Nat. Mater.: 等离激元光热打印赋能高性能全氧化物电子集成

香港城市大学研究团队创新性地开发了一种全新的“等离激元光热打印”技术，在先进制造领域取得重要突破。研究团队利用该技术，在室温常压的开放环境中，首次实现了高密度、高性能全金属氧化物电子器件的打印制造，其性能足以媲美采用传统真空、高温、多重光刻等复杂工艺制成的器件。该成果将物质制造的便利性与性能表现提升至新的高度，以“Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature”为题，近期在线发表于Nature Materials。

等离激元效应作为纳米光子学发展的核心驱动力，正推动着诸多前沿技术从理论走向应用。在下一代电子器件领域，溶液处理的金属氧化物因其优异的电学特性和低成本潜力而备受关注。然而，其制造过程通常依赖于高温退火和复杂的真空光刻技术，这极大地限制了其大规模、低成本和柔性化的应用。

图一：等离激元光热打印原理及示意图

为突破这一瓶颈，该团队巧妙地利用了贵金属纳米结构的等离激元光热效应。他们开发的“等离激元光热打印”技术，通过飞秒激光照射喷涂在金属氧化物前驱体薄膜上的银纳米线（Ag NWs）网络。在激光激发下，纳米线网络能产生瞬时且空间高度局域的“热点”，局部温度可瞬间超过360°C，从而精准驱动下方的透明热敏前驱体材料快速转化为高质量的功能薄膜。通过精确扫描激光光斑，即可实现金属氧化物的微尺度图案化。

图二：等离激元光热效应打印图案化金属氧化物薄膜及装置图

在此工作中，该团队与合作者深入研究了光热转换的物理机制。研究发现，当飞秒激光照射到相互交叉的银纳米线上时，交叉的结点处会因等离激元纳腔效应产生巨大的电场增强，这是形成最高效“热点”的关键。整个打印过程分为三个阶段：初始的交叉点高效升温、中期的纳米线熔化为细密颗粒、以及最终合并为较大颗粒的形态演化，从而实现了对热量的精准调控。此外，团队还自主研发了一套双激光打印系统：800 nm激光主要用于激发光热效应，提供高温热源；400 nm激光则辅助触发材料的光化学反应，进一步提升薄膜的结晶度和电学性能。

图三：交叉银纳米线等离激元纳腔中近场分布及形貌转变

实验结果充分证实了该技术的有效性与优越性。研究团队成功打印了包含导体、电介质和半导体在内的多种核心电子材料，并在此基础上构建了密度高达48,400个/cm²的全金属氧化物晶体管阵列。同时，团队还直接打印了多种逻辑门电路，验证了该技术在集成电子学领域的巨大潜力。这项工作不仅为功能材料的直接打印开辟了新道路，更为未来集成电子、光电子芯片及各类传感器件的高通量、低成本制造提供了一种全新的解决方案，有望推动异质异构集成等先进制造技术的快速发展与应用。

图四：形貌驱动等离激元光热转换和局部温度升高

图五：等离激元光热打印高密度全金属氧化物晶体管阵列及集成逻辑电路

该研究获得了香港城市大学、香港研究资助局、香港创新科技署和国家自然科学基金委的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02268-w