2026年1月12日，浦项科技大学（POSTECH）的研究人员开发了一种超精密3D打印技术，可直接在半导体衬底上制造垂直排列的纳米激光器。该方法能够实现光学元件的高密度放置，旨在应用于未来计算、通信和显示技术的光集成电路中。
研究成果以题为“Nanoprinting with CrystalEngineering for Perovskite”的论文发表在《ACS Nano》杂志上。这项研究由机械工程系教授金智泰（Ji Tae Kim）和卢俊硕（Junsuk Rho）领导，胡世奇（Shiqi Hu）为第一作者。
片上纳米激光器的制造限制
纳米激光器被认为是光信息处理的关键组件，它利用光信号而非电信号来传输和处理数据。然而，传统的半导体制造方法，例如光刻技术，主要适用于平面、重复结构，在器件几何形状和位置方面灵活性有限。此外，当应用于纳米尺度时，这些工艺也可能成本高昂且复杂。
目前大多数片上激光器采用水平结构制造，这种结构会占用基板表面空间，并且由于光泄漏到下层材料中而造成光学损耗。这些因素限制了光集成电路中可实现的器件密度和效率。
通过电液动力学3D打印技术实现垂直纳米激光器
为了克服这些局限性，浦项科技大学（POSTECH）团队开发了一种超精细电液动力学3D打印工艺，能够以阿升级分辨率沉积材料。新方法利用电压控制纳米级墨滴的喷射和定位，无需减材图案化步骤即可实现直接写入式制造。
利用这种方法，研究人员用钙钛矿（一种以其强发光特性而闻名的半导体材料）制备了垂直取向的柱状纳米结构。这些结构直接打印在基底上的特定位置，形成尺寸远小于人类头发的垂直纳米激光器。
表面质量被认为是影响器件性能的关键因素。通过将打印工艺与气相结晶控制相结合，研究团队制备出了表面光滑且近乎单晶取向的纳米结构。这降低了光散射和损耗，从而实现了激光器的稳定运行和更高的效率。
△图 (a–d) 和 (e–h) 分别展示了打印的 CsPbI₃ 钙钛矿纳米线的 FE-SEM 图像及其对应的 EDS 化学成分图。图中比例尺为 1 μm。图片来自 Hu 等人。
可调谐发射和光学安全功能
研究人员还展示了通过调整打印纳米结构的高度来控制波长的方法，从而可以调节纳米激光器的发射颜色。利用这项技术，研究团队创建了基于激光的安全图案，这些图案在正常视觉条件下不可见，只能使用专用光学设备才能检测到。
研究人员表示，直接高密度制造垂直纳米激光器的能力可以简化半导体芯片上光学元件的集成，并支持光计算和安全相关光子器件的未来发展。
△FE-SEM图像显示了电液动力学打印的单根钙钛矿纳米线，包括 MAPbI₃ 和 MAPbCl₃（比例尺：1 μm）。图片来自 Hu 等人。
用于光计算的3D打印光子学
近期研究探索了增材制造的光子系统如何支持下一代光计算和信号处理，尤其是在传统半导体制造工艺限制设计自由度的情况下。研究考察了利用3D打印光致变色材料实现全光信息处理、光控开关和可重构光子功能。
其他研究探讨了3D打印光子架构如何能够更好地控制光学元件的几何形状、材料成分和空间排列，从而支持更紧凑、更适用于特定应用的器件设计。在这一更广泛的研究领域中，垂直纳米激光器架构代表了一种提高元件密度并降低平面布局相关光学损耗的方法。
来源：南极熊
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