激光直写技术：钙钛矿材料制备与应用的新兴范式——对《Laser Technology for Perovskite: Fabrication and Applications》的学术报告
一、 论文概况 本报告基于由Zhengfen Wan, Zichen Liu, Qiwen Zhang, Qiming Zhang, 和 Min Gu*（通讯作者）共同撰写，发表于《Advanced Materials Technologies》期刊2024年第9卷的综述论文。所有作者均来自上海理工大学光子芯片研究院（Institute of Photonic Chips）和人工智能纳米光子学中心（Centre for Artificial-Intelligence Nanophotonics）。论文于2024年3月4日正式在线发表，其数字对象标识符（DOI）为10.1002/admt.202302033。该论文是一篇系统性的综述文章，旨在全面总结和评述激光技术在钙钛矿（Perovskite）材料制备、结构化、改性、图案化以及相关器件应用方面的最新研究进展，并展望该领域的未来挑战与发展趋势。
二、 核心主题与论述框架 论文的核心主题是阐述激光技术作为一种灵活、无掩模、高精度的加工手段，如何赋能钙钛矿这一明星材料，推动其在光电子和光子学领域的应用。全文围绕“制备”与“应用”两大主线展开，构建了清晰的论述逻辑：首先介绍利用激光直接诱导生成各类钙钛矿结构（特别是玻璃中的钙钛矿）的方法与机理；随后详述基于激光技术的钙钛矿在太阳能电池、光致发光、微纳激光器、光刻、传感器、光学加密与数据存储等领域的应用实例；最后总结当前挑战并展望融合人工智能等前沿技术的未来发展方向。
三、 主要论点与论据详述
论点一：激光直写（LDW）技术是制备多维度、高性能钙钛矿结构的强大工具，尤其在玻璃基质中制备的激光诱导钙钛矿（LIP）具有卓越的稳定性。 论文指出，钙钛矿材料虽性能优异，但其环境稳定性（如对湿度、氧气、光照敏感）是制约其实际应用的瓶颈。激光技术，特别是飞秒（fs）激光，为解决此问题提供了创新方案。其核心机制在于利用激光的光热和光化学效应，在特定区域触发前驱体的化学反应、分解与结晶。 * 支持证据与子观点： 1. 玻璃基质封装提升稳定性：将钙钛矿制备于玻璃内部是提升其稳定性的有效策略。玻璃基质作为坚固的主体，能有效隔绝环境侵蚀。例如，Qiu等人利用飞秒激光在透明玻璃内部可逆地诱导出CsPbBr3量子点（QDs），其光致发光（PL）可通过激光写入和热退火循环可逆地激活与擦除，展现了高鲁棒性【51】。Sun等人通过超快激光诱导液相纳米相分离，在玻璃中实现了CsPb(Br1-xIx)3纳米晶体（NCs）的3D直接光刻，这些NCs在紫外线照射、有机溶剂和高达250°C的高温下表现出显著稳定性【54】。 2. 制备多维度结构：激光技术能够灵活制备从零维到三维的钙钛矿结构。论文系统总结了激光诱导钙钛矿量子点（PQDs）、纳米线（NWs）、纳米棒（NRs）、纳米晶体（NCs）、薄膜和单晶的多种方法。例如，Zhong等人利用405纳米纳秒（ns）激光的热效应，通过提升前驱体溶液温度、降低溶解度，诱导CsPbI3 PQDs原位成核生长，实现了线宽最小900纳米的图案化，且量子产率（QY）高达92%【37】。Yuyama等人则通过聚焦激光于前驱体溶液表面，诱导MAPbX3钙钛矿单晶的成核与生长【76】。 3. 机理阐述：论文归纳了LIP的形成机理。主要归因于激光的热效应：局部升温可引发化学反应导致结晶【36】；根据溶质溶解度与温度的负相关关系，升温也可触发钙钛矿生长【62】。对于玻璃中的LIP，热积累使局部压力和温度超过玻璃体系的液相线，诱导局部液相纳米相分离是关键【54】。
