综述：激光辅助电化学沉积的前沿探索：从多维光场控制到多功能器件集成

《Optics & Laser Technology》：Frontier exploration of laser-assisted electrochemical deposition: from multidimensional optical-field control to multifunctional device integration

　　摘要激光辅助电化学沉积技术将激光的时空可编程性与电化学过程的界面选择性相结合，为微纳制造及功能器件构建提供了有力途径。近期研究已展现该技术在微电极、互连结构、功能表面及传感器领域的应用潜力。然而目前的研究大多局限于单点扫描和单一材料体系，这限制了加工效率与系统功能的提升。本综述从两个互补角度梳理了该领域的前沿进展：其一为光场维度扩展，通过结构光、空间光调制、全息技术及新型光源实现并行沉积、复杂三维结构构建以及局部反应场控制；其二为材料与功能维度扩展，侧重于原位多材料沉积、金属与非金属异质集成以及嵌入式器件制备。这两类方法共同构成了从“结构制备”向“系统制造”发展的路径。此外，本文还分析了多物理场耦合、材料兼容性、精度与效率平衡、原位监测及设备标准化等关键科学与工程挑战，并首次提出了构建“光场-材料-传感-控制”一体化平台的路线图。这一框架旨在推动激光辅助电化学沉积技术从实验室演示走向可重复、可扩展且可集成的实际制造技术。

引言激光辅助电化学沉积是一种将激光技术与电化学沉积工艺相结合的先进制造方法。与传统电化学沉积相比，激光的引入为工艺控制带来了额外的时空自由度：通过局部加热、光化学激活、界面状态调控以及对流增强，激光照射能够改变沉积区的局部反应动力学和质量传输过程，从而提升沉积速率、改善成核质量，并实现更高精度的局部结构制备。基于这些优势，激光辅助电化学沉积在微机电系统、微传感器、微互连结构、功能表面以及微尺度能源器件等领域展现出广阔的应用前景。近几十年来，全球众多研究团队一直在探索与激光辅助电化学沉积相关的技术，形成了几条部分重叠但技术特点各异的路径。早期研究主要聚焦于激光增强的局部金属电极沉积，利用聚焦激光加速界面电荷转移、增强局部质量传输，从而实现无需掩模的金属微结构制备。此后，这一技术被拓展到微柱、微电极、互连结构及合金结构的局部沉积，研究重点逐渐转向沉积速率、几何形状控制以及结构形态调控。与此同时，激光或光辅助的电泳沉积技术作为一种互补方法，被用于在光学与电场耦合作用下组装纳米粒子、胶体、量子点、氧化物、聚合物及其他功能性填料。近年来，结构光、空间光调制、投影照明以及激光辅助的后固化技术进一步推动了该领域的发展，使得平行图案化、颗粒组装、复合材料集成以及面向器件的制造成为可能。这些进展表明，激光辅助电化学沉积/电泳沉积技术已从单纯的局部金属沉积发展为涵盖更多类型的、受光场调控的电化学及电辅助制造策略。因此，有必要通过一个统一的框架对这些技术路径进行对比分析，明确它们的能力边界、共同面临的挑战以及未来的发展方向。需要指出的是，文献中关于激光参与的电沉积过程的术语存在一定重叠。为避免概念混淆，本文采用广义的激光辅助电化学沉积框架，将其视为一类由激光参与并调控局部沉积环境的电化学/电辅助沉积技术。在这一框架下，既包括激光辅助的局部电化学沉积（通常属于以金属离子电还原为主的类型），也包括激光辅助的电泳沉积（属于以纳米粒子/胶体操控结合电场驱动沉积为特征的类型）。尽管这两种技术的沉积对象、主导动力学过程及适用工艺窗口存在差异，但它们都共享一种核心方法论，即利用光场调控局部沉积条件。尽管取得了持续进展，目前的激光辅助电化学沉积相关技术仍面临两大核心瓶颈。首先是效率瓶颈：大多数现有研究依赖单个高斯激光束进行逐点扫描或单点生长，导致沉积效率低下、加工速度缓慢，无法满足大面积阵列器件及复杂微结构批量制造的需求。其次是功能瓶颈：目前可沉积的材料主要限于单一金属体系，而实际的功能器件往往需要导电层、传感层、介电保护层及封装层等结构的协同集成。若缺乏原位多材料集成能力，激光辅助电化学沉积就难以从“结构加工工具”发展为“器件制造平台”。从技术发展视角来看，激光在该领域的潜力尚未得到充分挖掘。未来的突破很可能来自两个相互关联的方向：其一为时空维度扩展，即从“单点逐点写入”迈向“并行/体积/场分布控制”，通过结构光、空间光调制及动态光束整形技术提升加工效率与几何设计自由度；其二为材料与功能维度扩展，即从“单一金属沉积”迈向“多材料异质集成与系统级制造”，利用局部能量场与电化学环境的协同作用，实现多功能结构与器件的原位构建。在这两个方向的交汇处，激光辅助电化学沉积有望从“结构制备”发展为“系统制造”，为微型化、智能化及多功能器件的先进制造开辟新的范式。在此背景下，本综述重点探讨了多维光场控制与异质材料集成两大核心主题，系统总结了该领域的技术原理、前沿发展方向及关键挑战。在此基础上，我们进一步提出了“光场-材料-传感-控制”一体化平台的构想，为未来的研究提供逻辑清晰且具有实操性的路线指引。与以往主要总结局部电极沉积、激光辅助微制造或特定电化学器件应用的综述不同，本综述从两个相互关联的维度扩展角度，重点阐述激光辅助电化学沉积的技术平台化发展进程。其一为光场维度扩展，此时激光不仅被视为局部热源，还被视作能够调控空间能量分布、反应动力学、质量传输及沉积路径的可编程场控制工具；其二为材料与功能维度扩展，这一角度侧重评估激光辅助电化学沉积在多材料集成、界面可靠性、嵌入式器件制备以及系统级制造方面的能力。基于此，所提出的光场-材料-传感-控制框架不同于传统以工艺为中心的综述，它将原位观测性、反馈控制及平台标准化纳入激光辅助电化学沉积/电泳沉积技术的未来发展路线中，旨在弥合局部沉积的实验室演示与多功能微系统可重复制造之间的差距。虽然本综述在统一的激光调控沉积框架下讨论了以金属离子电还原为主的激光辅助电化学沉积/电化学沉积类似路径以及以颗粒操控为主的激光辅助电泳沉积路径，但这两种路径在机制上并不完全相同。在激光辅助电化学沉积/电化学沉积类似路径中，沉积的固态相主要是通过界面电荷转移、局部成核以及金属离子或电活性复合物的晶体生长形成的，激光主要通过引发局部光热效应、增强离子传输、改变界面反应动力学或激活特定表面状态来调控局部电化学反应环境。而激光辅助电泳沉积则主要是通过电场与光场的耦合作用，实现带电粒子、纳米粒子、胶体或功能性填料的迁移、富集、组装与固定。在这种过程中，激光并不直接将单个离子还原为固态相，而是通过光梯度力、热泳效应、局部微对流、光热流以及场诱导的富集作用来影响颗粒的分布。电场负责驱动颗粒的迁移与沉积，而光场则负责重新分配局部颗粒的分布及沉积概率。因此，这两种路径虽共享光场整形、空间定位、时间调控及原位过程控制等通用方法工具，但在沉积对象、限速步骤、质量传输行为、工艺窗口、可实现的结构密度以及失效机制等方面存在显著差异。这两种路径的主要机制区别与系统边界总结见表1。为便于读者快速了解核心内容，图1将本综述的主要逻辑整合为一个统一的路线图。图中上部总结了当前激光辅助电化学沉积/电泳沉积技术面临的瓶颈与关键挑战，包括单点扫描、效率低下、单一材料沉积、三维结构构建能力弱、多物理场耦合问题、参数优化依赖经验、界面可靠性不足以及缺乏统一评价指标等问题。中间两块面板分别展示了两种相互关联的扩展路径：光场维度扩展与材料/功能维度扩展。这两条路径最终汇聚于“光场-材料-传感-控制”一体化平台，该平台将为从结构级验证逐步过渡到功能级集成乃至系统级制造提供支撑。该图概括了当前的瓶颈与挑战、两条扩展路径、所提出的一体化平台以及迈向系统级制造的分阶段发展路径。

