阿肯色大学新研究揭示激光诱导前向转移打印中硅纳米颗粒结晶的关键机制

2025年5月20日，南极熊获悉，阿肯色大学的一支研究团队近日证实，分子动力学（MD）模拟能够揭示在激光诱导前向转移（LIFT）打印过程中硅纳米颗粒结晶背后的关键机制。该研究成果已在预印本网站arXiv上发布（未经同行评审），作者在文中展示了纳米颗粒尺寸和冷却速率如何影响硅在飞行过程中凝固形成单晶结构的能力，这一进展可能对光电材料的增材制造产生潜在影响。

深入LIFT打印的分子层面

激光诱导前向转移（LIFT）是一种前景广阔的直接写入微米级和纳米级功能材料的打印技术。与传统的逐层构建部件的增材制造工艺不同，LIFT利用脉冲激光从供体薄膜上喷射材料液滴，从而实现金属、聚合物和半导体的高分辨率图案化。尽管LIFT技术已被应用于非晶硅的打印，但关于硅在液滴飞行过程中结晶的原子级动力学机制仍知之甚少。为解决这一问题，研究人员Youwen Liang和Wan Shou运用分子动力学模拟，分析了尺寸和热条件如何影响硅纳米颗粒在凝固过程中的行为。



结晶的影响因素

模拟结果显示，纳米颗粒直径与结晶潜力之间存在强相关性。直径小于4纳米的颗粒，即使在缓慢冷却条件下也未能结晶；而较大的颗粒（8-12纳米）则表现出潜热释放和结构有序化，这是结晶的关键特征。研究还发现，缓慢的冷却速率对于促进结晶至关重要。在较高的冷却速率下，过冷效应占据主导，导致形成非晶结构。在受控的热条件下，研究人员观察到类单晶硅纳米颗粒的形成，其成核起始于颗粒表面之下。作者指出，只要精确控制液滴尺寸和冷却速率，就有可能在飞行过程中实现单晶的形成，这一发现可能为未来单晶硅的增材制造提供指导。

一个关键发现是，结晶很少在颗粒表面直接产生。相反，成核通常起始于外层以下约5埃（Å）处，研究人员将其描述为一个结构上独特的次表面区域。这些早期的晶核随后向颗粒中心迁移，并在那里加速晶体生长。模拟还表明，即使在低温下，表面原子仍然保持较高的迁移率和无序度。研究人员利用键序参数（BOP）、径向分布函数（RDF）、配位数和均方位移（MSD）等方法，追踪了整个凝固过程中原子结构的演变。

迈向单晶3D打印

在纳米尺度上预测和控制结晶的能力，为高性能印刷电子器件开辟了新的可能性，因为在这些器件中，晶界会降低效率和耐久性。通过调整液滴尺寸和冷却曲线，LIFT技术最终有望实现单晶半导体的按需打印，从而绕过传统的光刻或外延生长方法。尽管目前的研究结果基于模拟，但它们为纳米级增材制造的实验验证和未来工艺优化提供了一个基础框架。



增材制造中的结晶控制

在增材制造过程中实现对结晶的精确控制，对于提升材料性能至关重要。

● 在聚合物基3D打印领域，来自美国空军研究实验室、康奈尔大学和波音公司的研究人员已成功绘制出聚醚醚酮（PEEK）在熔融长丝制造过程中的结晶过程图谱。他们利用基于同步加速器的微束广角X射线散射（WAXS）技术，提供了PEEK在挤出后最初几秒内结晶过程的详细二维图。该研究揭示，较高的打印床温度会延迟结晶的开始时间，但会导致更高的最终结晶度，从而增强打印部件的机械性能。
● 在金属增材制造领域，日本的研究人员展示了利用选择性激光熔化（SLM）技术制造单晶镍的成果。通过优化激光参数并使用平顶光束轮廓，他们在没有预先设置籽晶的情况下获得了均匀的单晶结构，这一突破对于涡轮叶片等高温航空航天部件的制造具有潜在意义。

这些研究凸显了热管理和工艺设计在结晶控制中的核心作用。当前关于LIFT过程中硅纳米颗粒凝固的分子动力学模拟，正是建立在这一基础之上，为成核和生长提供了原子级的深刻见解。这种基础性的理解对于推动精密工程化、结晶度可控的3D打印材料的发展至关重要。