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《Nature》:一种直接3D打印金属纳米结构的技术!

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材料科学与工程 2021-04-19 00:14

3D打印已经彻底改变了电子、光学、能源、机器人、生物工程和传感等领域的制造工艺。降尺度的3D打印技术,将使利用微结构和纳米结构特性的应用成为可能。然而,现有的金属3D纳米打印技术,需要聚合物-金属混合物、金属盐或流变性油墨,从而限制了材料的选择和最终结构的纯度。尽管此前气溶胶光刻技术已被用于在预先图案化的衬底上,组装高纯度3D金属纳米结构阵列,但其几何形状有限。

在此,来自韩国浦项科技大学的Junsuk Rho和韩国国立首尔大学的Mansoo Choi等研究者,介绍了一种可使用各种材料直接3D打印金属纳米结构阵列的技术,这种金属纳米结构具有灵活的几何形状和可达数百纳米的特征尺寸。相关论文以题为“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”发表在Nature上。

论文链接:

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

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首先,研究者解释了带电的气溶胶喷射是如何集中的?由火花放电产生的带电气溶胶和离子,同时注入静电室,在静电室中带有孔阵列的介质掩模与偏置硅衬底分离(图1a)。掩模与基板的分离是至关重要的,因为它可以使基板自由移动而不接触正在生长的纳米结构,也因为它允许掩模上的孔与正在生长的结构尖端之间的相对距离改变,因而能够控制汇聚电场线的形状,最终打印出所需的3D纳米结构。

固定掩模下的衬底的运动,由一个3D纳米级控制。通过对衬底施加一个负电位,正的气溶胶和离子被吸引到掩膜上。高流动性的阳离子,首先到达面罩表面,然后是带电的气溶胶。离子积累可以防止纳米颗粒沉积在掩膜上,并在每个孔周围形成一个静电透镜。这种透镜聚焦带正电的气溶胶,而不会造成在使用模板光刻时发生的堵塞(图1插图)。该含孔掩模与其他3D打印技术中的喷嘴类似,但由于静电聚焦,打印结构的宽度要比孔的尺寸小得多。在掩模下面形成了一条聚合电场线(法拉第线),它将气溶胶射流连接到不断增长的3D结构的顶端(图1a,插图)。可以通过把纳米级转换成三维,来操纵生长结构。

图1 三维纳米管的原理图和表征。

本文中,研究者的打印过程发生在干燥的气氛,不需要聚合物或油墨。相反,离子和带电荷的气溶胶粒子,被引导到一个包含一组空穴的介电掩膜上,这些空穴漂浮在偏置硅衬底上。这些离子聚集在每个洞周围,产生静电透镜,将带电的气溶胶粒子聚焦成纳米级喷射。这些射流由在含孔掩模下形成的聚合电场线引导,其作用类似于传统3D打印机的喷嘴,使气溶胶颗粒能够3D打印到硅基板上。通过在打印过程中移动衬底,研究者成功地打印出了各种3D结构,包括螺旋、悬垂的纳米管、圆环和字母。此外,为了展示研究者技术的潜在应用,研究者打印了一组垂直裂环谐振器结构。

图2 打印尖端定向生长模式和悬垂纳米管的SEM图像。

图3 螺旋结构的扫描电镜图像和模型预测。

图4 表面书写模式的打印与三维等离子体超材料的光学表征。

综上所述,研究者介绍了一种使用带电气溶胶为基础的3D纳米打印技术。这种完全干燥的技术,不涉及聚合物或油墨,使用自一致的电场线,作为在大气条件下的绘图工具。这两种打印模式——尖端定向的3D生长和表面书写——有助于打印各种结构,包括螺旋、悬挑的纳米管、环形结构和字母等。通过两种模式的结合,研究者成功地制备了具有磁共振功能的垂直SRR结构。此外,研究者还建立了一个与实验数据相一致的现象学模型。与其他3D打印方法相结合,研究者希望3D-纳米打印技术,能在纳米制造方面带来实质性进展。 (文:水生)

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系,未经许可谢绝转载至其他网站。

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