随着纳米技术和激光技术的快速发展，可将二者结合通过制备、修饰和图案化等多种方式灵活调控纳米材料的荧光特性。近日，新加坡国立大学物理学院的 Chorng Haur Sow 教授团队以 “Multifaceted Approaches to Engineer Fluorescence in Nanomaterials via a Focused Laser Beam”为题在 Light: Advanced Manufacturing 发表综述文章。该综述对利用激光调控纳米荧光材料的理论和实验进展进行了深入探讨和全面的概述。

综述中回顾了各种激光技术对纳米材料的荧光特性的重要影响，包括直接激光写入、激光烧蚀、微印刷和混合图案制作，以及基于缺陷或掺杂剂的发射和氧化还原诱导的荧光态的相应荧光纳米材料体系。

近年来，激光在纳米材料和器件制备领域有广泛应用。随着激光系统的成本逐渐降低，无论是作为专用光学仪器的组件，还是与独立光学显微镜的灵活耦合，都促进了激光在材料生产、改性和表征方面的应用。

随着对快速和简单操作的需求不断增长，激光在材料研究中的应用促使了多种技术的诞生，包括激光诱导前向转移、激光合成和胶体加工（LSPC（图 1a）），激光辅助化学气相沉积（LCVD）、脉冲激光沉积（PLD）、纳米光刻、直接激光写入等（图 1b）、烧结、微印刷、图案化（图 1c，d）。由于激光光束参数的可控性，可对激光诱导的材料性质重组进行系统研究，从而揭示了无数纳米材料中的许多新光学现象。

图 1：激光在纳米材料领域的应用
激光技术通过热、光学和化学过程对纳米材料的荧光特性产生重要影响，可帮助我们深入、全面地理解纳米材料的光物理过程（电荷复合动力学、激子物理、去激发过程和光子关联），并促进在先进光子领域的应用。

激光调制纳米材料荧光特性主要通过以下几种途径：
激光诱导荧光（Laser-Induced Fluorescence）
激光调制荧光（Laser-Modified Fluorescence）
激光辅助荧光材料自组装和图案化（Laser-Assisted Assembly and Patterning of Fluorescent Materials）

激光诱导荧光
激光诱导荧光主要通过激光独特的光、热特性或通过能量输入引发的化学过程来诱导荧光发射。激光具有高的光子能量或者热辐射可有效克服纳米材料中能级跃迁的势垒，从而发射荧光。此外，通过控制激光参数（功率、强度、面积和持续时间）来调控纳米材料的尺寸和形态，也可间接影响纳米材料的荧光特性。

图 2：激光烧蚀和激光氧化还原产生荧光
除了激光烧蚀和激光的氧化还原反应诱导荧光之外，通过激光减薄、激光辐照在纳米材料中产生缺陷等方法也可诱导荧光。

激光调制荧光

除激光诱导荧光发射之外，激光也可对荧光的峰位，强度和线型进行调控，这可使研究者按需调控纳米材料的荧光，在纳米材料化学和激子物理研究方面具有重要潜力。

通过激光辅助氧化等过程，使纳米材料的成分发生变化，或者由于氧化层形成新的异质结结构，从而调控发光线型和发光峰位。

图 3：激光调制纳米荧光材料的发光线型
激光辅助纳米材料自组装和图案化

通过激光微纳加工技术或者激光诱导自组装技术可实现荧光纳米材料的图案化，从而实现荧光的空间调控。如图 4 所示，可通过激光微雕刻或加工技术形成图案化的纳米材料，从而得到不同空间分布、不同图案的荧光，可应用于“荧光指示”等应用。

图 4：激光辅助荧光材料图案化
激光具有灵活、低成本和高通量的优势，随着激光技术调控纳米材料性能方面的研究日益增多，将推动激光技术在先进功能纳米材料领域的发展。利用激光调控纳米材料的功能，可得到一些新奇的物理现象，可增强对理想材料特性的掌握，同时促进对这些新奇物理现象的科学理解。

展望未来，激光技术仍有许多未开发的潜力，可用于更复杂的传感和图形平台。例如，通过激光辅助合并或制备具有不同激发-发射曲线、发射寿命或吸收率的纳米结构，可以在不同的激发波长或传感条件下选择性地开启相应的荧光发射；通过激光定位多色荧光结构可应用于多路检测和传感；激光加工技术可排列发射波长不同的纳米结构，形成多色条形码；激光对于基于缺陷的单光子发射和 2D 材料改性也有重要的应用前景，尤其是在量子计算领域具有无限潜力。

此外，利用激光进行局部材料改性有助于研究表面和界面状态，尤其是激光制作的 p-n 结、横向和垂直几何形状的金属-绝缘体-半导体（MIS）界面；结合激光修剪和激光调制技术有望提供定制的材料横截面，以适合任何器件和互连几何形状，为跨越光学和电子领域的多学科探索开辟新途径。随着激光系统在精细材料工程中的快速发展，实现灵活的材料设计并促进材料研究的发展。

来源：先进制造