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

來源: 科情快報(bào)

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，使用全息圖納米級(jí)3D打印機(jī)現(xiàn)在可以快速制造細(xì)節(jié)小于可見光波長(zhǎng)的復(fù)雜物品。這項(xiàng)研究可以快速制造納米技術(shù)陣列的電線、透鏡、旋轉(zhuǎn)磁齒輪和其他結(jié)構(gòu)，從而可以應(yīng)用于電子、光子學(xué)、微型機(jī)器人等領(lǐng)域。

目前，制造具有復(fù)雜形狀的納米級(jí)物體的最精確的3D打印技術(shù)可能是雙光子光刻。這種方法依賴于只有當(dāng)液體樹脂同時(shí)吸收兩個(gè)光子而不是一個(gè)光子時(shí)才會(huì)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(duì)于大規(guī)模實(shí)際應(yīng)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(shí)驗(yàn)室工具來生產(chǎn)顯微原型。

這種新方法可以制造復(fù)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(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)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(gè)焦點(diǎn)，以加快制造速度。然而，這種策略通常仍然實(shí)現(xiàn)每秒僅約10000個(gè)體素和每小時(shí)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(gè)單獨(dú)激光器的焦點(diǎn)，因此無法產(chǎn)生高度可變的結(jié)構(gòu)。

然而，一種新的雙光子光刻技術(shù)可以以高達(dá)每秒200萬(wàn)體素和每小時(shí)4.5至54立方毫米的速度打印納米級(jí)3D物體。此外，科學(xué)家們指出，它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻技術(shù)中所見的最佳分辨率。此外，他們補(bǔ)充說，該團(tuán)隊(duì)的新工藝可以同時(shí)操作多達(dá)2000個(gè)可單獨(dú)編程的激光焦點(diǎn)來制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，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(xué)光學(xué)科學(xué)家Shih-Chi Chen表示：“吞吐量的增加意味著成本大幅降低，該技術(shù)現(xiàn)在可以以更合理的價(jià)格和制造速度用于工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用”。

固化雙光子光刻中使用的樹脂需要極高的激光強(qiáng)度。使用多個(gè)激光焦點(diǎn)會(huì)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(gè)焦點(diǎn)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(gè)低功率激光脈沖的焦點(diǎn)，以便完全固化體素。然而，這項(xiàng)新技術(shù)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(wàn)倍。為了進(jìn)行補(bǔ)償，新技術(shù)使用單個(gè)脈沖來固化每個(gè)體素。科學(xué)家們說，這需要對(duì)光敏樹脂進(jìn)行大量的修補(bǔ)，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(shí)現(xiàn)高分辨率的傳統(tǒng)方法完全相反，即低平均功率和長(zhǎng)曝光時(shí)間”。

新方法每秒發(fā)射一千個(gè) 100 飛秒長(zhǎng)的脈沖，從顯示全息圖的數(shù)字微鏡設(shè)備反射這些脈沖�？茖W(xué)家們可以使用全息圖將每個(gè)激光脈沖分成多達(dá) 2000 個(gè)焦點(diǎn)，這些焦點(diǎn)具有單獨(dú)可控的強(qiáng)度、位置和相位，可以同時(shí)并行操作。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員展示了他們的新方法可以制造復(fù)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(jié)構(gòu)。他們還制造了可以通過施加磁場(chǎng)來遠(yuǎn)程控制的磁性齒輪。

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們還透露，他們可以修改每個(gè)焦點(diǎn)的激光功率，以達(dá)到11種不同的強(qiáng)度水平。這種“灰度控制”可用于調(diào)整每個(gè)體素的堅(jiān)固性和機(jī)械特性�？茖W(xué)家們指出，這項(xiàng)新技術(shù)顯示的灰度控制精度超過99%，是并行雙光子光刻技術(shù)中最高的。

此外，研究人員報(bào)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(shù)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(gè)焦點(diǎn)。

納米級(jí)3D打印的一個(gè)潛在應(yīng)用是制造超結(jié)構(gòu)材料，其結(jié)構(gòu)具有重復(fù)圖案，其尺度小于其設(shè)計(jì)影響的任何力的波長(zhǎng)。設(shè)計(jì)用于操縱電磁輻射的光學(xué)超結(jié)構(gòu)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(shè)備。

元結(jié)構(gòu)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(duì)象。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們透露他們的新技術(shù)可以制造一個(gè)大約1立方毫米大小的網(wǎng)格，該網(wǎng)格由超過68萬(wàn)個(gè)具有小至700納米的子特征的細(xì)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(shù)生成最佳制造程序。研究人員說，目標(biāo)是讓產(chǎn)品“具有更好的結(jié)構(gòu)完整性、強(qiáng)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。