光颜色了。
“我一直认为科学研究没有什么捷径可走,我们需要老老实实一步一个脚印地开展实证。”邱建荣说。
团队以含Cl--Br--I的卤氧化物复合玻璃为例,实现了在玻璃中具有可调谐成分和带隙的钙钛矿纳米晶3D直接光刻,形成的纳米晶在紫外线照射、有机溶液浸泡和250摄氏度高温环境中表现出显著的稳定性,展示了这种3D结构纳米材料在光存储、Micro-LED和全息显示方面的应用。
为了进一步展示该技术的特点,研究团队在微米级精度内实现了应用于多维信息编码和防伪的钙钛矿纳米晶彩色图案化,以及在一块Cl--Br--I共掺杂玻璃内部的全彩色发光图案和3D微螺旋直写以及三维全息显示。由于超快激光诱导的液相纳米分离只发生在玻璃内部的局部位置,三维激光直写技术排除了材料合成和器件加工过程中有机组分(试剂和溶剂)的污染。此外,稳定性实验表明该类器件可以在各种环境中长期使用。
此研究的一个应用方向就是三维、四维甚至更多维度的光储存。“现有的存储设备多为磁存储,有一些缺点,一是使用寿命只有3-5年,二是耗能比较大,散热要求高。”谭德志表示,光存储不仅功耗小,而且容量有望达到1PB/光盘,将是一个大有可为的未来发展方向,预期存储寿命将达到几百万年之久。


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发布时间: 2018 - 09 - 07
氯化钇化学式YCl3。分子量 195.26。有光泽的白色叶状晶体。其一水合物为无色晶体,160℃失去1分子水。其六水合物为无色或略带红色 晶体,相对密度2.1818,100℃失去5分子水。溶于水、乙醇、吡啶。以往报道显示一定浓度的氯化钇可引起人淋巴细胞DNA分子损伤和对成纤维细胞生长有抑制作用,但也有报道认为氯化钇对红细胞膜无损伤作用,表明氯化钇对不同细胞作用有差异。人皮肤的表皮细胞最易与环境中的氯化钇直接接触,但氯化钇对表皮细胞的影响报道较少。  氯化钇的用途是什么?  1. 氯化钇可用于制备树脂表面复合涂层。如 一种从废弃荧光粉中回收稀土元素 钇并制备树脂表面复合镀层的方法,包括以下步骤:  a、利用筛分法将破碎后的荧光粉与杂质分离开,通过20目、60目、100目、200目网筛逐步筛分后,收集200目筛下物,筛下物占未筛前粉体重量的99.9%以上;  b、将步骤a得到的筛下物加入到酸和双氧水混合液中,反应一段时间,然后进行过滤,滤液中含有稀土元素;  c、将步骤b得到的滤液采用磷系萃取剂进行萃取,分三级萃取后,萃取液中只含有稀土元素;  d、将步骤c得到的含有稀土元素的萃取液用盐酸进行反萃,反萃液中为稀土元素钇,如果萃取液中还含有稀土铕,则稀土铕在萃余液中;  e、将步骤d得到的反萃液加入氨水进行中和至溶液刚有少量白色沉淀产生,溶液主要成份为氯化钇,将氯化钇溶液蒸发浓缩或蒸干再配制成一定浓度后,逐滴加入到配有分散剂的碳酸氢铵溶液中,生成前驱体;  f、将步骤e得到的前驱体过滤、烘干后,进行煅烧,研磨后得到纳米氧化钇粉末;  g、将步骤f得到的纳米氧化钇粉末加入至配有分散剂的电镀液中制成复合电镀 液,电镀至树脂表面。  2. 氯化钇对人表皮细胞作用:钇为稀有元素,在低浓度对表皮细胞体外增殖无影响。氯化钇对紫外线诱导表皮细胞凋亡有一定影响,研究结果显示加入低浓度氯化钇 0....
