基于激光增材制造技術，實現晶相可調的無機Si/ZrO2三維納米結構

來源：光行天下

陶瓷和類陶瓷材料具有優(yōu)異的熱、機械和化學性能，因此在科學、工業(yè)等領域具有極其重要的地位，目前實現陶瓷和類陶瓷三維納米材料的制造成為了學術界和產業(yè)界的研究熱點之一。傳統(tǒng)應用中主要采用存在于有機介質中的陶瓷顆粒懸浮液/金屬鹽，來實現制備大規(guī)模的三維陶瓷材料，但由于該類方法只能實現較低的分辨率，因此并不適用于光學/光子領域的前沿應用。為了克服分辨率瓶頸問題，利用超短脈沖激光引發(fā)的光化學反應來實現三維納米材料的高分辨率制造方法，吸引了研究者們的廣泛關注。

來自立陶宛維爾紐斯大學的Mangirdas Malinauskas教授團隊提出了一種基于激光增材制造實現晶相可調的無機Si/ZrO2三維納米材料方法(doi: 10.29026/oea.2022.210077)。該方法采用超快激光光刻技術作為增材制造工具，制備了三維結構納米材料，隨后采用高溫熱后處理技術將打印材料完全轉化為無機物。

實驗還證明了該技術具有將無機三維納米材料調節(jié)成方石英、SiO2、ZrSiO4、m-ZrO2、t-ZrO2等不同晶相的潛力，并且能夠在無需光束整形和復雜曝光技術的條件下實現低于60 nm的結構精度，因此可與現有標準及定制化激光直寫設備相匹配，其應用原理還可與Nanoscribe、MultiPhoton Optics、Femtika、Workshop of Photonics、UpNano、MicroLight等商用平臺兼容。圖1所示為利用激光增材制造技術制備無機Si/ZrO2三維納米材料的具體方法、過程及結果。

圖1 |（a）前驅體在合成過程中的摩爾比例，（b）激光聚合和煅燒過程，(c)煅燒后形成的不同三維納米材料結晶相。

激光增材制造與熱處理技術的巧妙結合，將激光多光子光刻技術升級成為一種強大的工具，并且還突破了陶瓷晶體增材制造在精度和三維靈活性方面的技術瓶頸。作為超快激光輔助加工無機材料領域的里程碑式成果，激光增材制造技術的應用領域將從聚合物、塑料等方面拓展至生物衍生、植物基樹脂等生物醫(yī)學和生命科學領域，此外無機三維納米結構材料的成功制造還將進一步引領開辟新的領域，助力工業(yè)界實現納米電子學、微光學和傳感芯片等方面的降本增效。因此，該研究突破對于光電子領域的高速發(fā)展具有重要意義。

Darius Gailevičius博士和維爾紐斯大學激光研究中心Mangirdas Malinauskas教授提出的一種基于激光增材制造實現無機三維材料的方法，并采用高溫熱后處理，完全去除激光增材制造過程中的雜化材料的有機成分，從而實現純無機三維納米材料的制備。

研究團隊還與材料科學家、維爾紐斯大學應用化學系教授Simas Šakirzanovas開展合作，證明了可以通過精確控制材料的初始成分比例和煅燒處理方案，實現溶膠-凝膠工藝和物質化學變形的晶相調節(jié)潛力。主要的實驗工作是博士研究生Greta Merkininkaitė在本科生Edvinas Aleksandravičius的協(xié)助下完成，博士后Darius Gailevičius詳細解釋了該技術的原理及實驗過程。該研究的突破對于學術界和工業(yè)界都起到了非常重要的影響，不僅成功將廣泛應用的激光雙光子聚合技術拓展成為可實現亞100納米結構精度陶瓷晶體的有力工具，還突破了過去只能制備有機或雜化聚合物的技術瓶頸，此外還具有高精度、高靈活性等特點。圖2所示為激光增材制造實現無機三維納米材料制備過程中的材料變化機理，其對于三維納米光子、微光學、納米機械、微流體、納米電子和生物醫(yī)學元件的量產制造具有里程碑式的意義，實現了激光三維光刻領域的顛覆式突破。

圖2 |（a）Six:Zry的熱重分析測試結果；（b）從聚合物到玻璃/陶瓷相的相變理論、實際重量損失和立方體的體積收縮率；Si7:Zr3立方體在（c）1000℃熱處理前、（d）1000℃熱處理后的SEM圖像。

相關論文：Merkininkaitė G, Aleksandravičius E, Malinauskas M, Gailevičius D, Šakirzanovas S. Laser additive manufacturing of Si/ZrO2 tunable crystalline phase 3D nanostructures. Opto-Electron Adv 5, 210077 (2022).  

相關鏈接：https://doi.org/10.29026/oea.2022.210077