[发明专利]基于配体化学的纳米晶体激光热致图案化方法和图案化纳米晶体膜

说明书

本发明公开了基于配体化学的纳米晶体激光热致图案化方法，属于光电纳米材料增材制造领域。该方法利用激光与纳米晶体薄膜及基底作用，产生热能引发配体分子发生交联和分解等化学过程，从而使激光作用区域纳米晶体胶体稳定性发生显著变化实现纳米晶体图案化。该方法提出了一种基于配体热化学反应的新图案化机理，突破了现有纳米晶图案化方法难以制备较厚薄膜的局限，图案厚度达8μm以上，不依赖于模板或基底形状，是一种高效、可编程、适合大面积制备的纳米晶体图案化方法。该热致图案化方法相比光刻方法更好保持了纳米晶体的光致发光等性质。本方法可应用于阵列式纳米晶光检测器、高清LED显示等重要光电器件以及特定形状纳米晶体组装体的构建。

技术领域

本发明涉及一种基于配体化学的纳米晶体激光热致图案化方法，具体涉及一种不依赖掩膜版或基质、可编程且适合大面积制备、突破现有纳米晶体图案化方法图案厚度方面局限的图案化方法，以及通过该方法制备得到的图案化纳米晶体膜，属于光电材料和纳米材料增材制造领域。

背景技术

胶体纳米晶体(以下简称纳米晶体)具有可调的禁带宽度、高效的光吸收和发射以及易于溶液加工的特点，在研究中已被广泛应用于薄膜光电器件的制备，包括场效应晶体管、光电检测器、发光二极管、太阳能电池和光学增益材料等。然而，纳米晶体器件的大规模应用亟需实现多个功能元件在复杂器件架构中的有序排列与集成，即需要高效、可控的纳米晶体图案化方法。

目前研究者已经开发了多种纳米晶体图案化方法，包括转印、喷墨打印、电子束刻蚀和光刻等。这些方法多数基于或借鉴了已有的用于传统半导体工业和聚合物材料的图案化方法，在应用于纳米晶体时存在着一定的局限。例如，转印方法尽管图案分辨率较高，但效率低、图案质量不稳定。喷墨打印则难以实现高分辨率打印，其最小图案往往限于20μm以上且由于咖啡环效应存在薄膜均一性差的问题。电子束刻蚀方法能够实现纳米级别的超高分辨率，但是该方法所需设备昂贵，条件苛刻，加工时间长，不能满足高效、大面积图案化的要求。光刻技术是现行半导体和电子工业的主要技术之一，能够实现金属薄膜和硅等传统半导体高通量、大面积、高分辨率、高保真度的图案化与集成。然而，该技术中所采用的光刻胶与纳米晶体存在着溶剂和化学相容性等问题，容易引起纳米晶体表面化学性质变化和性能衰退等问题。发展适合纳米晶体的高效图案化方法成为近年来纳米晶体材料领域亟需解决的难题。

2017年的一项研究工作发明了纳米晶体的直接光刻技术(Wang,Fedin,Zhang,Talapin,Science,2017,357,385)。该方法无需传统光刻胶，采用光酸产生剂与硫醇盐分子作为光敏性添加剂或配体，可实现多类纳米晶体的直接光刻图案化，其分辨率可与传统光刻技术相媲美。然而，该光刻方法以及后续一些相关工作由于所采用的紫外光引发配体化学反应机制，在图案化方面具有一些局限性。首先，紫外光可被纳米晶体大量吸收故而穿透深度有限(一般小于100nm)。有限的紫外光穿透深度在物理上限制了该方法产生具有较大厚度图案的可能性。第二，图案化中需借助掩模版且一般只适用于平面基底，限制了图案化的可调节性以及复杂形状基底的适用性。第三，紫外光除了引发配体化学反应实现图案化之外，也会通过其他光物理过程或光化学副反应在纳米晶体表面引入缺陷，显著降低半导体量子点等纳米晶体的光致发光效率等重要性能参数，在图案化的过程中部分牺牲了纳米晶体材料的原有性质。更加优化的纳米晶体图案化方法需能够实现高厚度的纳米晶体图案化，以用于构建具有高光捕获效率的阵列式光检测器阵列、在高压等条件下稳定工作的阵列式器件以及厚度控制敏感的纳米晶体光学组件阵列等；能够实现在无模板条件下、非平面结构的基底上进行图案化，构建基于纳米晶体阵列的逻辑电路和MEMS系统、曲面电子眼设备、光纤传感器等；能够实现不依赖紫外光的图案化，以便更有效地保持半导体量子点等纳米晶体的发光效率等原有性质。此外，该方法应当与传统光刻方法一样具有高效、高通量和适合大面积制备等特点。