近日，华中科技大学机械学院/智能制造装备与技术全国重点实验室黄永安教授在Nature旗下国际光学顶尖期刊《Light: Science & Applications》上发表题为“Gradient-graphene-enabled directional photothermal regulation for self-aligned laser transfer printing（基于梯度石墨烯定向光热调控策略的自对准激光转印技术）”。该研究创新性地提出并实现了一种基于“热导率梯度碳层”的自对准激光转印技术（Self-aligned Laser Transfer, SALT），攻克了传统激光转印技术的光斑与芯片的对准偏差导致芯片转移误差的难题，为阵列化微纳器件异质集成提供了全新的解决方案。
将数以百万计的微型芯片（如MicroLED、传感器阵列等）精准、高效地集成到柔性或非平面基底上，是柔性显示、可穿戴设备及生物电子等领域的制造基石。激光在能量、时间和空间具有高度可控性，通过激光与印章中界面材料相互作用推动芯片向基板转移，被视为最具潜力的解决方案。但其产业化一直受限于一个根本性瓶颈：在高速扫描过程中，激光光斑与芯片的对准精度要求极为苛刻，微小的照射偏差就会导致芯片释放不同步、轨迹偏移，严重影响良率与精度。
面对这一挑战，华中科技大学黄永安教授团队改变思路，将调控对象由传统的“入射光场”转向光热转换后的“热场”（图1）。团队不再追求激光与芯片的绝对对准，而是通过赋予转印印章“智能纠偏”能力，研发了自对准激光转印技术（SALT）。该技术在印章中巧妙地引入了“热导率梯度石墨烯”，利用材料的梯度导热特性实现了光热的“自动匀化”。具体而言，热梯度石墨烯通过准分子激光诱导聚合物限域改性制备（上层高导热石墨烯，下层低导热无定形碳），利用碳同素异构体热导率上的跨量级差异，构建了定向热传导路径，将非均匀光场输入转化为均匀温度场输出。当激光照射时，上层高导热石墨烯从无定形碳中将大部分热量（80%）吸收并快速横向扩散，通过“疏堵结合”的机制实现热量“自动找平”。
该技术的特点在于：
高精度与高容错：在激光光斑偏移量达到芯片尺寸30%的严苛条件下，转移精度仍可保持在<5 µm，对工艺波动的容忍度相比传统方法提升约6倍。
高效可编程选择性：通过调控梯度石墨烯碳层的“灰度”（即红外吸收率），无需为每个芯片规划复杂的激光路径，即可利用单次全域激光扫描实现特定芯片的批量选择性释放，提升了操作的灵活性与效率。
强大的兼容性与扩展性：该技术成功实现了从100 µm到1mm跨尺度、异形芯片在无粘性基底上的精准集成。此外，研究团队通过多次选择性转印，成功组装了可编程点亮的全彩柔性MicroLED微型显示器件，验证了SALT在柔性显示领域中的应用潜力。
图1自对准激光转印技术原理
高质量的印章制备是实现自对准效果的关键。如图2所示，转印图章由透明石英基板、光热转换石墨烯碳层和微空腔粘附层组成。团队开发了一种独特的界面限域激光碳化工艺，不同于传统的表面烧蚀，研究人员利用准分子激光透过透明石英基板辐照聚酰亚胺（PI）界面。这种封闭环境引发了独特的“自限制”反应：随着碳化产物的累积，其对紫外激光的吸收逐渐增强，阻断了反应的向下延伸，从而自然诱导形成了“上层高结晶石墨烯-下层无定形碳”的垂直梯度结构。拉曼光谱逐层分析证实，这种原位生成的梯度层在原子尺度上实现了从有序晶格到无序结构的连续过渡。配合优化设计的微腔阵列结构，该复合印章在保证高吸光效率的同时，兼具了优异的力学粘附调控性能。
图2 梯度碳层印章制备与表征
为了深入解析梯度碳层通过定向热调控实现光热自匀化的机理，研究团队通过多物理场仿真与高速观测实验揭示了其光热解耦机制（图3）。在传统的激光转印中，光斑位置直接决定了热点位置。而在SALT技术中，梯度碳层打破了这一对应关系：无定形碳作为“热源”，石英基板作为“散热片”，而石墨烯层则充当了高效的“热界面材料”，三者协同作用确保了PI底层的温度均匀分布。仿真与实验数据均表明，即使激光发生显著偏移，传递到粘附层的温度场依然能保持均匀分布，确保了微器件的同步、垂直释放，即使红外激光偏移量达到芯片尺寸的30%，也能保证芯片转移精度小于5 µm。
图3 梯度碳层定向热调控机理
在大规模MicroLED显示制造中，如何高效地从数百万颗芯片中挑选特定像素进行转移是一大挑战。团队创新性地引入了“光热阈值门控”理念（图4）。通过精准调控准分子激光加工参数，可以在同一印章上预制出具有不同红外吸收率（即“灰度”）的梯度碳层阵列。在单次红外激光全域扫描下，只有吸光度超过特定阈值的区域才会产生足够的热量释放芯片。这种方法摒弃了传统技术对复杂激光扫描路径规划的依赖，实现了任意图案微芯片的并形化、批量选择性组装。
图4 灰度控制的梯度碳层实现批量选择性转移
SALT技术的通用性与系统集成能力在多场景应用中得到了验证（图5）。本研究通过自主搭建的巨量转移装备（iGreatTransfer），将钛金属膜、不锈钢微球、硅片、玻璃片等多种微芯转印到不同无粘性基底上，展现了该技术对基底和芯片材料的普适性。此外，团队成功利用该技术制造了可编程驱动的RGB全彩柔性MicroLED显示系统。这标志着自对准激光转移技术已具备从单一器件转移迈向复杂光电系统集成制造的实用化潜力。
图5 微芯片和MicroLED芯片的显示集成应用
该研究不仅实现了微芯片高效、高精度转印集成效果，更发展了一种普适性的自对准策略，通过在能量传递路径中引入智能梯度材料进行本征调控，为微电子器件的大规模、高良率制造提供了全新的技术路径，有望实现在柔性显示、生物电子、柔性可穿戴电子设备等诸多前沿领域应用。
华中科技大学机械学院2021级博士生盖梦欣为论文第一作者，华中科技大学黄永安教授和南京理工大学卞敬副教授为共同通讯作者。机械学院2023届博士毕业生陈福荣，2025届硕士毕业生刘磊，2024级博士生肖宏，2024级硕士生罗渝，2023级硕士生马宇行、黄欣程等参与研究。研究得到了国家自然科学基金与湖北省中央引导地方发展专项的资助。
论文链接：Mengxin Gai et al., Gradient-graphene-enabled directional photothermal regulation for self-aligned laser transfer printing. Light Sci Appl 15, 62 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02170-9
来源：高分子科技
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