▲第一作者：Xiewen Wen, Boyu Zhang

通讯作者：王炜鹏（现为清华大学材料学院助理研究员）, Jacob T. Robinson, Pulickel M. Ajayan, Jun Lou

通讯单位：美国莱斯大学，清华大学

DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-021-01111-2

二氧化硅(SiO2)是应用最广泛的无机材料之一，当其应用于微电子、微机电系统和微光子学等领域时需要纳米级分辨率的制备方法。为了制造具有所需纳米结构的二氧化硅，通常需要复杂的自上而下的过程，包括热氧化和化学气相沉积，然后是干法或湿法刻蚀步骤。虽然已经开发出高产率的成熟加工技术，但这些技术涉及使用危险化学品(例如，抗蚀剂、显影剂和蚀刻剂)，有很高的技术要求。

1. 本工作开发了一种3D打印高质量的二氧化硅纳米结构的方法，其分辨率可达200 nm以下，并可灵活掺杂稀土元素。通过控制烧结过程，打印出来的SiO2可以是非晶态玻璃，也可以是多晶方石英。此外，3D打印的纳米结构展示了诱人的光学特性。例如，所制备的光学谐振盘的品质因子(Q)可达104以上，预示了这项技术在微纳光学领域的巨大潜力。

2. 本工作提出，对于光学应用来说，Er3 、Tm3 、Yb3 、Eu3 和Nd3 等稀土盐的掺杂和共掺杂可以直接实现在打印的SiO2结构中，在所需波长显示出强烈的光致发光。

▲图3. 双光子打印二氧化硅谐振盘的光学应用

要点：

1、二氧化硅是一种透明材料，广泛应用于光纤、透镜和微光子元件等光学应用。为了探究双光子打印打印结构的独特光学性能，本工作测量了厚度约为2 μm的打印非晶和结晶薄膜的紫外-可见透射光谱，如图3a所示。光谱表明，3D打印的二氧化硅材料在200 nm到1100 nm的测量范围内是高度透明的，没有任何可见的吸收峰。双光子打印的无定形二氧化硅表现出整体较高的传输特性。

2、众所周知，传统的制备二氧化硅微光子元件的方法无法制造任意3D结构。然而，高分辨率的2PP辅助增材制造技术为被动和主动微光子元件打开了大门，使得集成光子元件的3D打印成为可能。回音壁谐振盘是集成光子学的基本组成部分之一，但由于其3D性质，制造具有挑战性。本工作制作了一个工作在1550 nm光通信波段的概念验证的微环光学回音壁谐振腔。

3、本工作提出，与传统的技术相比，在锥形fcc晶格桁架基底上3D打印的二氧化硅光学微环谐振盘提供了两个优势。首先，支撑底座的结构可以通过适当的设计变得更加坚固。在之前的方法中，支撑结构的刻蚀无法控制。第二，环面的形态可以精确控制。在以前的方法中，CO2激光回流不可控，特别是对于大直径的光盘。通过精确地操纵环面形貌，本工作制备了具有不同形貌和高品质因数的谐振盘。图2c所示的具有零环宽的微盘结构的测量表明品质因子为5×103。

4、图3b显示了3D打印的微环谐振器在1550 nm附近的传输特性。通过拟合洛伦兹线型，在1554 nm处的品质因子达到1.1×104，与已报道的2PP工艺制备的悬空二氧化硅光学谐振器的品质因数相当。考虑到本工作测量中较大的耦合损耗，实际的Q值可能会高出几个数量级。

5、此外，本工作通过在纳米复合墨水中掺杂稀土元素制备了有源光子器件。类似的掺杂策略已经被应用于制作有色眼镜。然而，这些研究并没有实现主动光子元件，正如本研究中显示的亚微米分辨率打印技术一样。图3e是印刷态Er3 -，Eu3 -，Tm3 -，Nd3 -和Yb3 掺杂以及Er3 /Yb3 (1：1)共掺非晶氧化硅薄膜在1×1019cm-3离子浓度下的可见-近红外发光。每个光致发光峰与单个稀土元素的原子跃迁线相匹配，用荧光显微镜拍摄的插图表明掺杂是均匀的，这表明所提出的技术非常适合打印诸如微纳激光器等活跃的微光子器件。更重要的是，本工作所提出的技术可以制造具有任意形状的稀土掺杂微光学元件。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01111-2

楼峻

楼峻，莱斯大学材料科学与纳米工程系教授、副主任，Materials Today联合主编。先后于清华大学、俄亥俄州立大学、普林斯顿大学获得学士、硕士、博士学位，布朗大学博士后，之后加入莱斯大学。在二维材料以及其他纳米材料的设计合成、物理表征、机械性能研究、器件构筑等领域有着丰富的经验。