3D打印已經(jīng)徹底改變了電子、光學(xué)、能源、機(jī)器人、生物工程和傳感等領(lǐng)域的制造工藝。降尺度的3D打印技術(shù)，將使利用微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)特性的應(yīng)用成為可能。然而，現(xiàn)有的金屬3D納米打印技術(shù)，需要聚合物-金屬混合物、金屬鹽或流變性油墨，從而限制了材料的選擇和最終結(jié)構(gòu)的純度。盡管此前氣溶膠光刻技術(shù)已被用于在預(yù)先圖案化的襯底上，組裝高純度3D金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，但其幾何形狀有限。
在此，來自韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的Junsuk Rho和韓國國立首爾大學(xué)的Mansoo Choi等研究者，介紹了一種可使用各種材料直接3D打印金屬納米結(jié)構(gòu)陣列的技術(shù)，這種金屬納米結(jié)構(gòu)具有靈活的幾何形狀和可達(dá)數(shù)百納米的特征尺寸。相關(guān)論文以題為“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”發(fā)表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03353-1
首先，研究者解釋了帶電的氣溶膠噴射是如何集中的？由火花放電產(chǎn)生的帶電氣溶膠和離子，同時(shí)注入靜電室，在靜電室中帶有孔陣列的介質(zhì)掩模與偏置硅襯底分離(圖1a)。掩模與基板的分離是至關(guān)重要的，因?yàn)樗梢允够遄杂梢苿佣唤佑|正在生長的納米結(jié)構(gòu)，也因?yàn)樗试S掩模上的孔與正在生長的結(jié)構(gòu)尖端之間的相對距離改變，因而能夠控制匯聚電場線的形狀，最終打印出所需的3D納米結(jié)構(gòu)。
固定掩模下的襯底的運(yùn)動，由一個(gè)3D納米級控制。通過對襯底施加一個(gè)負(fù)電位，正的氣溶膠和離子被吸引到掩膜上。高流動性的陽離子，首先到達(dá)面罩表面，然后是帶電的氣溶膠。離子積累可以防止納米顆粒沉積在掩膜上，并在每個(gè)孔周圍形成一個(gè)靜電透鏡。這種透鏡聚焦帶正電的氣溶膠，而不會造成在使用模板光刻時(shí)發(fā)生的堵塞(圖1插圖)。該含孔掩模與其他3D打印技術(shù)中的噴嘴類似，但由于靜電聚焦，打印結(jié)構(gòu)的寬度要比孔的尺寸小得多。在掩模下面形成了一條聚合電場線(法拉第線)，它將氣溶膠射流連接到不斷增長的3D結(jié)構(gòu)的頂端(圖1a，插圖)?？梢酝ㄟ^把納米級轉(zhuǎn)換成三維，來操縱生長結(jié)構(gòu)。
圖1 三維納米管的原理圖和表征。
本文中，研究者的打印過程發(fā)生在干燥的氣氛，不需要聚合物或油墨。相反，離子和帶電荷的氣溶膠粒子，被引導(dǎo)到一個(gè)包含一組空穴的介電掩膜上，這些空穴漂浮在偏置硅襯底上。這些離子聚集在每個(gè)洞周圍，產(chǎn)生靜電透鏡，將帶電的氣溶膠粒子聚焦成納米級噴射。這些射流由在含孔掩模下形成的聚合電場線引導(dǎo)，其作用類似于傳統(tǒng)3D打印機(jī)的噴嘴，使氣溶膠顆粒能夠3D打印到硅基板上。通過在打印過程中移動襯底，研究者成功地打印出了各種3D結(jié)構(gòu)，包括螺旋、懸垂的納米管、圓環(huán)和字母。此外，為了展示研究者技術(shù)的潛在應(yīng)用，研究者打印了一組垂直裂環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。
圖2 打印尖端定向生長模式和懸垂納米管的SEM圖像。
圖3 螺旋結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像和模型預(yù)測。
圖4 表面書寫模式的打印與三維等離子體超材料的光學(xué)表征。
綜上所述，研究者介紹了一種使用帶電氣溶膠為基礎(chǔ)的3D納米打印技術(shù)。這種完全干燥的技術(shù)，不涉及聚合物或油墨，使用自一致的電場線，作為在大氣條件下的繪圖工具。這兩種打印模式——尖端定向的3D生長和表面書寫——有助于打印各種結(jié)構(gòu)，包括螺旋、懸挑的納米管、環(huán)形結(jié)構(gòu)和字母等。通過兩種模式的結(jié)合，研究者成功地制備了具有磁共振功能的垂直SRR結(jié)構(gòu)。此外，研究者還建立了一個(gè)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致的現(xiàn)象學(xué)模型。與其他3D打印方法相結(jié)合，研究者希望3D-納米打印技術(shù)，能在納米制造方面帶來實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
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