研究人员通过3D打印技术优化光学活性纳米结构

南极熊导读：过去的20年里，人们已经有能力使用纳米粒子修改表面，使其能够以所需的方式聚光或操纵光线，以达到特定的效果或触发其他反应。这种光学活性的纳米结构可以在太阳能电池、生物或化学传感器等领域找到应用。

△使用纳米3D打印技术几乎可以生产任何形状。这个球由单独的纳米结构组成

2024年1月18日，南极熊获悉，为了扩大纳米结构的应用范围，格拉茨理工大学的电子显微镜和纳米分析研究所，以及格拉茨电子显微镜中心的研究人员，在过去十多年中不仅致力于制造平面纳米结构，还至于于制造复杂且独立的三维结构。

由Harald Plank、Verena Reisecker和David Kuhness领导的团队取得了两项重要突破。现在他们能够提前精确模拟纳米结构所需的形状和尺寸，以实现所需的光学特性，然后可以进行精确的生产。该团队还成功地完全去除了初始生产过程中可能掺入的化学杂质，而不会对3D纳米结构产生负面影响。

这些创新为专业的3D打印领域提供了新的可能性，使其更加具备精准制备复杂纳米结构的能力。

△研究结果发表在《先进功能材料》杂志上，题目为“通过高精度纳米3D打印技术调谐三维纳米结构中的质子活动光谱”

优化过程涉及几个关键因素

●材料选择：选择正确的材料对于实现所需的光学性能至关重要。研究人员对各种材料进行了实验，包括聚合物、金属和半导体，以找到最适合其特定应用的材料。
●打印参数：控制层厚度、打印速度和温度等打印参数对于实现精确纳米结构至关重要。研究人员开发了先进的算法来优化这些参数并确保高质量的打印。
●后处理技术：打印后，可能需要额外的后处理步骤以进一步增强纳米结构的光学性能。可以采用退火、表面处理和化学改性等技术来实现所需的光学性能。

△聚焦电子束诱导沉积 (FEBID)，它是一种新兴且成熟的3D纳米打印技术，能够生产特征尺寸小至10 nm以下的复杂金属3D打印纳米结构。该方法依赖于通过聚焦电子束对表面吸附的有机金属分子进行局部解离和固定

该研究成果将省略试错过程

Plank解释道:“到目前为止，三维纳米结构需要经历耗时的试错过程，直到产品显示出所需的光学特性。这个困难终于被消除了。各种纳米结构的模拟和真实等离子体共振之间的一致性非常高。这是向前迈出的一大步。过去几年的努力终于得到了回报。”

该技术是目前世界上唯一一种可用于在几乎任何表面上，以受控的单步过程生产复杂的3D结构（其单个特征小于10纳米）的技术。相比之下，最小的病毒大小约为20纳米。

Plank解释说：“近年来最大的挑战是将3D结构转移到高纯度材料中而不破坏形态。得益于3D技术的发展，给我们带来了新的光学效果和应用概念。尺寸在纳米范围内的纳米探针或光镊现在已触手可及。

△3D结构的制造和表征

精确控制的电子束

研究人员使用聚焦电子束诱导沉积来制造纳米结构。相关表面在真空条件下暴露于特殊气体中。通过精细聚焦的电子束，分裂气体分子，其中部分气体分子转变成固态并粘附到所需的位置。

Plank补充道：“通过精确控制光束运动和曝光时间，我们能够一步生成具有晶格或片状构件的复杂纳米结构。通过将这些纳米体积堆叠在一起，最终可以构建三维结构。”

总的来说，该项目在3D打印创建光学活性纳米结构方面取得了重大突破。通过加强对打印过程的控制，研究人员现在能够制造具有定制光学特性的纳米结构。这为从光子学到生物医学的各种应用提供了令人兴奋的机会。随着该领域的不断发展，我们可以期待未来取得更为显著的进步。