3D列印迄今仍然侷限於特定塑料、被動導體，和幾種生物材料。但普林斯頓大學的研究團隊已經成功3D列印出基於量子點的LED（QD-LED），顯示出不同類型的材料可以3D列印，並完全集成到具有有源器件性能的組件中。

McAlpine和他來自普林斯頓大學的同事已經將5中不同種類的材料混合在一起列印出第一個全3D列印的LED燈了。

「使用3D列印實現不同材質的無縫集成是一個巨大的挑戰。」普林斯頓大學教授Michael McAlpine指出。

在他們發表在《Nano Letters》上的報告中，研究者描述了五種不同材料的無縫交織，其中包括：1）光致發光半導體的無機納米粒子；2）一種彈性體基質；3）作為電荷傳輸層的有機聚合物；4）固體和液體金屬引線；5）UV粘合透明基板層。

該研究團隊的做法包括三個關鍵步驟。 首先，確定電極、半導體和聚合物具有期望的功能和以可列印的形式呈現；接著，小心確保這些材料可溶解於正交溶劑，以免在逐層列印過程中損害到下面層的完整性；最後，這些材料的交織圖案是通過CAD設計的構建體上直接分配來實現的。

科技媒體ExtremeTech報導，研究小組使用了一台自己開發的3D列印機，「現成的3D列印機都無法勝任這項工作。」研究團隊的Ryan Whitwam說。「我們花了半年多的時間和2萬美元才製造出所需要的3D列印機。」

每個量子點LED的底部層都是由銀納米顆粒構成的，它們正好將LED與電子電路連接起來。在其頂部是兩個聚合物層，推動電流朝上進入下一層。這裡就是真正的「量子點」所在之處——它們是納米級的半導體晶體，是包裹在硫化鋅外殼中的硒化鎘納米顆粒。每當一個電子撞擊這些納米粒子，它們就會發出橙色或綠色的光。光的顏色可以通過改變納米顆粒的尺寸來控制。頂層是一個比較普通的鎵銦磷材料，用來引導電子遠離發光二極管。

3D列印的嵌入式QLED的2×2×2的多維矩陣。

作為概念驗證，研究團隊3D列印了其中一種基於量子點的LED（QD-LED，基於硒化鎘納米粒子，硫化鋅外殼，頂層為銦鎵），該QD-LED表現出純和可調色彩的發光特性。

通過進一步融入表面拓撲結構的三維掃瞄，研究團隊還能將QD-LED列印到具有曲線形的表面的設備上，如接觸透鏡。

CAD模型上顯示QD-LED元件保形集成到曲線基板上。

研究團隊展示的第三個例子是一個封裝的LED 2×2×2立方體，據瞭解，該立方體中的每個組件和電子設備都是3D列印的。這就證明這種難以使用標準的微加工技術完成的新型架構可以通過3D列印來構建。

總體而言，研究團隊表示，結果表明，3D列印的應用潛力比我們已經知道的要廣泛得多，並能集成許多不同類型的材料。

工作中的3D列印QD-LED的低分辨率圖像

「我們預計，這一般策略可擴展到3D列印其他類型的有源器件，如MEMS器件、晶體管、太陽能電池和光電二極管等。」McAlpine教授表示。「總體來說，我們的結果展現了一些令人興奮的應用，包括通過幾何剪裁含有LED和多傳感器的設備，為研究神經回路的光遺傳學提供了新的工具。」

同時3D列印有源電子元件與生物構建體可能導致新的仿生裝置的出現，比如通過光刺激神經細胞的假體植入物。

據研究團隊介紹，他們今後的工作將著重解決一些關鍵挑戰，其中包括：1）增加3D列印機的分辨率，使其能夠3D列印更小的設備；2）改進列印設備的性能和列印速度；3）集成其它類別的納米級功能，組成模塊和設備，包括半導體，電漿子（plasmonic）和鐵電物質（ferroelectric）等。
 

來源：天工社