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发布时间: 2018 - 09 - 07
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发布时间: 2018 - 09 - 07
1、抛光粉粒径多大?  粒径是这个行业划分抛光粉规格的标准,粒径指的是抛光粉颗粒的直径,单位为μ,常见的抛光粉粒径从0.6——3.2不等,常用的是1.0——2.0之间,根据经验可大概判断粒径小的适合做平磨用,如1.0,1.2,1.4;粒径大的适合做扫光如1.6,1.8,2.0等,最终还是要根据客户的使用习惯来定。粒径跟切削力成正比关系,粒径越大切削力越强,反之越小。每家抛光粉都有几种粒径,但粒径分布的均匀度就需要生产水平把控了,生产水平高可以尽可能的提高标准粒径所占比重,减小最大和最小粒径的范围以及占比。比方说有些产品标号是1.2,但实际上1.2的颗粒只占整体的百分之三十或者更少,其他颗粒参差不齐,甚至最小0.6,最大5.6,所以导致良率下降划伤增多的情况。  2、抛光粉的悬浮性怎样?  很多客户习惯性的把悬浮性作为判断抛光粉品质好坏的依据,所谓悬浮性就是抛光粉兑水搅拌均匀以后,抛光液中粉的沉淀时间长短,沉淀的快说明悬浮性不好,如果沉淀的慢则说明悬浮性好。这种观点有问题,应当根据分散效果判断悬浮性,即当抛光液静置超过两小时后产生沉淀现象,在略加搅拌的情况下是否立即恢复原来的悬浮效果,而不是产生沉淀物结块搅拌不开的情况。很多抛光粉厂家习惯通过添加悬浮剂的方式改善悬浮性,但是如果悬浮剂加的过多或者匹配不好,容易出现结胶(抛光粉凝聚)和腐蚀手的情况。我们对悬浮性非常重视,既要保证悬浮性,又要保证安全和不结胶,做了大量的实验验证。另外水质对悬浮性的影响也比较明显,纯水和自来水兑出来的抛光液对比起来非常明显,建议使用过滤装置或者用纯水兑抛光粉。(每个盖板厂都有纯水生产装置,因为超声波清洗剂需要用到纯水)  3、抛光粉的消耗大不大(耐不耐用?)  这个问题也比较常见,有些厂家会反应用品牌A的抛光粉,一台机器一个班只需要添加0.5KG,用品牌B 就需要0.7甚至更多。首先需要搞...
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发布时间: 2018 - 09 - 07
镍氢(MH-Ni)电池自1989年商业化以来,其负极材料主要是LaNi5型储氢合金。随着镍氢电池制备技术的不断提升以及性能的极大提高,其应用领域更加广泛,对电池材料性能的要求也越来越高,特别是与电池能量密度密切相关的电极材料的容量性能。电池的容量主要是由电池正、负极的容量确定的,但正极氢氧化亚镍的容量提高已经有限,因此人们就把研究重点放在了负极储氢合金的研究上面。LaNi5型储氢负极合金的实际最大容量(350 mAh g–1)已经接近其理论值(372 mAh g–1),进一步提高相当困难,因此,必需研究开发具有更高容量的新型储氢合金。近年来,高容量La-Mg-Ni系储氢合金(理论容量超过400 mAh g–1,实际最大容量390 mAh g–1)的研究获得了许多有价值的成果,已产业化并应用于制造低自放电镍氢电池和某些高容量镍氢电池。但La-Mg-Ni合金的制备工艺成本高或工艺过程复杂,主要原因在于:合金中必需含有的活泼金属元素Mg的蒸汽压高,易挥发,使得高温熔炼合金的成分难以控制,同时挥发的微细镁粉易燃易爆而存在安全隐患。国内主要使用高价值的氦气作为保护气制备La-Mg-Ni合金,日本采用熔炼La-Ni合金然后扩散Mg的二次制备工艺技术。为了解决La-Mg-Ni基储氢合金制备工艺存在的问题,包头稀土研究院储氢材料项目组经过多次试验研究发现,用Y元素替代La-Mg-Ni基储氢合金中的Mg元素,获得了同样高容量的La-Y-Ni储氢合金,可直接用真空感应熔炼法制备。2014年以来,开发的A2B7型La-Y-Ni储氢合金经合理的成分优化后实际放电容量可达到390 mAh g–1,气相储氢量可达到1.49 wt%(相应的电化学容量为399 mAh g–1),与La-Mg-Ni基储氢合金的容量相当,而且由于不含活泼的Mg元素,循环寿命更好。该系列合金已申报8项国家发...
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