论点二：激光处理（包括退火、烧蚀、诱导缺陷等）是调控和优化钙钛矿器件性能的有效后处理手段。 除了直接制备，激光还可对已形成的钙钛矿薄膜或器件进行精细修饰，以改善其光电性能、实现图案化或集成。 * 支持证据与子观点： 1. 激光退火优化薄膜质量：与传统热退火相比，激光退火能实现快速、局域化的结晶控制。You等人采用不同波长（405, 450, 660 nm）的连续波（CW）激光快速扫描MAPbI3薄膜，实现了完全结晶，薄膜颜色由浅棕变为黑色，且晶粒尺寸更大。这归因于晶相与非晶相吸光系数不同导致的温度梯度，促进了晶粒选择性生长【78】。Konidakis等人利用激光辅助热退火结晶在空穴传输层上合成了CH3NH3PbI3薄膜，获得了更大晶粒，增强了电荷载流子提取并降低了双分子复合率【85】。 2. 激光烧蚀用于器件图案化与集成：激光烧蚀能精确移除材料，用于制备太阳能电池模块的互联结构或创造特定光学图案。Razza等人通过优化紫外激光烧蚀参数，有效去除了二维材料并实现了130纳米宽度的无金残留烧蚀，从而制备出高性能、大面积（83 cm²活性面积）的钙钛矿太阳能模块（PSMs），转换效率（PCE）超过15%【89】。Zhao等人则利用飞秒激光烧蚀，将完整的钙钛矿太阳能电池（PSCs）模块直接转化为半透明模块，并设计了具有美学图案的模块，实现了效率与透光性的平衡【86】。 3. 激光诱导缺陷调控光学性质：激光辐照可以改变钙钛矿的表面状态或缺陷结构，从而调控其光致发光性能。Zhang等人发现紫外-近红外飞秒激光处理能将CsPbBr3 PQDs的PL量子产率从71%提升至95%，这归因于激光减少了陷阱缺陷【46】。相反，Sun等人利用飞秒激光辐照诱导CsPbBr3 PQDs的光致发光降解，并结合热处理实现PL的可逆恢复，此特性被成功应用于3D数据存储【98】。
论点三：基于激光技术制备或加工的钙钛矿材料，在太阳能电池、微纳激光器、平面透镜、光学加密与存储等前沿应用中展现出巨大潜力。 论文的第二部分系统梳理了激光钙钛矿技术的多样化应用，展示了其从基础研究走向器件集成的广阔前景。 * 支持证据与子观点： 1. 太阳能电池与模块：激光技术在PSCs的制备链条中扮演关键角色，包括结晶、图案化、互联线划刻（P1, P2, P3）等。Jeon等人使用近红外Nd:YAG激光结晶MAPbI3薄膜，在玻璃和柔性聚合物基底上分别实现了11.3%和8.0%效率的太阳能电池【87】。Palma等人通过优化激光加工，制备出有效面积达14.5 cm²、孔径比95%、PCE为9.3%的大面积钙钛矿太阳能模块【88】。 2. 光子学与集成光学器件：钙钛矿优异的发光和增益特性使其成为微纳激光器的理想材料。Zhizhchenko等人利用飞秒激光烧蚀，直接制备出宽度小于400纳米的MAPbI3钙钛矿超表面和500纳米细的纳米线激光器【106】。该团队还使用涡旋光束直接激光光刻，制备出在550-800 nm宽光谱范围内工作、室温下Q因子高达5500的回音壁模式（WGM）微激光器【107】。此外，Wang等人通过激光直写工程化二维钙钛矿纳米片的成分与厚度，制备出能高效调控入射光振幅与相位的平面透镜，聚焦分辨率达到0.5–0.9λ【110】。 3. 