研究人員開(kāi)發(fā)光投影納米級(jí)金屬3D打印工藝，速度提升480倍，成本降低35倍

南極熊導(dǎo)讀：長(zhǎng)期以來(lái)，金屬納米結(jié)構(gòu)的直接打印是困擾科學(xué)家的一大難題。這是由于目前的打印技術(shù)仍無(wú)法有效達(dá)到納米級(jí)分辨率，即使能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)打印，制造過(guò)程也是過(guò)于昂貴和緩慢。將溶劑化的金屬離子光還原成金屬納米粒子是一種有吸引力的策略，因?yàn)樗�比基于沉積的技術(shù)更快。然而，它仍然受到分辨率與成本權(quán)衡的限制，因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)的亞衍射打印需要來(lái)自昂貴的飛秒激光器的高強(qiáng)度光。

2024年1月23日，南極熊獲悉，來(lái)自佐治亞理工學(xué)院的研究人員開(kāi)創(chuàng)了一種新型納米級(jí)金屬 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)在速度和經(jīng)濟(jì)性方面都超越了當(dāng)前的方法。它引入了一種可擴(kuò)展的解決方案，能夠給受昂貴成本限制的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)新的突破。

相關(guān)研究以題為“通過(guò)超發(fā)光光投影實(shí)現(xiàn)金屬納米結(jié)構(gòu)的可擴(kuò)展打印/ScalablePrinting of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308112

研究團(tuán)隊(duì)由助理教授 Sourabh Saha 和博士領(lǐng)導(dǎo)。學(xué)生 Jungho Choi 實(shí)現(xiàn)了金屬納米結(jié)構(gòu)的打印技術(shù)，其速度比傳統(tǒng)方法快 480 倍，成本低 35 倍，令人印象深刻。這一過(guò)程被稱為納米圖案化，對(duì)于各種技術(shù)至關(guān)重要，包括電子設(shè)備、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、傳感器等。

△研究人員和他們的超發(fā)光光投影系統(tǒng)

Saha 和 Choi 挑戰(zhàn)了高強(qiáng)度飛秒激光器對(duì)于納米級(jí)打印至關(guān)重要的傳統(tǒng)觀念，探索了替代方案。他們選擇了超輻射發(fā)光二極管 (SLED)，其發(fā)出的光強(qiáng)度比飛秒激光器低十億倍。研究人員巧妙地設(shè)計(jì)了一種投影式打印技術(shù)，可將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像，展示出更清晰的焦點(diǎn)和更快的生產(chǎn)速度。

研究人員利用注入金屬鹽的透明墨水溶液，在暴露于超輻射光下時(shí)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。該反應(yīng)將鹽溶液轉(zhuǎn)化為金屬，在玻璃表面形成納米結(jié)構(gòu)。值得注意的是，投影式打印可以一步創(chuàng)建整個(gè)結(jié)構(gòu)，與逐點(diǎn)方法形成鮮明對(duì)比，顯著提高了效率。

△佐治亞理工學(xué)院的logo，采用納米級(jí)工藝打印而成。（圖片來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院）

Saha表示：“我認(rèn)為，在致力于制造微型結(jié)構(gòu)的科學(xué)界中，成本和速度的指標(biāo)被大大低估了。在現(xiàn)實(shí)世界中，當(dāng)要將實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為工業(yè)時(shí)，這些指標(biāo)非常重要。只有當(dāng)我們擁有考慮到這些指標(biāo)的制造技術(shù)時(shí)，我們才能夠充分利用納米技術(shù)來(lái)造福社會(huì)�！�

SLED 的成本約為 3,000 美元，研究人員的目標(biāo)是使納米級(jí) 3D 打印大眾化，使其超越擁有昂貴技術(shù)的頂尖大學(xué)。潛在的應(yīng)用涵蓋電子、光學(xué)和等離激元學(xué)，為研究人員和小型企業(yè)等提供低成本解決方案。

研究背景
隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于微型電子設(shè)備的需求越來(lái)越高，這些設(shè)備需要用到納米金屬結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)前的金屬納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)要么分辨率不夠高，要么成本太高，速度太慢，難以滿足市場(chǎng)需求。因此，如何快速、低成本地制備高分辨率的金屬納米結(jié)構(gòu)是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。
研究?jī)?nèi)容
本研究提出了一種新的金屬納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)——超發(fā)光投影技術(shù)（SLP）。該技術(shù)利用低強(qiáng)度的超發(fā)光進(jìn)行投影，可以快速制備尺寸小至210納米、周期小至300納米的高分辨率金屬納米結(jié)構(gòu)。研究人員還展示了制備任意復(fù)雜的2D納米結(jié)構(gòu)銀圖案，并在500毫秒內(nèi)完成了30微米×80微米的制備過(guò)程。最終，通過(guò)退火處理，制備出的納米結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率達(dá)到了銀塊的1/12。相比于使用費(fèi)秒激光器制備金屬納米結(jié)構(gòu)，SLP技術(shù)速度提高了480倍，成本降低了35倍。
研究意義
本研究提出的SLP技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)和：1）利用低強(qiáng)度的超發(fā)光進(jìn)行投影，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的金屬納米結(jié)構(gòu)制備，解決了當(dāng)前技術(shù)的分辨率和成本之間的矛盾；2）SLP技術(shù)速度快，成本低，可以大規(guī)模生產(chǎn)金屬納米結(jié)構(gòu)，有望推動(dòng)納米技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的推廣和應(yīng)用。