研究人員開發(fā)出納米級3D打印，為微機電系統(tǒng)和微型機器人帶來福音

來源: 科情快報

一項新的研究發(fā)現(xiàn)，使用全息圖納米級3D打印機現(xiàn)在可以快速制造細節(jié)小于可見光波長的復雜物品。這項研究可以快速制造納米技術陣列的電線、透鏡、旋轉磁齒輪和其他結構，從而可以應用于電子、光子學、微型機器人等領域。

目前，制造具有復雜形狀的納米級物體的最精確的3D打印技術可能是雙光子光刻。這種方法依賴于只有當液體樹脂同時吸收兩個光子而不是一個光子時才會固化的液體樹脂。這使得能夠精確制造具有體素的物品，體素的3D等效像素尺寸只有幾十納米。

然而，雙光子光刻已被證明對于大規(guī)模實際應用來說太慢且昂貴。這在很大程度上使它成為一種昂貴的實驗室工具來生產(chǎn)顯微原型。

這種新方法可以制造復雜的微觀3D物體，例如字母、數(shù)字、戒指、透鏡和齒輪，這些物體可以通過施加磁場進行遠程控制。

先前的研究試圖將雙光子光刻中使用的激光束分割成多個焦點，以加快制造速度。然而，這種策略通常仍然實現(xiàn)每秒僅約10000個體素和每小時小于0.1立方毫米的打印速度。此外，這種方法通常無法控制每個單獨激光器的焦點，因此無法產(chǎn)生高度可變的結構。

然而，一種新的雙光子光刻技術可以以高達每秒200萬體素和每小時4.5至54立方毫米的速度打印納米級3D物體。此外，科學家們指出，它實現(xiàn)了高達90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻技術中所見的最佳分辨率。此外，他們補充說，該團隊的新工藝可以同時操作多達2000個可單獨編程的激光焦點來制造復雜的結構，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中最常見的。

香港中文大學光學科學家Shih-Chi Chen表示：“吞吐量的增加意味著成本大幅降低，該技術現(xiàn)在可以以更合理的價格和制造速度用于工業(yè)規(guī)模的應用”。

固化雙光子光刻中使用的樹脂需要極高的激光強度。使用多個激光焦點會增加所需的激光功率，而通常用于雙光子光刻的激光器幾乎無法提供支持超過 50 個焦點所需的功率。相比之下，新方法使用了峰值功率約為10吉瓦的近紅外激光。

通常，雙光子光刻依賴于接收大約10000個低功率激光脈沖的焦點，以便完全固化體素。然而，這項新技術使用的激光發(fā)射速度比雙光子光刻中通常使用的激光慢幾十到數(shù)十萬倍。為了進行補償，新技術使用單個脈沖來固化每個體素。科學家們說，這需要對光敏樹脂進行大量的修補，以優(yōu)化其印刷質(zhì)量。

研究人員說：“我們通過單脈沖曝光獲得了最佳分辨率，這與實現(xiàn)高分辨率的傳統(tǒng)方法完全相反，即低平均功率和長曝光時間”。

新方法每秒發(fā)射一千個 100 飛秒長的脈沖，從顯示全息圖的數(shù)字微鏡設備反射這些脈沖�？茖W家們可以使用全息圖將每個激光脈沖分成多達 2000 個焦點，這些焦點具有單獨可控的強度、位置和相位，可以同時并行操作。

在實驗中，研究人員展示了他們的新方法可以制造復雜的微觀3D物體，例如字母、數(shù)字、環(huán)、透鏡和類似打蛋器的結構。他們還制造了可以通過施加磁場來遠程控制的磁性齒輪。

在這項新研究中，科學家們還透露，他們可以修改每個焦點的激光功率，以達到11種不同的強度水平。這種“灰度控制”可用于調(diào)整每個體素的堅固性和機械特性。科學家們指出，這項新技術顯示的灰度控制精度超過99%，是并行雙光子光刻技術中最高的。

此外，研究人員報告說，這種新方法在雙光子光刻中產(chǎn)生了迄今為止最高的能效。其他技術需要大約1.5到4瓦的操作功率，而新方法只需要400毫瓦的平均功率來操作 2000個焦點。

納米級3D打印的一個潛在應用是制造超結構材料，其結構具有重復圖案，其尺度小于其設計影響的任何力的波長。設計用于操縱電磁輻射的光學超結構可以以意想不到的方式彎曲光線，從而產(chǎn)生隱形斗篷和其他設備。

元結構研究的最大挑戰(zhàn)之一是制造包含尺寸小于一微米的子特征，且總體上是其子特征大數(shù)千倍的對象。在實驗中，科學家們透露他們的新技術可以制造一個大約1立方毫米大小的網(wǎng)格，該網(wǎng)格由超過68萬個具有小至700納米的子特征的細胞組成。

研究人員現(xiàn)在正在探索使用人工智能通過他們的新技術生成最佳制造程序。研究人員說，目標是讓產(chǎn)品“具有更好的結構完整性、強度和均勻性”。

該研究于2023年3月27日發(fā)表在《自然通訊》雜志上。