近日，國際權威頂級期刊《美國化學會志》 （Journal of the American Chemical Society，JACS）發(fā)表鄧鶴翔教授和程佳瑞教授合作研究成果。論文題為“Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning in Air Using MOFs” （《空氣環(huán)境下基于MOF的納米金屬激光冶煉及圖案化》），被選為當期雜志封面，博士后江浩慶為論文的第一作者。

實驗裝置示意圖

金屬納米晶粒是制備光電子器件的重要原料。但金屬納米晶粒活性高、極易被氧化，制備過程往往需要溶液、真空或惰性氣氛保護，因此制造工藝復雜，難以大規(guī)模應用。化學與分子科學學院鄧鶴翔教授與工業(yè)科學研究院程佳瑞教授團隊合作，采用金屬有機框架材料（Metal-organic Framework, MOF）作為原料，利用激光成功制備了顆粒大小均一的金屬納米晶粒。

通過程序控制激光的開閉和光斑的移動實現(xiàn)了圖案的制備，僅數(shù)十秒即可打印出由金屬納米晶粒構成的晶圓級別大小的芯片，整個過程完全在空氣中進行，所需激光功率不到5瓦，非常適合規(guī)模化生產。

激光照射金屬有機框架材料（MOF）產生金屬納米晶粒及芯片打印

MOF由金屬與含碳有機配體構筑。目前大部分研究集中在MOF中有機成分上，而結構中豐富的金屬離子尚未充分利用。此項工作提出了激光納米金屬冶煉及圖案化方法（Nanoscale Laser Metallurgy and Patterning, 簡稱nano-LaMP）：以MOF為原料實現(xiàn)了空氣環(huán)境下的金屬納米顆粒制備和同步圖案打印。

在反應過程中，MOF晶體內有序排列的金屬離子和有機配體分別作為金屬源和還原劑。納秒脈沖激光器則負責將能量精準地投送到指定位置，為金屬還原提供能量。MOF晶體高效吸收激光后產生局域高溫，金屬離子被迅速還原并從MOF豐富的孔道中噴射出來，在基底上沉積并迅速冷卻形成金屬納米晶粒。

實驗結果微觀圖示

nano-LaMP方法展現(xiàn)出較好的普適性，能夠基于含有不同金屬離子的MOF晶體制備出鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鎘、銦、鉛和鉍九種金屬納米晶粒及其圖案。其中，基于銅納米晶粒的表面增強拉曼效應芯片在對多種生物分子的檢測中提供極低的檢測限（10-12 M）。nano-LaMP結合了激光和MOF材料的優(yōu)點，為芯片制造提供了節(jié)能環(huán)保、快速靈活的新方法。

使用nano-LaMP制備的不同金屬的納米晶

該工作獲得國家自然科學基金，國家重點研發(fā)計劃武漢大學創(chuàng)新團隊項目的資助，以及上海光源（SSRF），武漢大學大型儀器共享平臺和測試中心的支持。