通过带电气溶胶喷射实现纳米尺度3D打印

近年来，由于3D打印可以打印具有任意三维空间构型的三维结构，引发了包括光学、电子学、能源、生物工程等多个领域的一场制造工艺革命。而减小三维打印结构的尺寸，对于提高微纳器件的性能具有重要意义。然而，目前的纳米3D打印技术在金属结构加工中需要使用聚合物-金属混合材料、金属盐或者流变油墨，在材料选择性以及结构纯净度上难以进一步提升。气溶胶光刻技术虽然在一定程度上解决了上述问题，然而其加工的结构只具有较少的空间自由度。基于此，来自国立首尔大学的Mansoo Choi团队，提出了一种可以直接打印三维金属结构的带电气溶胶喷射纳米三维打印技术，具有可选材料多、几何形状复杂、特征尺寸小的优势。如图所示，该过程可以在干燥的气氛中进行，首先在硅衬底上加工具有纳米孔阵列的介质掩模，并将离子和带电气溶胶定向喷射到具有偏压的硅衬底上。喷射的离子在纳米孔附近聚集，并产生静电透镜使带电气溶胶聚焦成纳米尺寸的喷流。此时，纳米孔中产生基于衬底偏压的电场，诱导喷流在Si衬底上聚集实现纳米3D打印的功能。通过在打印过程中移动衬底，可以实现多种三维结构的加工，包括螺旋、悬臂纳米柱等，加工的结构具有低至300 nm的特征尺寸，并可以由Au、Ag、Pd等多种材料构成。基于该方法加工了直立劈裂谐振环阵列，并观察到了红外波段的光共振响应，验证了加工方法的有效性。相关研究内容可以通过与其他的3D打印方法结合，推进先进纳米制造技术的进一步发展。该研究结果发表在Nature, (2021) 592, 54-59上。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03353-1

图：带电气溶胶喷射纳米3D打印原理图及利用该方法加工的小尺寸、多材料、螺旋构型结构