章节节选多维光场控制：从逐点写入到体积图案化多维光场控制是克服激光辅助电化学沉积在加工效率与几何设计自由度方面局限性的关键手段。传统的单焦点激光辅助沉积主要依靠路径扫描来形成结构，其核心控制变量为焦点位置、停留时间以及功率密度。然而，一旦引入结构光、动态光束整形及全息控制技术，控制目标便从“单点扫描”转变为更复杂的调控方式。异质材料与多功能集成：从“结构制备”到“系统制造”从多维光场控制向异质材料集成过渡，不仅仅意味着加工策略的改变或材料选择的调整，更体现了激光辅助电化学沉积技术从追求几何精度向实现功能构建的深层发展。光场工程通过调控能量输入、质量传输、成核过程及界面状态，决定了局部沉积的发生位置、时机及方式。但实际的微系统不仅要求精确的控制，还需满足其他功能需求。关键科学与技术挑战随着激光辅助电化学沉积技术从单点结构制备向并行加工、三维构建及多材料集成方向发展，研究重点也在发生转变，即从“是否能够实现”转向“能否以稳定、可控且可扩展的方式实现”。这一转变意味着该领域面临的核心挑战不再仅限于单个工艺参数的优化，而是涉及与平台化制造相关的系统级问题。总体而言，……

结论与展望目前，激光辅助电化学沉积技术正处于从技术可行性验证向实际制造能力构建加速过渡的关键阶段。与传统电化学沉积相比，其独特价值在于激光不仅仅是能量输入源，更是用于调控反应环境及局部质量传输过程的高维度控制工具。正因如此，这项技术具有巨大的潜力，有望在精密制造领域实现更深层次的应用。

作者贡献声明张江：撰写——初稿、可视化、验证。马浩亭：撰写——初稿、可视化。刘昌义：数据整理。苏亚楠：数据整理。熊媛媛：形式分析。贾瑞辰：数据整理。程倩：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。

利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2024YFB4609100）、教育部基础学科拔尖学生培养计划（项目编号JYB2025XDXM201）、国家自然科学基金（项目编号52488301和22379012）以及中央高校基本科研业务费的支持。张江|马浩亭|刘昌义|苏亚楠|熊媛媛|贾瑞辰|程倩