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

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

三維納米結構金屬化陣列在納米光子學和納米電子學領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器寫入時間方面受到限制，并且僅限于平面圖案和剛性結構。在此，研究人員提出了一種新型3D納米打印機，設計用于在20分鐘內在16mm2的面積上制造3D金屬納米結構的柔性陣列。通過適當調整電場和流場，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鍵能力，從單一金屬、合金到多材料。此外，打印的3D納米結構的光學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。定制設計和定制的3D納米打印機不僅將金屬3D打印與納米級精度結合在一起，而且還將材料與打印過程分離，從而為推進未來的納米光子學和半導體器件提供了機會。

圖1:三維納米打印中的耦合電場和流場。

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

圖2:通過3D打印納米結構繪制局域場。

打印多種材料:各種納米結構的周期陣列
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構映射了局域場。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雜結構(圖3和圖4)。

圖3:3D打印金屬納米結構的周期陣列。

圖4:三維納米結構的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構(圖5a-c)。改變材料在單個納米結構中的排列順序不會引起結構變化(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構(圖5c，c，d)。

圖5:多種材料的打印。

各種3D打印納米結構的光學特性
到目前為止，研究人員討論了用各種納米結構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行表征，其波長與圖6a、b所示的3D打印結構的特征尺寸相匹配。

圖6:3D打印金屬納米結構的光學特性。

研究人員設計的新型3D納米打印機，利用電場和流場來打印多種材料復雜的3D納米結構的周期性陣列，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，因為有關帶電NPs運動的物理特性得以保持。作為一項突破性的發(fā)展，研究人員在20分鐘內成功地在16平方毫米的面積上打印了64000000個均勻的3D納米結構。此外，與之前的研究相比，打印面積(16 mm2)增加了近三個數(shù)量級。納米打印機還可以打印多種材料，從單一金屬到多種材料。結合這些研究，研究人員設想提出的納米打印機可以直接集成到半導體組件中，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納米結構顯示出有趣的光學特性，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)點有望促進該納米打印機在納米光子學、納米電子學和微機電系統(tǒng)等眾多領域的應用。


相關論文鏈接：

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