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带电气溶胶喷射的3D纳米打印

带电气溶胶喷射的3D纳米打印

供稿人:苏艳文,贺健康 供稿单位:西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室  发布日期:2021-07-19
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3D打印(增材制造)技术为电子、光学、能源、机器人技术、生物工程和传感等领域的制造过程提供了新方法。微观尺度3D打印的微观和纳米结构特性使其应用成为可能。然而,材料的选择(聚合物金属混合物、流变油墨等)和最终结构的纯度是现有3D纳米金属打印技术面临的两个重要难题。气溶胶光刻技术以前曾被用于在预先图形化的基底上组装高纯度的三维金属纳米结构阵列,但其几何形状有限。

为了解决以上难题,韩国首尔国立大学的研究人员开发了一种直接3D打印多种金属材料纳米结构阵列的技术,打印的结构具有灵活的几何形状和数百纳米的特征尺寸小。在干燥的环境中打印,不需要聚合物或油墨。离子和带电的气溶胶粒子被定向到一个介电掩膜上,该掩膜包含一组漂浮在偏压硅基板上的孔。离子在每个孔周围聚集,产生静电透镜,将带电的气溶胶粒子聚焦成纳米级射流。这些射流是由包含孔的掩膜下形成的聚合电场线引导的,这种掩膜的作用类似于传统3D打印机的喷头,可以将气溶胶颗粒3D打印到硅基上。

图1 3D打印纳米柱的原理图及表征。图1a为3D纳米打印装置的原理图,图1b的SEM图像(左图)和EDS图(右图)是由钯(紫色)、金(黄色)、铜(红色)和银(浅蓝色)组成的纳米柱,不同材料可以在单一打印过程中生成三维结构
图2为3D打印等离子体超材料的纳米颗粒结构阵列及其光学特性

在打印过程中通过移动接收基底,成功打印了各种3D结构,包括螺旋、悬垂纳米柱、环和字母。此外,为了展示相关技术的潜在应用,我们打印了一组垂直开口谐振器结构。通过与其他3D打印方法的结合,该技术有望在纳米制造方面取得重大进展。

参考文献:

  1. Jung, W.; Jung, Y.; Pikhitsa, P. V. et al. Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets[J]. Nature 2021, 592, 54-59. https://doi.org/10.1038/s41586-021-03353-1