来源：材料科学与工程
随着微纳光学、微电子等领域的蓬勃发展，与之相应的微纳制造技术的创新具有战略重要性，国际上非常重视其创新研发，器件小型化、智能化、高集成、高密度和信息超快传输是未来的发展方向，在解决对应关键科学问题“材料本征特性+微纳三维加工技术”的基础上，创建程控化的绿色微纳制造系统具有战略意义。
区别于平面工艺无法进行纳米尺度的三维加工，微纳3D金属打印可直接构筑复杂的三维金属结构，为新一代微纳器件的研制提供了全新可能。为使材料多样化和功能化，3D打印必须在材料、精度、尺度和速度等方面相得益彰，传统方法难当重任：特定机型打印的材料有限，多光子激发也只能实现0.1~5 μm的分辨率，且受光敏材料和复杂的显影/定影等加工过程限制，以及加工纯度低等难题。
追风逐电的法拉第3D打印
上海科技大学冯继成课题组最新开发的“法拉第3D打印”则是一种微纳加工的新范式：纳米精度+三维特性+并行阵列加工（详见https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3），该工作驾驭阵列排布的电力线纳米画笔和与之垂直的流场，巧妙的实现了耦合场的控制，将金属带电纳米粒子定点组装成三维纳米结构阵列。由于构建块极小（几个原子到几纳米），打印的结构均匀度高且结构性能好；因为带电粒子的运动只与电荷数和尺寸有关，只要精确控制这两个参数，可实现任意材料的打印。有别于光刻受到光源波长尺寸下限的限制，电力线画笔的尺寸不受任何限制，因此可将特征尺寸控制到原子尺度范围，加之其阵列化并行打印的能力，有望成为微纳增材制造领域的突破者。
本文亮点
上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组提出了法拉第3D打印的程控化控制，依据电力线守恒，通过控制三个平行极板的电势和间隙实现了电力线画笔的粗细调控，建立了三极板电势与打印纳米结构特征尺寸的关系。
对于空间电场构型的控制，以前的工作主要依赖于气体离子沉积后所形成的偶极子电场与外加电场对抗，但是气体离子形成的微电场往往不稳定且不可控，容易对打印造成干扰和破坏，另外，此电场对抗而成的电力线构型无法实现更复杂、更大高宽比结构的打印。上海科技大学冯继成课题组提出了使用类似“电饭煲蒸笼”模型的三块平行极板进行3D打印，上下极板的电力线通过中间极板的阵列化孔洞，由电力线守恒实现孔洞板附近电力线收束的精确控制。这种新的电场构建方式只需调控各极板的电势大小即可精确控制打印纳米结构的特征尺寸；此外，通过纳米移动台的程控化移动，可实现电力线画笔描画任意几何形状的纳米结构；这为数字化，程控化微纳金属3D打印设备提供了实用性和商业化基础。其相关研究成果以题为“Programmable and Parallel 3D Nanoprinting Using Configured Electric Fields”发表于Advanced Functional Materials。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202308734
空间电场的布设
1909年，密立根使用带孔极板分隔出上下两个腔室，让带电油滴从上腔室通过孔道进入下方高场强区域，利用电场力与重力平衡的方式计算出了电子的电荷量，并由此获得了1923年诺贝尔物理学奖。一百年后的今天，上海科技大学冯继成课题组通过电场控制带电粒子定向迁移，实现了对飘散于气体中小于5 nm带电粒子的纳米级精度的三维组装，并以此研制“法拉第3D打印机”，成功实现了百纳米级金属结构阵列的3D打印。必须指出的是，飘散于气体中小于5 nm的粒子的重力可以完全忽略，因为其大小仅是电场力或拖曳力的1/1000000。
图1.人体扭曲平整地面的等势线而产生的聚束电力线。
平整地面的等势面平行分布于地面，然而当人站立于该地面上时，其等势面会出现扭曲变形，对应电场线也会形成收束的效果。
图2.三极板创建“电力线画笔”的物理原理及其过程。
基于此，该工作通过将一个直立的等势极板的两头弯曲成中括号的形状，然后把垂直的部分弯折成“加和运算符”形状，随后两端剪断之后叠加成一块中间极板，再把上极板移到无限远处之后，将中间极板平移形成单孔结构，对应等势线的分布如图2中1-6步所示。该过程可通过conformal mapping进行复变函数分析，然后通过严格的数学关系描绘出单孔等势线和电场线的分布（图2b）。
该解析过程给出了打印所使用的“电力线画笔”的物理原理，但是改变电势、阵列孔道以及无限远的上极板都无法满足实际的打印条件，因此作者使用COMSOL模拟了空间电场构型，根据电力线守恒对“电力线画笔”进行控制，并最终控制打印结构的尺寸。
