▲第一作者：Bingyan Liu
通讯作者：Jicheng Feng (冯继成)
通讯单位：上海科技大学
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3
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全文速览
本文介绍了一项在常温常压的气溶胶环境下一次性、非接触式打印微纳金属结构阵列的增材制造技术。通过流场/电场的耦合调控，实现了在毫米级面积上打印多种材料的金属复杂三维结构阵列，最小线宽至14 nm。
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背景介绍
相较于光刻的减材制造，纳尺度的3D打印具有能实现对任意三维纳米结构增材制造的优势，通过一步法构筑结构，更加简洁高效且极大地减少了材料浪费；特别的，金属的纳尺度3D打印凭借其独特的光/电特性在微电子和微纳光学领域具有广泛的应用前景。举例来说，阵列化制造亚波长尺寸的三维金属结构将助力超构材料和超透镜的研究和发展；晶体管之间金属布线以及芯片之间微凸块连接的直接打印有助于降低半导体的工艺复杂度，进而提高效益。然而，当前的纳尺度金属3D打印难以在保持纳米精度的同时高效率、规模化地制备结构阵列，高昂的时间成本限制了其在光学器件方面的应用，也不能与当前的半导体工艺及先进封装工艺相匹配；同时，有限的材料选择范围也不能满足当前各领域对新材料、新体系探索的需求。
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本文亮点
1.巧妙通过流场与电场协同耦合实现了阵列化的纳尺度金属3D打印。
2.筛选特定尺寸的颗粒并进行原位打印。
3.颗粒的筛选消除了材料种类对于打印的影响，可打印任意材料。
4.强力筛选小于2 nm的颗粒推进打印的极限尺寸，在此工作中实现了最小14 nm的金属线宽的打印。
5.电力线画笔操纵带电纳米颗粒精确组装成纳米结构，理论分辨率高达原子尺度，且无需真空等苛刻环境，具有高通量、高精度和非接触式打印等优势。
6.打印的金属纳米3D结构阵列的周期、尺寸、材料和构型展示了对于光的调控能力。
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图文解析
▲图1. 耦合场调控3D纳米打印的原理以及高精度、多材料打印能力展示
要点：
1、一种通过流场与电场耦合的纳尺度金属3D打印技术。采用双层平行流场设置（图1a），由富含纳米颗粒的气溶胶流和高纯惰性气流层组成，平行流过基材表面之间。
2、高纯的载气氛围保证了结构的纯度，避免了复杂的后处理工艺。整个过程在常温常压下进行，无需苛刻条件。
3、双层流场通过与电场耦合可以将特定尺寸（< 5 nm）的带电纳米颗粒从气溶胶中筛选出来（图1f，g）并将其原位打印成复杂纳米结构阵列。
▲图2.纳米精度3D打印展示
要点：通过流场和电场耦合进一步筛选更小尺寸的颗粒（< 2 nm）用于原位打印从而推进打印的极限尺寸，在本工作中实现了最小14 nm线宽结构的打印。
▲图3.3D 打印金属纳米结构的周期性阵列， 比例尺：5 μm
▲图4.3D 纳米结构的 EDS 图， 比例尺：1 μm
▲图5.多材料打印， 比例尺：1 μm
要点：
1、展示了打印的纳米机构周期性阵列以及其对应不同的复杂三维结构构型，证实了打印大阵列结构的多样性、规整性和一致性。
2、带电纳米颗粒在耦合场中的运动与材料无关，因此通过精准筛选特定尺寸的颗粒用于原位打印可消除材料种类的影响，理论上可以打印任意材料。本工作也展示了利用多种不同材料（包括单金属的Au、Ag、Pd、Pt，二元合金Au—Ag和Ni—Ti，以及高熵合金Ni—Cr—Co—Mo—Ag）构筑复杂三维结构（图4）及其阵列（图3）的能力。
3、本工作还展示在同一结构中实现多材料（Pt、Ag、Au 和 Pd）的打印。尽管材料在纳米结构中出现的顺序不同（图5a：Pt—Ag—Au—Pd，图5b：Pd—Au—Ag—Pt），但结构均匀性得以保持。由三种不同材料（Au、Pd 和 Pt）组成的五种纳米结构（图5d-h），展示了打印策略的稳定性：切换材料仍然可以成功打印类似的纳米结构。
▲图6. 3D 打印金属纳米结构的光学特性
要点：
1、高纯特性使得结构无需后处理就具备金属的光电特性。
2、借由该技术对结构三维特性和特征尺寸的灵活控制，本工作所打印结构覆盖从红外（图6a-j）到可见光（图6l-o）范围的响应。
3、通过控制结构的材料、形貌、特征尺寸与阵列排布控制结构的光学特性。通过控制结构生长尖锐的边缘或者夹角可以得到特征的等离激元响应区域（图6k），进一步，在可见光波段对特定波长进行吸收，可以使得阵列表现出不同的颜色（图6l-o）。
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总结与展望
本工作报道了一种新型纳尺度3D打印机，通过耦合电场和流场筛选特定尺寸的纳米颗粒并将其进行原位打印，在保持温和打印条件的同时，克服了传统纳米制造技术遇到的材料、尺寸和效率等限制。本工作中所展示出的巨大灵活度和通用性使得通过调整材料、几何构型、特征尺寸和周期或非周期性排列来定制化打印纳米结构阵列并调控其光/电特性成为可能，为在纳米尺度上操纵光/电与物质相互作用提供了研究工具。该先进打印系统有望在纳米电子学、纳米光子学和传感器等领域的应用中带来新突破。
未来工作中，冯继成课题组将继续开发和优化该高通量、高精度和低成本的3D纳米打印系统，希望在未来几年能与工业界深度融合，以期将打印系统集成到半导体装配线中，加速晶圆级纳米特征尺寸的微凸块和互联的一次性打印，为极紫外（EUV）光刻提供现实的替代方案。
转自：“研之成理”微信公众号
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