这项研究由Ke Sun、Dezhi Tan和Xinyuan Fang等人合作完成，研究机构包括浙江大学现代光学仪器国家重点实验室、浙江实验室、上海理工大学光子芯片研究院、江苏大学材料科学与工程学院、南方科技大学电气与电子工程系、丹麦奥尔堡大学化学与生物科学系等机构。论文发表在《Science》期刊，卷号375，于2022年1月21日正式出版。
本研究属于新型光电材料钙钛矿（Perovskite）领域。钙钛矿纳米晶体（Perovskite Nanocrystals，简称PNCs），如CsPbI3，因其在显示应用中的高亮度和窄光谱宽度而受到广泛关注。然而，这类材料在实际应用中的长期稳定性较差，需要在合成后通过复杂的钝化和封装步骤进行处理。而传统的溶液法调节钙钛矿组成和性能的方法，易引入有机污染，且处理步骤繁琐。
为克服这些缺点，本研究开发了一种基于玻璃为基体的三维直接光刻（3D direct lithography）方法，通过超快激光技术实现局部熔融和后续结晶，从而在玻璃中生成稳定的PNCs。该方法不仅能够调节PNCs的组成和带隙，还能在宽波长（从480纳米到700纳米）范围内调节PNCs的光致发光（Photoluminescence, PL）。研究的目标是解决传统制备方法的局限性，提高PNCs在实际器件应用中的长期稳定性，并探索其在光子器件中的应用潜力。
研究团队使用氧化物玻璃作为实验平台，包含铯（Cs）、铅（Pb）及卤化物（Cl，Br，I）等元素。作为典型氧化物玻璃，他们选择了硼磷酸盐类玻璃，其化学组成为40B2O3-15P2O5-10Al2O3-10ZnO-5Na2O-5K2O-7Cs2O-3PbX2-5NaX（其中X代表Cl、Br或I）。采用快速熔融-淬火法制备这些玻璃，并通过其高离子迁移性能实现PNCs在玻璃基体中的纳米相分离和可调控结晶。
该研究的核心技术是超快激光（ultrafast laser）诱导局部化学环境调控与纳米相分离。激光注入能量后，会在极短时间内导致玻璃局部的温度和压力急剧上升，高于玻璃系统的液相线温度，从而在微小区域内引发液相纳米分离以及PNCs的形成。通过调节超快激光的脉冲持续时间、重复频率及能量等参数（详见Supplementary Table S1），可以实现PNCs组成、带隙以及PL特性的精准调控。激光参数的优化使光致发光波长可在绿色（~520纳米）到红色（~690纳米）的范围内调节。
为确认PNCs的存在与性质，研究团队进行了详细的实验表征工作： - 用透射电子显微镜（TEM）拍摄晶体影像，确定PNCs的粒径范围为1-4纳米。 - 通过拉曼光谱分析，证实材料的结构特性。 - 利用光致发光映射技术，表现PNCs在玻璃上的均匀分布以及调控后的色彩变化。 - 通过动态控制激光照射时间实现卤化物离子迁移和局部组成调控，进一步验证了PNCs性能与其方法的有效性。
研究展示了通过调节超快激光参数实现PNCs连续可调的PL发光性质。在Cl-Br-I三卤化物共掺杂玻璃中，通过改变激光照射时间及相关参数，成功将发光从480纳米（蓝光）调控至700纳米（红光），实现了全色域打印。这种PL调控机制归因于卤化物离子的纳米相分离及其在局部环境下的迁移、复合。
实验证明，与传统湿法化学制备的PNCs相比，该方法制备的PNCs具有显著的长期稳定性： - 在紫外光（UV）强照射（2W/cm²）下连续暴露12小时后，PNCs的PL强度无显著下降，表明没有发生相分离现象。 - PNCs在85°C长期加热960小时或250°C高温环境持续2小时后，PL特性保持稳定。 - PNCs在乙醇等有机溶剂中保存6个月，其量子产率（PL Quantum Yield）亦无显著变化。
这种高稳定性归因于玻璃基体对PNCs的有效保护，同时纳米级限制效应、激光诱导残余应力及高表面黏附能等因素共同提升了材料的抗光性和抗热性。
研究团队应用该技术制作了微米级的发光二极管（Micro LED, M-LED）及三维动态全息显示设备。其中： - 在单块玻璃内利用PNCs直接光刻出浙江大学多彩标志，展现了精准三维打印特性。 - 制作出能够随时间切换投影视图的三维动态全息图，展示了在光子储存、多维信息编码与防伪等领域的应用前景。
本研究通过解决稳定性问题为PNCs在实际应用提供了重要突破，其科学价值和应用前景主要体现在以下几个方面： - 提供了一种对PNCs在玻璃中进行三维集成的新型干法工艺，不仅避免了有机污染，还简化了制备流程。 - 提供了一种在单一玻璃芯片中实现广泛且连续可调色彩的技术，为信息存储、显示及发光设备的新型设计与实现开辟了可能性。 - 技术的高温稳定性使得PNCs基玻璃器件在长期高温条件下的实际环境应用成为可能。
本研究的创新性主要体现在以下几点： - 首次实现了基于超快激光的三维直接光刻调控PNCs组成与发光特性。 - 提供了对钙钛矿纳米晶体进行无污染干法工艺制备的理论与实践支持。 - 展现了高稳定性的PNCs在光电子器件中的实际应用潜力，包括Micro-LED和全息显示。
该研究为钙钛矿纳米材料在严苛环境下的长期可靠应用铺平了道路，同时推动了钙钛矿材料在显示技术、光子存储、防伪与显示屏领域的发展。