AFM：超高分辨率（λ/10）飞秒激光书写超越衍射极限的聚合物封装多色钙钛矿图案

简介：华南师范大学姜晓芳、周国富和胡小文科研团队与西班牙维戈大学Lakshminarayana Polavarapu等人提出了一种飞秒激光超分辨率写入（FsLSRW）技术，成功在聚合物封装的钙钛矿材料上实现了亚衍射极限的高分辨率图案化，并展示了其在信息加密与存储领域的创新应用，相关工作近期发表于Advanced Functional Materials。

摘要：激光直写技术能够在微米和纳米尺度上对半导体材料进行精确裁剪与图案化，这对光电器件至关重要。然而，激光写入的分辨率受限于艾里斑的直径。本文展示了一种飞秒激光（激光波长800 nm）超分辨率写入（FsLSRW）技术，通过亚波长图案化制备稳定的钙钛矿纳米结构，实现了小至λ/10的特征尺寸（线宽达80纳米）。通过利用飞秒激光的灵活、精准及非热扩散图案化能力，成功制备了具有任意设计和像素阵列的多色钙钛矿图案。得益于聚合物基体的封装，这些多色钙钛矿图案表现出优异的水解、氧化和热稳定性。此外，通过精准调节激光焦平面，可在双层堆叠钙钛矿复合膜的两个独立空间平面上写入不同信息，从而实现微米和纳米尺度的动态三维编码。FsLSRW技术的高效性与高精度，为钙钛矿器件在信息安全、数据存储和光学加密等领域的应用开辟了新路径。

关键突破与创新：

1. **超分辨激光写入**

利用800 nm飞秒激光通过双光子吸收（TPA）和非线性“冰山效应”，突破了光学衍射极限（λ/2），实现了**80 nm线宽（λ/10）**的图案化，是目前钙钛矿激光加工的最高分辨率。

通过调节激光功率和扫描速度，可精确控制烧蚀线宽（80 nm至607 nm范围），并生成任意复杂图案（如QR码、微米级汉字）。

2. **多色与动态3D编码**

通过调节卤化物组成（CsPbX₃，X=Cl/Br/I），制备了覆盖可见光范围（420–688 nm）的多色钙钛矿薄膜，色域超越NTSC标准。

在双层复合膜（红/蓝钙钛矿层）中，通过调整激光焦平面，实现了不同激发光下动态显示3D图案（如紫外光下同时显示红玫瑰与蓝蝴蝶，绿光下仅显示红玫瑰）。

3. **优异的稳定性**

PMMA封装有效隔绝水氧，使钙钛矿薄膜在常温下150天保持90%以上荧光强度，浸泡水中31天仍维持80%发光，加热至60℃（4小时）稳定性达85%以上。

4. **信息加密应用前景**

微纳尺度QR码、ASCII码等图案需通过紫外光与显微镜解码，防伪性强。

动态3D编码通过激发光波长切换显示不同信息，提升信息密度与安全性。

适用于微型显示器、光子芯片、光学传感器等领域，支持高精度光路设计。

核心技术原理：

1. 双光子吸收与冰山效应：飞秒激光的高斯强度分布使得仅中心区域超过烧蚀阈值，形成亚衍射极限结构。

2. 非热扩散烧蚀：激光能量通过非线性过程集中在极小区域，避免热扩散对周围材料的损伤，确保图案边缘清晰。

3. 荧光可控性：烧蚀区域因碘损失和金属残留阻挡激发光，导致荧光消失，而未烧蚀区域保持高亮度。

综上，这项技术为钙钛矿在微纳光子学与信息安全领域的应用开辟了新路径，兼具高分辨率、多维度动态编码和环境稳定性优势。

通讯作者：姜晓芳，Lakshminarayana Polavarapu，周国富，胡小文

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202505625

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