这篇论文的研究内容由荷兰特温特大学的Jędrzej Winczewski教授及其团队完成，研究成果发表在《Chemical Communications》期刊上。研究的核心是利用增材制造技术（3D打印）开发出发出红、绿、蓝和白光的磷光微结构，这一进展为集成光学和光源的应用提供了新的可能性。
随着微尺度功能材料在光学和光子学领域的广泛应用，开发新型的发光材料变得尤为重要。传统的光源和显示技术面临着效率和色彩表现的挑战，而通过增材制造技术，研究人员能够创造出复杂的三维结构，从而实现更高效的光学性能。该研究的目标是通过三维结构的磷光材料实现增材颜色合成，这在集成光学和光源领域具有重要的应用前景。
本研究采用了双光子光刻（TPL）技术，这是一种能够以亚微米分辨率制造复杂三维结构的先进方法。在这一过程中，研究团队使用了定制的光敏树脂，这些树脂中包含了锆（Zr）富含的丙烯酸单体和稀土金属（RE³⁺）的醋酸盐。通过TPL技术，研究人员能够在硅基底上打印出具有任意形状的三维结构，并在600°C的高温下进行退火处理，最终形成锆氧化物（ZrO₂）陶瓷微结构。
研究表明，掺杂不同稀土离子的ZrO₂微结构能够发出不同颜色的光。具体而言，掺铕（Eu³⁺）的ZrO₂发出红光，掺铽（Tb³⁺）的ZrO₂发出绿光，掺铥（Tm³⁺）的ZrO₂发出蓝光，而三重掺杂（Eu³⁺、Tb³⁺和Tm³⁺）的ZrO₂则能够实现白光发射。这一发现不仅展示了增材制造技术在光学材料领域的应用潜力，也为未来的光源设计提供了新的思路。
在研究过程中，团队面临了多个技术挑战。首先，如何确保稀土离子在锆氧化物基体中的均匀分布是一个关键问题。研究人员通过扫描电子显微镜-能量色散X射线光谱（SEM-EDX）技术确认了掺杂元素的均匀分布。此外，退火过程中的有机成分燃烧和金属氧化物的形成也需要精确控制，以避免材料性能的下降。其次，研究团队还需解决高温退火对材料光学性能的影响。通过对不同退火温度和时间的实验，研究人员发现适当的热处理能够显著提高材料的发光效率和稳定性。
研究中最大的痛点在于如何在微米尺度上实现高效的光学性能。研究人员发现，ZrO₂作为稀土离子的宿主材料，能够有效降低非辐射衰减率，从而提高光学转化效率。此外，研究团队还探索了不同的掺杂浓度对发光性能的影响，确保了稀土离子在ZrO₂基体中的充分溶解，以防止掺杂聚集现象的发生。尽管如此，研究团队通过优化掺杂策略和退火条件，成功克服了这些困难，确保了研究的顺利进行。
该研究的成功为增材制造技术在光学材料领域的应用奠定了基础。未来，研究团队计划进一步探索其他稀土离子的掺杂效果，以及不同基体材料的组合，以实现更广泛的颜色合成和更高的发光效率。此外，ZrO₂的生物相容性也为其在生物医学成像和传感器领域的应用提供了可能性。研究结果表明，增材制造的ZrO₂微结构不仅在光学性能上表现出色，还在结构设计上具有灵活性，能够满足不同应用需求。
这项研究不仅展示了增材制造技术在功能材料开发中的潜力，也为未来的光学和光子学应用开辟了新的方向。随着技术的不断进步，预计将会有更多创新的光学材料被开发出来，推动相关领域的发展。研究团队的努力为实现复杂三维微结构的增材颜色合成提供了新的思路，未来的研究将继续推动这一领域的进步。
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https://doi.org/10.1039/d2cc06953a
