工业制造商和学术研究人员可以使用普渡大学开发的专利创新激光技术，在极端条件下生产高性能的半导体氧化物薄膜和金属等高科技材料，并对纳米材料的物理特性进行超精细操纵。
Gary Cheng 创造了创新技术，改进了激光冲击喷丸、纳米线成型和透明薄膜加工等传统技术。他是工业工程学院的教授，并在材料工程学院担任礼节性任命。
这些创新已经过测试和验证，结果已发布在同行评审的期刊上，包括Advanced Materials、Materials Today、Matter、Nature Communications、Science和Science Advances。
纳米塑形平台
Cheng和他的同事们发明了一种基于激光的纳米制造平台，以实现金属和纳米材料的超精细3D操作。该平台可实现精确的图案化、集成和应变工程。
它导致了诸如在石墨烯中打开大带隙以及微调二维材料与量子点、纳米线和纳米金刚石之间的间距等应用。在等离子体学、传感、量子信息和纳米声子学方面都有应用。
“使用激光在超细尺度上操纵纳米材料上的力和温度为3D微/纳米组件制造创造了机会，包括0D-2D异质结构纳米材料的图案化和集成，”Cheng说。“这为在半导体、纳米电子学和量子技术等领域开发新一代微型设备创造了机会。
薄膜和纳米油墨的激光辅助加工
Cheng基于激光的薄膜和纳米材料油墨加工解决了薄膜在微观结构、缺陷、残余应力控制和性能稳定性方面的挑战。它为高性能和可靠的光电子和光伏提供可扩展的制造。
大型消费类设备，如平板显示器、发光二极管和光伏电池，都依赖于透明导电氧化物薄膜。氧化物半导体还被用于下一代器件中的薄膜晶体管，如高分辨率液晶显示器、有机发光二极管显示器和柔性电子产品。
“制造TCO薄膜的传统材料是氧化铟锡，”Cheng说。“目前，掺镓锌氧化物和掺镓锡氧化物等半导体氧化物正在研发中，以取代它。物理气相沉积制造了这些具有高电子电导率的薄膜，但是，它们的性能在性能和高速率生产方面无法满足商业标准。
Cheng和他的同事们通过将脉冲激光沉积与激光退火相结合来制造半导体氧化物薄膜，以实现比传统制造的薄膜更好的结构和光电性能。为了实现大规模的薄膜器件制造，他的团队还将纳米油墨的卷对卷印刷与激光退火相结合，以获得高质量的结晶低缺陷薄膜，从纳米颗粒、纳米线和石墨烯和二硫化钼等二维材料中沉积纳米层。
“与传统的沉积技术相比，这种方法取得了卓越的性能，特别是当需要按顺序沉积各种材料时，使其对大规模制造具有吸引力，”Cheng说。“各种纳米材料和其他沉积方法都有潜在的应用。
纳米结构一体化激光减震强化
传统的激光冲击喷丸对金属表面进行加工，以改善其材料性能，如抗疲劳和耐腐蚀性。表面被玻璃或液体屏障限制，然后暴露在短激光脉冲下。脉冲产生冲击波，冲击波进入金属，以超高应变率使表面变形，从而产生有益的微观结构和残余应力。
Cheng说，传统的LSP有缺点。
“传统上，在长时间疲劳循环后，微观结构和残余应力并不稳定，尤其是在极端条件下，”Cheng说。“此外，传统的LSP在处理高强度金属时也面临着挑战，即使用水作为限制。”
Cheng的创新被称为纳米结构集成激光冲击喷丸，它控制了在此过程中的温度，以引入纳米结构，如超细和高密度纳米级相和位错。这些纳米结构稳定了有益的微观结构和残余应力。他的研究在航空航天和海军工业中得到了应用，以解决极端条件下材料的可靠性问题。
“使用这种方法，我们已经展示了nLSP在铝和钛合金上的效率，具有更快的加工速度和更强的冲击压力，同时还可以引入纳米结构来增强金属的机械性能和稳定性，”他说。
Cheng 获得了美国国家标准与技术研究院、国家研究委员会、美国国家科学基金会、海军研究办公室和普渡大学研究办公室的财政支持。
