基于激光增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)晶相可調(diào)的無機(jī)Si/ZrO2三維納米結(jié)構(gòu)

來源：光行天下

陶瓷和類陶瓷材料具有優(yōu)異的熱、機(jī)械和化學(xué)性能，因此在科學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域具有極其重要的地位，目前實(shí)現(xiàn)陶瓷和類陶瓷三維納米材料的制造成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一。傳統(tǒng)應(yīng)用中主要采用存在于有機(jī)介質(zhì)中的陶瓷顆粒懸浮液/金屬鹽，來實(shí)現(xiàn)制備大規(guī)模的三維陶瓷材料，但由于該類方法只能實(shí)現(xiàn)較低的分辨率，因此并不適用于光學(xué)/光子領(lǐng)域的前沿應(yīng)用。為了克服分辨率瓶頸問題，利用超短脈沖激光引發(fā)的光化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)三維納米材料的高分辨率制造方法，吸引了研究者們的廣泛關(guān)注。

來自立陶宛維爾紐斯大學(xué)的Mangirdas Malinauskas教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于激光增材制造實(shí)現(xiàn)晶相可調(diào)的無機(jī)Si/ZrO2三維納米材料方法(doi: 10.29026/oea.2022.210077)。該方法采用超快激光光刻技術(shù)作為增材制造工具，制備了三維結(jié)構(gòu)納米材料，隨后采用高溫?zé)岷筇幚砑夹g(shù)將打印材料完全轉(zhuǎn)化為無機(jī)物。

實(shí)驗(yàn)還證明了該技術(shù)具有將無機(jī)三維納米材料調(diào)節(jié)成方石英、SiO2、ZrSiO4、m-ZrO2、t-ZrO2等不同晶相的潛力，并且能夠在無需光束整形和復(fù)雜曝光技術(shù)的條件下實(shí)現(xiàn)低于60 nm的結(jié)構(gòu)精度，因此可與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及定制化激光直寫設(shè)備相匹配，其應(yīng)用原理還可與Nanoscribe、MultiPhoton Optics、Femtika、Workshop of Photonics、UpNano、MicroLight等商用平臺兼容。圖1所示為利用激光增材制造技術(shù)制備無機(jī)Si/ZrO2三維納米材料的具體方法、過程及結(jié)果。

圖1 |（a）前驅(qū)體在合成過程中的摩爾比例，（b）激光聚合和煅燒過程，(c)煅燒后形成的不同三維納米材料結(jié)晶相。

激光增材制造與熱處理技術(shù)的巧妙結(jié)合，將激光多光子光刻技術(shù)升級成為一種強(qiáng)大的工具，并且還突破了陶瓷晶體增材制造在精度和三維靈活性方面的技術(shù)瓶頸。作為超快激光輔助加工無機(jī)材料領(lǐng)域的里程碑式成果，激光增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)木酆衔?、塑料等方面拓展至生物衍生、植物基樹脂等生物醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域，此外無機(jī)三維納米結(jié)構(gòu)材料的成功制造還將進(jìn)一步引領(lǐng)開辟新的領(lǐng)域，助力工業(yè)界實(shí)現(xiàn)納米電子學(xué)、微光學(xué)和傳感芯片等方面的降本增效。因此，該研究突破對于光電子領(lǐng)域的高速發(fā)展具有重要意義。

Darius Gailevičius博士和維爾紐斯大學(xué)激光研究中心Mangirdas Malinauskas教授提出的一種基于激光增材制造實(shí)現(xiàn)無機(jī)三維材料的方法，并采用高溫?zé)岷筇幚?，完全去除激光增材制造過程中的雜化材料的有機(jī)成分，從而實(shí)現(xiàn)純無機(jī)三維納米材料的制備。

研究團(tuán)隊(duì)還與材料科學(xué)家、維爾紐斯大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系教授Simas Šakirzanovas開展合作，證明了可以通過精確控制材料的初始成分比例和煅燒處理方案，實(shí)現(xiàn)溶膠-凝膠工藝和物質(zhì)化學(xué)變形的晶相調(diào)節(jié)潛力。主要的實(shí)驗(yàn)工作是博士研究生Greta Merkininkaitė在本科生Edvinas Aleksandravičius的協(xié)助下完成，博士后Darius Gailevičius詳細(xì)解釋了該技術(shù)的原理及實(shí)驗(yàn)過程。該研究的突破對于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都起到了非常重要的影響，不僅成功將廣泛應(yīng)用的激光雙光子聚合技術(shù)拓展成為可實(shí)現(xiàn)亞100納米結(jié)構(gòu)精度陶瓷晶體的有力工具，還突破了過去只能制備有機(jī)或雜化聚合物的技術(shù)瓶頸，此外還具有高精度、高靈活性等特點(diǎn)。圖2所示為激光增材制造實(shí)現(xiàn)無機(jī)三維納米材料制備過程中的材料變化機(jī)理，其對于三維納米光子、微光學(xué)、納米機(jī)械、微流體、納米電子和生物醫(yī)學(xué)元件的量產(chǎn)制造具有里程碑式的意義，實(shí)現(xiàn)了激光三維光刻領(lǐng)域的顛覆式突破。

圖2 |（a）Six:Zry的熱重分析測試結(jié)果；（b）從聚合物到玻璃/陶瓷相的相變理論、實(shí)際重量損失和立方體的體積收縮率；Si7:Zr3立方體在（c）1000℃熱處理前、（d）1000℃熱處理后的SEM圖像。

相關(guān)論文：Merkininkaitė G, Aleksandravičius E, Malinauskas M, Gailevičius D, Šakirzanovas S. Laser additive manufacturing of Si/ZrO2 tunable crystalline phase 3D nanostructures. Opto-Electron Adv 5, 210077 (2022).  

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.29026/oea.2022.210077