Nature震撼強文| 通過帶電噴霧實現(xiàn)3D納米打印

本周，首爾大學(xué)Mansoo Choi等在Natue上發(fā)表題為“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”的文章，通過帶電噴霧實現(xiàn)多種材料直接3D打印金屬納米結(jié)構(gòu)陣列，令人眼前一亮。

摘要：3D打印已經(jīng)徹底改變了制造用于電子學(xué)方法，光學(xué)，能源，機(jī)器人，生物工程和感測等�？s小3D打印尺寸將支持具有微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)的優(yōu)點的應(yīng)用。但是，用于金屬3D納米打印的現(xiàn)有技術(shù)需要聚合物-金屬混合物，金屬鹽或流變油墨，從而限制了材料的選擇和所得結(jié)構(gòu)的純度。氣霧劑光刻先前已被用于組裝預(yù)圖案化襯底上的高純度的3D金屬納米結(jié)構(gòu)的陣列，但在有限的幾何形狀。在這里，研究者介紹一種使用多種材料直接3D打印金屬納米結(jié)構(gòu)陣列的技術(shù)，該陣列具有靈活的幾何形狀和小至數(shù)百納米的特征尺寸。印刷過程在干燥的氣氛中進(jìn)行，不需要聚合物或墨水。取而代之的是，將離子和帶電的氣霧劑粒子引導(dǎo)到一個電介質(zhì)掩模上，該介質(zhì)掩模包含浮在偏置的硅基板上的一系列孔。離子在每個孔周圍聚集，生成靜電透鏡，將帶電的氣溶膠顆粒聚焦成納米級射流。這些射流由會聚電場線引導(dǎo)，該會聚電場線在含孔的掩膜下形成，該掩膜的作用類似于常規(guī)3D打印機(jī)的噴嘴，可將氣溶膠顆粒3D打印到硅基板上。通過在打印過程中移動基材，成功地打印了各種3D結(jié)構(gòu)，包括螺旋，懸垂的納米柱，環(huán)和字母。另外，為了演示技術(shù)的潛在應(yīng)用，打印了一組垂直開口環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)。結(jié)合其他3D打印方法，希望我們的3D納米打印技術(shù)能夠在納米制造方面取得實質(zhì)性進(jìn)展。

文章簡述

打印原理：同時將由火花放電產(chǎn)生的帶電氣溶膠和離子注入到靜電室中，在該室中，帶有孔陣列的介電掩模與偏置的硅基板分離（圖1）。掩模與基板的分離非常關(guān)鍵，因為它使基板能夠自由移動而不會接觸正在生長的納米結(jié)構(gòu)，并且因為它允許更改掩模中的孔與正在生長的結(jié)構(gòu)的尖端之間的相對距離，從而能夠控制最終會打印出所需的3D納米結(jié)構(gòu)的會聚電場線的形狀。固定掩模下方的基板運動由3D納米級控制。通過將負(fù)電勢施加到基板上，正氣溶膠和離子被吸引到掩模上。在帶電氣溶膠之前，較高遷移率的陽離子首先到達(dá)面罩的表面。離子積累可防止納米顆粒沉積在掩模上，并在每個孔周圍形成靜電透鏡。該透鏡聚焦帶正電荷的氣溶膠，而不會引起使用模板光刻時發(fā)生的“堵塞”。包含孔的掩模與其他3D打印技術(shù)中的噴嘴相似，但是由于靜電聚焦，打印結(jié)構(gòu)的寬度比孔的大小小得多。在面罩下，形成會聚的電場線（法拉第線），該電場線將氣溶膠射流連接到正在生長的3D結(jié)構(gòu)的尖端�？梢酝ㄟ^在三個維度上平移納米級來控制生長的結(jié)構(gòu)。注意，尖端通過自聚焦過程（即，以拓?fù)浔Ｗo(hù)的方式）保持電場線連接到掩�？字行摹�

3D納米打印原理圖

3D納米打印設(shè)備

打印懸垂納米柱

多材料及磁共振結(jié)構(gòu)納米打印

研究者引入了一種3D納米打印技術(shù)，該技術(shù)使用帶電的氣溶膠作為構(gòu)建基塊。這種完全干燥的技術(shù)，不涉及聚合物或墨水，在大氣條件下使用自洽的電場線作為繪圖工具。兩種打印模式-尖端3D增長和表面書寫-方便了各種結(jié)構(gòu)的打印，包括螺旋，懸垂的納米柱，環(huán)結(jié)構(gòu)和字母。通過結(jié)合這兩種模式，研究者成功地制造出具有磁共振的垂直SRR結(jié)構(gòu)。此外，開發(fā)了與實驗數(shù)據(jù)一致的現(xiàn)象學(xué)模型。結(jié)合其他3D打印方法，研究者希望3D納米打印技術(shù)能夠在納米制造方面取得實質(zhì)性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

Jung, W., Jung, YH., Pikhitsa, P.V. et al. Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets. Nature 592, 54–59 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03353-1（點擊文末閱讀原文查看英文原文）
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