结果概览：
图3.自主研制的“法拉第3D打印机”的示意图及其打印的纳米柱阵列和光栅结构。
在常温常压的气体氛围中，由于气体分子的拖曳力，带电纳米颗粒在非电场方向的动能瞬间被气体消耗，从而表现出只沿电力线轨迹运动的特性，因此通入上部腔室的带电纳米颗粒沿着阵列化微型聚焦电场的电力线达到基底，在基底上打印出阵列纳米柱和条形栅格，通过控制电力线的聚束强度即可控制打印纳米结构的特征尺寸。
图4. 基于电力线守恒操控场强变化实现聚焦尺寸控制。
电力线聚束强度的控制基于一个基本原理——电力线守恒（静电场的高斯定理）。电力线密度反应场强大小，当电力线从低场强区域进入高场强区域时，电力线密度增加，疏散的电力线按照场强比值变化逐渐变得密集，通过极板负载电荷或施加电势，使不同区域内场强发生变化，在低场强与高场强的分界处即可形成漏斗状聚束电力线，聚束强度与场强比值严格相关，因此通过控制三个平行极板的电势大小，调控两个区域内场强比值，即可控制电力线聚束形状变化，从而实现精确控制打印尺寸的目的。
图5. 电力线画笔粗细的精准调控：理论预测与实验测试吻合。
为可视化电力线聚束的调控能力，文章通过短时间快速打印的方式，在基底上“敲章”，通过“章印”尺寸反应电力线聚束尺寸，最终得到的结果和计算模拟一致——电势调控能精确控制聚束电力线尺寸。
图6. 电力线画笔的笔头的动态变化与纳米柱阵列的打印。
众所周知，尖端会增强其附近场强，导致由场强控制的电力线聚束形状发生变化。该工作对此也进行了模拟研究，发现结构的尖端增强效应在结构生长过程中会逐渐达到稳定，维持稳定尺寸生长，研究还发现稳定生长的高度和打印间距有关，打印间距越小，稳定生长高度越低。此外，在理论上，通过场强削弱弥补尖端的电场增强效应，也可维持尺寸均一的生长模式。
图7. 直径可控的纳米柱阵列打印及其导电和机械性能测试。
该工作在通过电势控制纳米结构柱的生长实验中，通过缩短打印间距，让尖端迅速进入稳定生长阶段，成功控制了纳米柱尺寸线性变化。随后研究人员对纳米柱的力学和电学性能进行测试，其力学性能位于现有微纳制造技术的前20%，导电性则是同类材料的3倍多。在通过聚焦离子束（FIB）对纳米柱进行切割观察其内部形貌后，发现结构内部类似块体材料，均匀且致密，这得益于打印所使用的极小纳米颗粒，在经过流场筛选后，打印所使用的带电纳米颗粒全部小于5 nm，如此小的纳米颗粒具有类液滴特性，在碰触结构后直接与结构“融”为一体，这也是此技术无需任何高能激光和电子束定点热处理的原因，纳米颗粒的超高表面能已经提供了融合所需的自驱力。
图8. 打印结构的密度倍增与“敲章”方式扩增打印面积的展示。
除了打印尺寸的精确控制外，作者还展示了此技术通过移动台平移实现结构密度倍增的结果，并表示此方法可以不断增加结构密度达到所有将结构彼此接触的上限为止；而通过打印区域的整体平移也可实现打印面积的无限扩展，为大面积打印提供解决方案。
“法拉第3D打印”使用电场控制带电纳米颗粒进行定点组装打印，其工作于常温常压，整个流程无需有机试剂和昂贵气体，打印位于纯气相环境，材料纯净无污染，完成一次打印耗能仅需1 W，节能且环保，是一种极具经济价值的打印技术，而其本身具有的多材料、小尺寸、大面积阵列化打印优势更是让其促升为微纳3D打印领域的佼佼者。本文摒弃了光刻胶紧贴基底的打印方式，使用悬浮的带电掩膜进行移动式打印，拓展了“法拉第3D打印”的灵活度和实用范围；并从“法拉第3D打印”的原理出发，提供了一套精确控制打印尺寸的方法，为此技术的产品化和商业化铺平了道路。
未来，冯继成课题组将继续开发和优化“法拉第3D打印”系统，提高此技术的集成化和自动化，研制可商业化的“法拉第3D打印机”，并期望其应用于芯片制造领域，加速中国集成电路和芯片制造技术的突破和发展。
上海科技大学物质学院2023级博士研究生刘仕荣为本文第一作者，冯继成教授为通讯作者，上海科技大学为唯一完成单位。感谢国家自然基金委、上科大启动经费等对于该工作的支持。
相关研究连接：Metal 3D nanoprinting with coupled fields
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3
Virtually probing “Faraday three-dimensional nanoprinting”
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421005844
上科大冯继成课题组（AIL）招聘研究员和博士后序列，了解更多请点击：www.jcfenglab.com，获取更多关于AIL的科研进展和招贤纳才的相关信息。
| 
京公网安备11010802043351