金属氧化物（MO）薄膜因其高迁移率、透明性和柔韧性，在显示器和集成电路领域具有替代硅材料的潜力。溶液加工虽能实现低成本制造，但传统工艺需>400℃长时间退火，阻碍了高效连续生产和图案化集成。现有低温方案（如燃烧合成、光活化）仍面临>200℃处理温度或多步耗时工艺的限制，且缺乏普适性室温加工方法，导致高性能全MO器件的高分辨率印刷难以实现。
针对以上难题，香港城市大学于欣格教授、雷党愿教授团队报道了一种名为“等离子体印刷”的加工技术，用于在室温和环境条件下制造高性能溶液加工全金属氧化物（MO）薄膜电子器件。该技术利用飞秒激光激发的银纳米线（Ag NWs）诱导等离子体局部加热，在0.3秒内将MO前驱体局部转化为高质量薄膜（包括导体、介电体和半导体）。这些MO薄膜无需特殊气体或高温处理即展现出优异电学性能。通过精确图案控制，实现了高密度溶液加工全MO晶体管阵列（48400晶体管/平方厘米）和集成逻辑门。
该技术为低成本高通量印刷高密度、多层溶液加工MO电子器件提供了新途径，其性能可与真空工艺相媲美。相关研究成果以“Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature”为题，发表在Nature Materials上。
图1 溶液加工MO薄膜电子学的等离子体印刷
图1 展示了等离子体印刷溶液加工MO薄膜电子器件的原理。作者通过飞秒激光（800+400 nm混合波长）激发银纳米线产生等离子体局部加热（25℃环境），实现MO前驱体向功能薄膜的转化（流程a）。与传统真空工艺（需高真空、高温）和溶液工艺（需>400℃退火）相比（d-e），该技术能在0.3秒内完成转化（g-h），且形成更完整的M-O-M晶格键（b）。通过四英寸晶圆级透明阵列（c）和雷达图（f）证实其在效率、图案控制等六项指标上的优势，其中图案化能力使晶体管结构（右下）实现精确制造。
图2 渐进等离子体加热机制
图2 揭示了渐进式等离子体加热机制。作者通过红外热成像（a）和SEM（b-e）追踪飞秒激光照射下银纳米线的形貌演变：原始网络结构（b）在0.1秒内熔化为致密颗粒（c），1秒后聚集成稀疏大颗粒（d），10秒后形成稳定椭球体（e）。模拟显示（f-l），纳米线交叉点形成等离子体热点（f），初始阶段吸收效率最高（h），局部温度在66ms内达360℃（a）。优化后的致密颗粒阵列理论上可实现2000K温升（l），为MO转化提供瞬时高效热源。
图3 等离子体印刷MO薄膜器件
图3 量化了等离子体印刷MO器件的电学性能。作者通过”CITYU”图案演示精确控制能力（a），优化参数使ITO电导率达1.763 S cm⁻¹（b）。AlOₓ介质层在8.6 W mm⁻²强度下获得9V击穿电压和260 nF cm⁻²电容（d-f）。印刷的IGZO晶体管迁移率达21.0 cm² V⁻¹ s⁻¹（g），性能对比图（j-l）显示：ITO电导率（j）和IGZO迁移率（l）超越现有溶液工艺，AlOₓ介电常数（k）接近真空工艺水平。所有数据均证实该技术可在室温实现媲美高温退火的电学性能。
图4 等离子体印刷全MO晶体管阵列
图4 验证了全MO晶体管阵列的集成能力。作者通过等离子体印刷制备10×10阵列（a），ITO栅极电阻（11.8±6.3 kΩ）、AlOₓ介电常数（8.03±0.8）、IGZO迁移率（14.5±5.4 cm² V⁻¹ s⁻¹）均展现高均匀性（b-h）。高密度阵列达48,400晶体管/平方厘米（i-k），典型晶体管迁移率12.6 cm² V⁻¹ s⁻¹（l）。表面形貌分析（m-p）显示ITO粗糙度仅0.88±0.25 nm（o），厚度均匀性±0.6 nm（p），证实该技术满足有源矩阵技术对器件均一性的严苛要求。
图5 基于全MO晶体管的等离子体印刷逻辑门
图5 实现了全MO逻辑电路功能集成。作者基于印刷晶体管构建逆变器（a），在12V电压下获得15倍增益（b-c）。NAND（d-e）和NOR门（f-g）展现理想逻辑特性，半加法器（h）输出波形（i）验证了电路功能性。所有逻辑器件在0/10V电平下运行稳定，且瞬态响应测试显示1kHz方波输入时具有对称上升/下降沿，证实等离子体印刷技术具备制造复杂集成电路的能力。
该项研究开发的等离子体印刷技术通过银纳米线诱导的局域加热，在室温环境下实现了高性能金属氧化物导体、介电体与半导体的高通量加工。其超高分辨率（48400晶体管/平方厘米）和优异均匀性（器件良率100%）成功制备出高密度全MO晶体管阵列与逻辑电路。该技术突破溶液加工MO器件的温度限制，转化时间
Gao, Z., Fu, Y., Zhang, Q. et al. Plasmonic printing of high-performance metal oxide electronics under room temperature. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02268-w