新型3D纳米打印！耦合场多材料金属三维纳米打印

来源: 江苏激光产业技术创新战略联盟

上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组和韩国釜山国立大学研究人员提出了一种新型3D纳米打印机，用于打印由多种材料组成的结构，包括各种周期阵列和复杂的纳米结构，并通过几种方法研究了它们的光学性质。相关研究成果以“Metal 3D  江苏激光产业技术创新战略联盟 with coupled fields”为题发表在《Nature Communications》上。

三维纳米结构金属化阵列在纳米光子学和纳米电子学领域具有令人兴奋的新前景。传统的金属纳米制造主要依赖于光刻方法，这些方法在材料选择和机器写入时间方面受到限制，并且仅限于平面图案和刚性结构。在此，研究人员提出了一种新型3D纳米打印机，设计用于在20分钟内在16mm2的面积上制造3D金属纳米结构的柔性阵列。通过适当调整电场和流场，可以打印出窄至14nm的金属线。研究人员还展示了打印各种材料的关键能力，从单一金属、合金到多材料。此外，打印的3D纳米结构的光学特性可以通过改变材料、几何形状、特征尺寸和周期排列来定制。定制设计和定制的3D纳米打印机不仅将金属3D打印与纳米级精度结合在一起，而且还将材料与打印过程分离，从而为推进未来的纳米光子学和半导体器件提供了机会。

图1:三维纳米打印中的耦合电场和流场。

通过打印纳米结构绘制局域场
研究人员还研究了打印纳米结构的局域场图，以便更深入地了解场定义的几何形状。

图2:通过3D打印纳米结构绘制局域场。

打印多种材料:各种纳米结构的周期阵列
研究人员证明了双层流场从打印过程中分离了材料。因此，研究人员成功地用打印的纳米结构映射了局域场。利用这种有利的效果，研究人员也可以打印由多种材料组成的复杂结构(图3和图4)。

图3:3D打印金属纳米结构的周期阵列。

图4:三维纳米结构的EDS映射分析。

研究人员还成功地打印了包含多种材料的纳米结构(图5a-c)。改变材料在单个纳米结构中的排列顺序不会引起结构变化(图5a，b)。与多种单一材料的打印相比，多材料打印保持了所需的纳米结构(图5c，c，d)。

图5:多种材料的打印。

各种3D打印纳米结构的光学特性
到目前为止，研究人员讨论了用各种纳米结构和大阵列打印多种材料的能力，并证明了这种材料的均匀性。随后，它们的相互作用通过红外光谱进行表征，其波长与图6a、b所示的3D打印结构的特征尺寸相匹配。

图6:3D打印金属纳米结构的光学特性。

研究人员设计的新型3D纳米打印机，利用电场和流场来打印多种材料复杂的3D纳米结构的周期性阵列，具有高均匀性、效率和纯度。电场和流场是耦合的，以使NPs的大小可以根据其电迁移率的差异来选择。因此，消除了材料的影响，这对打印是有益的，因为有关带电NPs运动的物理特性得以保持。作为一项突破性的发展，研究人员在20分钟内成功地在16平方毫米的面积上打印了64000000个均匀的3D纳米结构。此外，与之前的研究相比，打印面积(16 mm2)增加了近三个数量级。纳米打印机还可以打印多种材料，从单一金属到多种材料。结合这些研究，研究人员设想提出的纳米打印机可以直接集成到半导体组件中，例如，可以在晶圆尺度上一次性打印微凸起或具有纳米特征尺寸的互连。打印的3D纳米结构显示出有趣的光学特性，这些特性是根据它们的材料类型、几何形状、特征尺寸和周期排列而定制的。纳米打印机能够容纳广泛的金属，并具有卓越的纳米级精度。这些优点有望促进该纳米打印机在纳米光子学、纳米电子学和微机电系统等众多领域的应用。


相关论文链接：

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