阿肯色大學新研究揭示激光誘導前向轉(zhuǎn)移打印中硅納米顆粒結(jié)晶的關鍵機制

2025年5月20日，南極熊獲悉，阿肯色大學的一支研究團隊近日證實，分子動力學（MD）模擬能夠揭示在激光誘導前向轉(zhuǎn)移（LIFT）打印過程中硅納米顆粒結(jié)晶背后的關鍵機制。該研究成果已在預印本網(wǎng)站arXiv上發(fā)布（未經(jīng)同行評審），作者在文中展示了納米顆粒尺寸和冷卻速率如何影響硅在飛行過程中凝固形成單晶結(jié)構(gòu)的能力，這一進展可能對光電材料的增材制造產(chǎn)生潛在影響。

深入LIFT打印的分子層面

激光誘導前向轉(zhuǎn)移（LIFT）是一種前景廣闊的直接寫入微米級和納米級功能材料的打印技術。與傳統(tǒng)的逐層構(gòu)建部件的增材制造工藝不同，LIFT利用脈沖激光從供體薄膜上噴射材料液滴，從而實現(xiàn)金屬、聚合物和半導體的高分辨率圖案化。盡管LIFT技術已被應用于非晶硅的打印，但關于硅在液滴飛行過程中結(jié)晶的原子級動力學機制仍知之甚少。為解決這一問題，研究人員Youwen Liang和Wan Shou運用分子動力學模擬，分析了尺寸和熱條件如何影響硅納米顆粒在凝固過程中的行為。



結(jié)晶的影響因素

模擬結(jié)果顯示，納米顆粒直徑與結(jié)晶潛力之間存在強相關性。直徑小于4納米的顆粒，即使在緩慢冷卻條件下也未能結(jié)晶；而較大的顆粒（8-12納米）則表現(xiàn)出潛熱釋放和結(jié)構(gòu)有序化，這是結(jié)晶的關鍵特征。研究還發(fā)現(xiàn)，緩慢的冷卻速率對于促進結(jié)晶至關重要。在較高的冷卻速率下，過冷效應占據(jù)主導，導致形成非晶結(jié)構(gòu)。在受控的熱條件下，研究人員觀察到類單晶硅納米顆粒的形成，其成核起始于顆粒表面之下。作者指出，只要精確控制液滴尺寸和冷卻速率，就有可能在飛行過程中實現(xiàn)單晶的形成，這一發(fā)現(xiàn)可能為未來單晶硅的增材制造提供指導。

一個關鍵發(fā)現(xiàn)是，結(jié)晶很少在顆粒表面直接產(chǎn)生。相反，成核通常起始于外層以下約5埃（Å）處，研究人員將其描述為一個結(jié)構(gòu)上獨特的次表面區(qū)域。這些早期的晶核隨后向顆粒中心遷移，并在那里加速晶體生長。模擬還表明，即使在低溫下，表面原子仍然保持較高的遷移率和無序度。研究人員利用鍵序參數(shù)（BOP）、徑向分布函數(shù)（RDF）、配位數(shù)和均方位移（MSD）等方法，追蹤了整個凝固過程中原子結(jié)構(gòu)的演變。

邁向單晶3D打印

在納米尺度上預測和控制結(jié)晶的能力，為高性能印刷電子器件開辟了新的可能性，因為在這些器件中，晶界會降低效率和耐久性。通過調(diào)整液滴尺寸和冷卻曲線，LIFT技術最終有望實現(xiàn)單晶半導體的按需打印，從而繞過傳統(tǒng)的光刻或外延生長方法。盡管目前的研究結(jié)果基于模擬，但它們?yōu)榧{米級增材制造的實驗驗證和未來工藝優(yōu)化提供了一個基礎框架。



增材制造中的結(jié)晶控制

在增材制造過程中實現(xiàn)對結(jié)晶的精確控制，對于提升材料性能至關重要。

● 在聚合物基3D打印領域，來自美國空軍研究實驗室、康奈爾大學和波音公司的研究人員已成功繪制出聚醚醚酮（PEEK）在熔融長絲制造過程中的結(jié)晶過程圖譜。他們利用基于同步加速器的微束廣角X射線散射（WAXS）技術，提供了PEEK在擠出后最初幾秒內(nèi)結(jié)晶過程的詳細二維圖。該研究揭示，較高的打印床溫度會延遲結(jié)晶的開始時間，但會導致更高的最終結(jié)晶度，從而增強打印部件的機械性能。
● 在金屬增材制造領域，日本的研究人員展示了利用選擇性激光熔化（SLM）技術制造單晶鎳的成果。通過優(yōu)化激光參數(shù)并使用平頂光束輪廓，他們在沒有預先設置籽晶的情況下獲得了均勻的單晶結(jié)構(gòu)，這一突破對于渦輪葉片等高溫航空航天部件的制造具有潛在意義。

這些研究凸顯了熱管理和工藝設計在結(jié)晶控制中的核心作用。當前關于LIFT過程中硅納米顆粒凝固的分子動力學模擬，正是建立在這一基礎之上，為成核和生長提供了原子級的深刻見解。這種基礎性的理解對于推動精密工程化、結(jié)晶度可控的3D打印材料的發(fā)展至關重要。