Nature震撼強文| 通過帶電噴霧實現(xiàn)3D納米打印

本周，首爾大學Mansoo Choi等在Natue上發(fā)表題為“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”的文章，通過帶電噴霧實現(xiàn)多種材料直接3D打印金屬納米結構陣列，令人眼前一亮。

摘要：3D打印已經(jīng)徹底改變了制造用于電子學方法，光學，能源，機器人，生物工程和感測等�？s小3D打印尺寸將支持具有微結構和納米結構的性質的優(yōu)點的應用。但是，用于金屬3D納米打印的現(xiàn)有技術需要聚合物-金屬混合物，金屬鹽或流變油墨，從而限制了材料的選擇和所得結構的純度。氣霧劑光刻先前已被用于組裝預圖案化襯底上的高純度的3D金屬納米結構的陣列，但在有限的幾何形狀。在這里，研究者介紹一種使用多種材料直接3D打印金屬納米結構陣列的技術，該陣列具有靈活的幾何形狀和小至數(shù)百納米的特征尺寸。印刷過程在干燥的氣氛中進行，不需要聚合物或墨水。取而代之的是，將離子和帶電的氣霧劑粒子引導到一個電介質掩模上，該介質掩模包含浮在偏置的硅基板上的一系列孔。離子在每個孔周圍聚集，生成靜電透鏡，將帶電的氣溶膠顆粒聚焦成納米級射流。這些射流由會聚電場線引導，該會聚電場線在含孔的掩膜下形成，該掩膜的作用類似于常規(guī)3D打印機的噴嘴，可將氣溶膠顆粒3D打印到硅基板上。通過在打印過程中移動基材，成功地打印了各種3D結構，包括螺旋，懸垂的納米柱，環(huán)和字母。另外，為了演示技術的潛在應用，打印了一組垂直開口環(huán)諧振器結構。結合其他3D打印方法，希望我們的3D納米打印技術能夠在納米制造方面取得實質性進展。

文章簡述

打印原理：同時將由火花放電產(chǎn)生的帶電氣溶膠和離子注入到靜電室中，在該室中，帶有孔陣列的介電掩模與偏置的硅基板分離（圖1）。掩模與基板的分離非常關鍵，因為它使基板能夠自由移動而不會接觸正在生長的納米結構，并且因為它允許更改掩模中的孔與正在生長的結構的尖端之間的相對距離，從而能夠控制最終會打印出所需的3D納米結構的會聚電場線的形狀。固定掩模下方的基板運動由3D納米級控制。通過將負電勢施加到基板上，正氣溶膠和離子被吸引到掩模上。在帶電氣溶膠之前，較高遷移率的陽離子首先到達面罩的表面。離子積累可防止納米顆粒沉積在掩模上，并在每個孔周圍形成靜電透鏡。該透鏡聚焦帶正電荷的氣溶膠，而不會引起使用模板光刻時發(fā)生的“堵塞”。包含孔的掩模與其他3D打印技術中的噴嘴相似，但是由于靜電聚焦，打印結構的寬度比孔的大小小得多。在面罩下，形成會聚的電場線（法拉第線），該電場線將氣溶膠射流連接到正在生長的3D結構的尖端�？梢酝ㄟ^在三個維度上平移納米級來控制生長的結構。注意，尖端通過自聚焦過程（即，以拓撲保護的方式）保持電場線連接到掩�？字行�。

3D納米打印原理圖

3D納米打印設備

打印懸垂納米柱

多材料及磁共振結構納米打印

研究者引入了一種3D納米打印技術，該技術使用帶電的氣溶膠作為構建基塊。這種完全干燥的技術，不涉及聚合物或墨水，在大氣條件下使用自洽的電場線作為繪圖工具。兩種打印模式-尖端3D增長和表面書寫-方便了各種結構的打印，包括螺旋，懸垂的納米柱，環(huán)結構和字母。通過結合這兩種模式，研究者成功地制造出具有磁共振的垂直SRR結構。此外，開發(fā)了與實驗數(shù)據(jù)一致的現(xiàn)象學模型。結合其他3D打印方法，研究者希望3D納米打印技術能夠在納米制造方面取得實質性進展。

參考文獻

Jung, W., Jung, YH., Pikhitsa, P.V. et al. Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets. Nature 592, 54–59 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03353-1（點擊文末閱讀原文查看英文原文）
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