研究人員通過3D打印技術(shù)優(yōu)化光學活性納米結(jié)構(gòu)

南極熊導讀：過去的20年里，人們已經(jīng)有能力使用納米粒子修改表面，使其能夠以所需的方式聚光或操縱光線，以達到特定的效果或觸發(fā)其他反應。這種光學活性的納米結(jié)構(gòu)可以在太陽能電池、生物或化學傳感器等領(lǐng)域找到應用。

△使用納米3D打印技術(shù)幾乎可以生產(chǎn)任何形狀。這個球由單獨的納米結(jié)構(gòu)組成

2024年1月18日，南極熊獲悉，為了擴大納米結(jié)構(gòu)的應用范圍，格拉茨理工大學的電子顯微鏡和納米分析研究所，以及格拉茨電子顯微鏡中心的研究人員，在過去十多年中不僅致力于制造平面納米結(jié)構(gòu)，還至于于制造復雜且獨立的三維結(jié)構(gòu)。

由Harald Plank、Verena Reisecker和David Kuhness領(lǐng)導的團隊取得了兩項重要突破。現(xiàn)在他們能夠提前精確模擬納米結(jié)構(gòu)所需的形狀和尺寸，以實現(xiàn)所需的光學特性，然后可以進行精確的生產(chǎn)。該團隊還成功地完全去除了初始生產(chǎn)過程中可能摻入的化學雜質(zhì)，而不會對3D納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負面影響。

這些創(chuàng)新為專業(yè)的3D打印領(lǐng)域提供了新的可能性，使其更加具備精準制備復雜納米結(jié)構(gòu)的能力。

△研究結(jié)果發(fā)表在《先進功能材料》雜志上，題目為“通過高精度納米3D打印技術(shù)調(diào)諧三維納米結(jié)構(gòu)中的質(zhì)子活動光譜”

優(yōu)化過程涉及幾個關(guān)鍵因素

●材料選擇：選擇正確的材料對于實現(xiàn)所需的光學性能至關(guān)重要。研究人員對各種材料進行了實驗，包括聚合物、金屬和半導體，以找到最適合其特定應用的材料。
●打印參數(shù)：控制層厚度、打印速度和溫度等打印參數(shù)對于實現(xiàn)精確納米結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。研究人員開發(fā)了先進的算法來優(yōu)化這些參數(shù)并確保高質(zhì)量的打印。
●后處理技術(shù)：打印后，可能需要額外的后處理步驟以進一步增強納米結(jié)構(gòu)的光學性能?？梢圆捎猛嘶?、表面處理和化學改性等技術(shù)來實現(xiàn)所需的光學性能。

△聚焦電子束誘導沉積 (FEBID)，它是一種新興且成熟的3D納米打印技術(shù)，能夠生產(chǎn)特征尺寸小至10 nm以下的復雜金屬3D打印納米結(jié)構(gòu)。該方法依賴于通過聚焦電子束對表面吸附的有機金屬分子進行局部解離和固定

該研究成果將省略試錯過程

Plank解釋道:“到目前為止，三維納米結(jié)構(gòu)需要經(jīng)歷耗時的試錯過程，直到產(chǎn)品顯示出所需的光學特性。這個困難終于被消除了。各種納米結(jié)構(gòu)的模擬和真實等離子體共振之間的一致性非常高。這是向前邁出的一大步。過去幾年的努力終于得到了回報?！?br />
該技術(shù)是目前世界上唯一一種可用于在幾乎任何表面上，以受控的單步過程生產(chǎn)復雜的3D結(jié)構(gòu)（其單個特征小于10納米）的技術(shù)。相比之下，最小的病毒大小約為20納米。

Plank解釋說：“近年來最大的挑戰(zhàn)是將3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到高純度材料中而不破壞形態(tài)。得益于3D技術(shù)的發(fā)展，給我們帶來了新的光學效果和應用概念。尺寸在納米范圍內(nèi)的納米探針或光鑷現(xiàn)在已觸手可及。

△3D結(jié)構(gòu)的制造和表征

精確控制的電子束

研究人員使用聚焦電子束誘導沉積來制造納米結(jié)構(gòu)。相關(guān)表面在真空條件下暴露于特殊氣體中。通過精細聚焦的電子束，分裂氣體分子，其中部分氣體分子轉(zhuǎn)變成固態(tài)并粘附到所需的位置。

Plank補充道：“通過精確控制光束運動和曝光時間，我們能夠一步生成具有晶格或片狀構(gòu)件的復雜納米結(jié)構(gòu)。通過將這些納米體積堆疊在一起，最終可以構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)?！?br />
總的來說，該項目在3D打印創(chuàng)建光學活性納米結(jié)構(gòu)方面取得了重大突破。通過加強對打印過程的控制，研究人員現(xiàn)在能夠制造具有定制光學特性的納米結(jié)構(gòu)。這為從光子學到生物醫(yī)學的各種應用提供了令人興奮的機會。隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們可以期待未來取得更為顯著的進步。