光学信息与安全技术：钙钛矿发光性能的可控性为光学加密和数据存储提供了新思路。Chen等人在玻璃基质中利用飞秒激光直写制备了具有良好光学偏振特性的CsPbBr3 QDs线阵列，可用于防伪和加密，并通过多层图案实现了3D光学防伪【97】。Li等人通过飞秒激光直写结合非局域湿度场调制，构建了可重写的CsPbBr3 NCs阵列用于二进制编码信息存储，并进一步开发了用于时空光学加密的多层图案化和时间控制蒸发技术【65】。 4. 光致发光调控与图案化：激光可用于实现钙钛矿发光的颜色调控和复杂图案生成。Sheng等人开发了激光触发气相阴离子交换（LTVAE）方法，将各种形态的CsPbBr3转化为CsPb(BrxCl1-x)3和CsPb(BrxI1-x)3，并通过掩模辅助工艺制备了多色荧光图案，其中深蓝色荧光量子产率达67.2%【95】。
论点四：当前激光钙钛矿技术领域仍面临挑战，未来发展方向在于提高加工效率与分辨率、探索新体系与集成方案、并融合人工智能等前沿技术。 在结论与展望部分，论文不仅总结了激光直写技术在钙钛矿制备与应用中的成功实践（如表1所示），更客观指出了存在的不足与未来的机遇。 * 支持证据与子观点： 1. 挑战：主要包括：需要探索更广泛的前驱体和激光预处理/后处理方案以实现绿色、规模化生产；钙钛矿器件的结构稳定性仍需进一步提升；在大面积、高速加工方面存在效率瓶颈；需要突破衍射极限以实现更高分辨率的微纳制造。 2. 未来趋势： * 技术创新：采用空间光调制器（SLM）进行多像素并行曝光的激光打印、双光束激光干涉技术、以及基于数字微镜器件（DMD）的无掩模光学投影光刻技术，被认为是提高加工效率、分辨率和实现大面积制造的有效途径。 * 材料与集成拓展：除了玻璃，探索在光刻胶、柔性聚合物（如PDMS、PET）等其他透明介质中制备LIP。推动钙钛矿与石墨烯等其他功能材料的集成，以开发性能更优或功能特化的器件。探索钙钛矿在忆阻器等新型电子器件中的应用，服务于物联网（IoT）、人工智能等领域。 * 与人工智能融合：论文特别强调了人工智能（AI）的巨大潜力。AI可用于优化激光参数、前驱体配方和器件设计，实现智能化的制造流程控制。反过来，基于激光制备的高密度、高性能钙钛矿器件（如神经形态计算元件）也能为下一代AI硬件的发展提供 transformative 的推动力【121, 122】。
四、 论文意义与价值 本综述论文具有重要的学术价值与指导意义： 1. 系统性总结：首次系统性地将激光技术与钙钛矿材料这两个活跃领域交叉融合的进展进行了全面梳理，涵盖了从基础制备机理到高端器件应用的完整链条，为领域内研究人员提供了一幅清晰的技术全景图。 2. 前瞻性指引：论文不仅回顾了过去，更通过分析当前挑战和提出未来发展方向（如与AI融合），为后续研究指明了具有潜力的突破口，起到了引领领域发展的作用。 3. 跨学科桥梁：该工作深刻体现了材料科学、光子学、激光微纳加工、器件物理等多学科的交叉融合，展示了如何通过先进的加工工具释放功能材料的潜能，对相关交叉学科的研究具有启发意义。 4. 应用导向明确：全文紧扣“应用”这一最终目标，所综述的技术均指向解决钙钛矿实际应用中面临的关键问题（如稳定性、图案化、集成化），具有很强的应用导向性，有助于推动钙钛矿技术从实验室走向产业化。
这篇由上海理工大学Min Gu教授团队撰写的综述，是一份关于激光钙钛矿技术当前成就与未来蓝图的权威性文献。它详细论证了激光技术作为钙钛矿研究与应用中一项变革性工具的独特价值，并为其持续发展注入了新的思考维度。