3D打印迄今仍然局限于特定塑料、被動導(dǎo)體，和幾種生物材料。但普林斯頓大學(xué)的研究團(tuán)隊已經(jīng)成功3D打印出基于量子點(diǎn)的LED(QD-LED)，顯示出不同類型的材料可以3D打印，并完全集成到具有有源器件性能的組件中。

“使用3D打印實現(xiàn)不同材質(zhì)的無縫集成是一個巨大的挑戰(zhàn)。”普林斯頓大學(xué)教授Michael McAlpine指出。

在他們發(fā)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(fā)光半導(dǎo)體的無機(jī)納米粒子;2)一種彈性體基質(zhì);3)作為電荷傳輸層的有機(jī)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(tuán)隊的做法包括三個關(guān)鍵步驟。 首先，確定電極、半導(dǎo)體和聚合物具有期望的功能和以可打印的形式呈現(xiàn);接著，小心確保這些材料可溶解于正交溶劑，以免在逐層打印過程中損害到下面層的完整性;最后，這些材料的交織圖案是通過CAD設(shè)計的構(gòu)建體上直接分配來實現(xiàn)的。

科技媒體ExtremeTech報道說，研究小組使用了一臺自己開發(fā)的3D打印機(jī)，“現(xiàn)成的3D打印機(jī)都無法勝任這項工作。”研究團(tuán)隊的Ryan Whitwam說。“我們花了半年多的時間和2萬美元才制造出所需要的3D打印機(jī)。”

每個量子點(diǎn)LED的底部層都是由銀納米顆粒構(gòu)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(jìn)入下一層。這里就是真正的“量子點(diǎn)”所在之處——它們是納米級的半導(dǎo)體晶體，是包裹在硫化鋅外殼中的硒化鎘納米顆粒。每當(dāng)一個電子撞擊這些納米粒子，它們就會發(fā)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(dǎo)電子遠(yuǎn)離發(fā)光二極管。

3D打印的嵌入式QLED的2×2×2的多維矩陣。

作為概念驗證，研究團(tuán)隊3D打印了其中一種基于量子點(diǎn)的LED(QD-LED，基于硒化鎘納米粒子，硫化鋅外殼，頂層為銦鎵)，該QD-LED表現(xiàn)出純和可調(diào)色彩的發(fā)光特性。

通過進(jìn)一步融入表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維掃描，研究團(tuán)隊還能將QD-LED打印到具有曲線形的表面的設(shè)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(tuán)隊展示的第三個例子是一個封裝的LED 2×2×2立方體，據(jù)了解，該立方體中的每個組件和電子設(shè)備都是3D打印的。這就證明這種難以使用標(biāo)準(zhǔn)的微加工技術(shù)完成的新型架構(gòu)可以通過3D打印來構(gòu)建。

總體而言，研究團(tuán)隊表示，結(jié)果表明，3D打印的應(yīng)用潛力比我們已經(jīng)知道的要廣泛得多，并能集成許多不同類型的材料。

工作中的3D打印QD-LED的低分辨率圖像

“我們預(yù)計，這一般策略可擴(kuò)展到3D打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(jié)果展現(xiàn)了一些令人興奮的應(yīng)用，包括通過幾何剪裁含有LED和多傳感器的設(shè)備，為研究神經(jīng)回路的光遺傳學(xué)提供了新的工具。”

同時3D打印有源電子元件與生物構(gòu)建體可能導(dǎo)致新的仿生裝置的出現(xiàn)，比如通過光刺激神經(jīng)細(xì)胞的假體植入物。

據(jù)研究團(tuán)隊介紹，他們今后的工作將著重解決一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，其中包括：1)增加3D打印機(jī)的分辨率，使其能夠3D打印更小的設(shè)備;2)改進(jìn)打印設(shè)備的性能和打印速度;3)集成其它類別的納米級功能，組成模塊和設(shè)備，包括半導(dǎo)體，電漿子(plasmonic)和鐵電物質(zhì)(ferroelectric)等。