新型3D納米打��！耦合場多材料金屬三維納米打印

來源: 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

上�？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馮繼成課題組和韓國釜山國立大學(xué)研究人員提出了一種新型3D納米打印機(jī)，用于打印由多種材料組成的結(jié)構(gòu)，包括各種周期陣列和復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，并通過幾種方法研究了它們的光學(xué)性質(zhì)。相關(guān)研究成果以“Metal 3D  江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟 with coupled fields”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

三維納米結(jié)構(gòu)金屬化陣列在納米光子學(xué)和納米電子學(xué)領(lǐng)域具有令人興奮的新前景。傳統(tǒng)的金屬納米制造主要依賴于光刻方法，這些方法在材料選擇和機(jī)器寫入時(shí)間方面受到限制，并且僅限于平面圖案和剛性結(jié)構(gòu)。在此，研究人員提出了一種新型3D納米打印機(jī)，設(shè)計(jì)用于在20分鐘內(nèi)在16mm2的面積上制造3D金屬納米結(jié)構(gòu)的柔性陣列。通過適當(dāng)調(diào)整電場和流場，可以打印出窄至14nm的金屬線。研究人員還展示了打印各種材料的關(guān)鍵能力，從單一金屬、合金到多材料。此外，打印的3D納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可以通過改變材料、幾何形狀、特征尺寸和周期排列來定制。定制設(shè)計(jì)和定制的3D納米打印機(jī)不僅將金屬3D打印與納米級精度結(jié)合在一起，而且還將材料與打印過程分離，從而為推進(jìn)未來的納米光子學(xué)和半導(dǎo)體器件提供了機(jī)會(huì)。

圖1:三維納米打印中的耦合電場和流場。

通過打印納米結(jié)構(gòu)繪制局域場
研究人員還研究了打印納米結(jié)構(gòu)的局域場圖，以便更深入地了解場定義的幾何形狀。

圖2:通過3D打印納米結(jié)構(gòu)繪制局域場。

打印多種材料:各種納米結(jié)構(gòu)的周期陣列
研究人員證明了雙層流場從打印過程中分離了材料。因此，研究人員成功地用打印的納米結(jié)構(gòu)映射了局域場。利用這種有利的效果，研究人員也可以打印由多種材料組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)(圖3和圖4)。

圖3:3D打印金屬納米結(jié)構(gòu)的周期陣列。

圖4:三維納米結(jié)構(gòu)的EDS映射分析。

研究人員還成功地打印了包含多種材料的納米結(jié)構(gòu)(圖5a-c)。改變材料在單個(gè)納米結(jié)構(gòu)中的排列順序不會(huì)引起結(jié)構(gòu)變化(圖5a，b)。與多種單一材料的打印相比，多材料打印保持了所需的納米結(jié)構(gòu)(圖5c，c，d)。

圖5:多種材料的打印。

各種3D打印納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性
到目前為止，研究人員討論了用各種納米結(jié)構(gòu)和大陣列打印多種材料的能力，并證明了這種材料的均勻性。隨后，它們的相互作用通過紅外光譜進(jìn)行表征，其波長與圖6a、b所示的3D打印結(jié)構(gòu)的特征尺寸相匹配。

圖6:3D打印金屬納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性。

研究人員設(shè)計(jì)的新型3D納米打印機(jī)，利用電場和流場來打印多種材料復(fù)雜的3D納米結(jié)構(gòu)的周期性陣列，具有高均勻性、效率和純度。電場和流場是耦合的，以使NPs的大小可以根據(jù)其電遷移率的差異來選擇。因此，消除了材料的影響，這對打印是有益的，因?yàn)橛嘘P(guān)帶電NPs運(yùn)動(dòng)的物理特性得以保持。作為一項(xiàng)突破性的發(fā)展，研究人員在20分鐘內(nèi)成功地在16平方毫米的面積上打印了64000000個(gè)均勻的3D納米結(jié)構(gòu)。此外，與之前的研究相比，打印面積(16 mm2)增加了近三個(gè)數(shù)量級。納米打印機(jī)還可以打印多種材料，從單一金屬到多種材料。結(jié)合這些研究，研究人員設(shè)想提出的納米打印機(jī)可以直接集成到半導(dǎo)體組件中，例如，可以在晶圓尺度上一次性打印微凸起或具有納米特征尺寸的互連。打印的3D納米結(jié)構(gòu)顯示出有趣的光學(xué)特性，這些特性是根據(jù)它們的材料類型、幾何形狀、特征尺寸和周期排列而定制的。納米打印機(jī)能夠容納廣泛的金屬，并具有卓越的納米級精度。這些優(yōu)點(diǎn)有望促進(jìn)該納米打印機(jī)在納米光子學(xué)、納米電子學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。


相關(guān)論文鏈接：

Liu, B., Liu, S., Devaraj, V. et al. Metal 3D nanoprinting with coupled fields. Nat Commun 14, 4920 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3