3D打印迄今仍然局限于特定塑料、被動(dòng)導(dǎo)體，和幾種生物材料。但普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功3D打印出基于量子點(diǎn)的LED(QD-LED)，顯示出不同類(lèi)型的材料可以3D打印，并完全集成到具有有源器件性能的組件中。
McAlpine和他來(lái)自普林斯頓大學(xué)的同事已經(jīng)將5中不同種類(lèi)的材料混合在一起打印出第一個(gè)全3D打印的LED燈了。
“使用3D打印實(shí)現(xiàn)不同材質(zhì)的無(wú)縫集成是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。”普林斯頓大學(xué)教授Michael McAlpine指出。
在他們發(fā)表在《Nano Letters》上的報(bào)告中，研究者描述了五種不同材料的無(wú)縫交織，其中包括：1)光致發(fā)光半導(dǎo)體的無(wú)機(jī)納米粒子;2)一種彈性體基質(zhì);3)作為電荷傳輸層的有機(jī)聚合物;4)固體和液體金屬引線(xiàn);5)UV粘合透明基板層。
該研究團(tuán)隊(duì)的做法包括三個(gè)關(guān)鍵步驟。 首先，確定電極、半導(dǎo)體和聚合物具有期望的功能和以可打印的形式呈現(xiàn);接著，小心確保這些材料可溶解于正交溶劑，以免在逐層打印過(guò)程中損害到下面層的完整性;最后，這些材料的交織圖案是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)的構(gòu)建體上直接分配來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
科技媒體ExtremeTech報(bào)道說(shuō)，研究小組使用了一臺(tái)自己開(kāi)發(fā)的3D打印機(jī)，“現(xiàn)成的3D打印機(jī)都無(wú)法勝任這項(xiàng)工作。”研究團(tuán)隊(duì)的Ryan Whitwam說(shuō)。“我們花了半年多的時(shí)間和2萬(wàn)美元才制造出所需要的3D打印機(jī)。”
每個(gè)量子點(diǎn)LED的底部層都是由銀納米顆粒構(gòu)成的，它們正好將LED與電子電路連接起來(lái)。在其頂部是兩個(gè)聚合物層，推動(dòng)電流朝上進(jìn)入下一層。這里就是真正的“量子點(diǎn)”所在之處——它們是納米級(jí)的半導(dǎo)體晶體，是包裹在硫化鋅外殼中的硒化鎘納米顆粒。每當(dāng)一個(gè)電子撞擊這些納米粒子，它們就會(huì)發(fā)出橙色或綠色的光。光的顏色可以通過(guò)改變納米顆粒的尺寸來(lái)控制。頂層是一個(gè)比較普通的鎵銦磷材料，用來(lái)引導(dǎo)電子遠(yuǎn)離發(fā)光二極管。
3D打印的嵌入式QLED的2x2x2的多維矩陣
作為概念驗(yàn)證，研究團(tuán)隊(duì)3D打印了其中一種基于量子點(diǎn)的LED(QD-LED，基于硒化鎘納米粒子，硫化鋅外殼，頂層為銦鎵)，該QD-LED表現(xiàn)出純和可調(diào)色彩的發(fā)光特性。
通過(guò)進(jìn)一步融入表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維掃描，研究團(tuán)隊(duì)還能將QD-LED打印到具有曲線(xiàn)形的表面的設(shè)備上，如接觸透鏡。
CAD模型上顯示QD-LED元件保形集成到曲線(xiàn)基板上
研究團(tuán)隊(duì)展示的第三個(gè)例子是一個(gè)封裝的LED 2x2x2立方體，據(jù)了解，該立方體中的每個(gè)組件和電子設(shè)備都是3D打印的。這就證明這種難以使用標(biāo)準(zhǔn)的微加工技術(shù)完成的新型架構(gòu)可以通過(guò)3D打印來(lái)構(gòu)建。
總體而言，研究團(tuán)隊(duì)表示，結(jié)果表明，3D打印的應(yīng)用潛力比我們已經(jīng)知道的要廣泛得多，并能集成許多不同類(lèi)型的材料。
工作中的3D打印QD-LED的低分辨率圖像
“我們預(yù)計(jì)，這一般策略可擴(kuò)展到3D打印其他類(lèi)型的有源器件，如MEMS器件、晶體管、太陽(yáng)能電池和光電二極管等。”McAlpine教授表示。“總體來(lái)說(shuō)，我們的結(jié)果展現(xiàn)了一些令人興奮的應(yīng)用，包括通過(guò)幾何剪裁含有LED和多傳感器的設(shè)備，為研究神經(jīng)回路的光遺傳學(xué)提供了新的工具。”
同時(shí)3D打印有源電子元件與生物構(gòu)建體可能導(dǎo)致新的仿生裝置的出現(xiàn)，比如通過(guò)光刺激神經(jīng)細(xì)胞的假體植入物。
據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，他們今后的工作將著重解決一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，其中包括：1)增加3D打印機(jī)的分辨率，使其能夠3D打印更小的設(shè)備;2)改進(jìn)打印設(shè)備的性能和打印速度;3)集成其它類(lèi)別的納米級(jí)功能，組成模塊和設(shè)備，包括半導(dǎo)體，電漿子(plasmonic)和鐵電物質(zhì)(ferroelectric)等。
