論文題目：Metal 3D nanoprinting with coupled fields
發(fā)表期刊：Nature Communications IF: 17.69
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3【前言】
3D納米金屬結(jié)構(gòu)陣列在納米光學(xué)，納米電學(xué)等領(lǐng)域有著非常巨大的研究?jī)r(jià)值。由于納米金屬結(jié)構(gòu)陣列的每一個(gè)單元的結(jié)構(gòu)尺寸都為納米級(jí)，結(jié)構(gòu)尺寸小于入射光光源的波長(zhǎng)，因此能夠?qū)夂臀镔|(zhì)間的相互作用進(jìn)行更深入的研究。傳統(tǒng)的納米金屬結(jié)構(gòu)制造方法主要依賴于光刻技術(shù)，該技術(shù)在選擇可加工材料方面比較受限，結(jié)構(gòu)的制備周期較長(zhǎng)，同時(shí)僅能制備平面圖案和結(jié)構(gòu)。
近日，上?？萍即髮W(xué)課題組通過將流場(chǎng)與電場(chǎng)進(jìn)行耦合，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上的金屬結(jié)構(gòu)3D打印。通過調(diào)整電場(chǎng)和流場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)不同幾何構(gòu)型的納米金屬結(jié)構(gòu)的制備。該方法可在20分鐘內(nèi)在4 X 4 mm2的范圍內(nèi)制備3D納米金屬結(jié)構(gòu)陣列，其制備的最細(xì)金屬結(jié)構(gòu)線寬僅為14 nm。此外，課題組通過調(diào)節(jié)打印時(shí)的原材料，實(shí)現(xiàn)了從單一3D納米金屬結(jié)構(gòu)打印，到合金3D納米金屬結(jié)構(gòu)制備。該工作以Metal 3D nanoprinting with coupled fields為題，發(fā)表于Nature Communications上。
本文中，不同間距的圖案化結(jié)構(gòu)樣品是由小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備而成，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)小巧緊湊(70 cm x 70 cm x 70 cm)、無(wú)需掩膜版、高直寫速度以及高分辨率等特點(diǎn)，為本實(shí)驗(yàn)3D納米金屬結(jié)構(gòu)的制備做出了關(guān)鍵的方案支撐。
小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3【圖文導(dǎo)讀】
圖1. 3D金屬納米打印過程中電場(chǎng)與流場(chǎng)的耦合。（a）在制備3D金屬納米結(jié)構(gòu)過程中，流場(chǎng)與電場(chǎng)間的耦合示意圖。（b）電場(chǎng)和流場(chǎng)耦合后電場(chǎng)分布模擬結(jié)果。（c）電場(chǎng)和流場(chǎng)耦合模擬的放大圖。（d）和（e）3D金屬納米結(jié)構(gòu)打印的SEM結(jié)果。（f）金納米顆粒的粒徑分布圖。圖中灰色部分代表了五次測(cè)量結(jié)果的誤差分布情況。（g）金納米顆粒隨著電場(chǎng)和流場(chǎng)的粒徑分布變換結(jié)果。（h）制備的納米結(jié)構(gòu)在FIB加工前后的SEM結(jié)果。（i）可制備彎曲角度為105°的納米結(jié)構(gòu)。（j）可制備寬度為25 nm的結(jié)構(gòu)。（k-l）寬度為14 nm的金線結(jié)構(gòu)。（n-m）制備符合金屬納米結(jié)構(gòu)。（o）為能譜分析。
圖2. 不同電壓下的電場(chǎng)分布圖。（a）利用光刻膠獲得局部電場(chǎng)的示意圖。（b）通過SEM表征，所制備出的納米結(jié)構(gòu)顯示出鏡面對(duì)稱性。（c）電壓緩沖區(qū)高度與絕緣區(qū)域間距的關(guān)系。（d）不同絕緣間距條件下，不同電壓所產(chǎn)生的電壓緩沖區(qū)域高度。（e-i）電壓為400V，500V，600V，700V和800V條件下的3D打印納米結(jié)構(gòu)。圖中比例尺為5 μm。
圖3. 通過耦合場(chǎng)3D打印的方式利用不同金屬材料制備周期性納米結(jié)構(gòu)的SEM表征結(jié)果。圖中所有比例尺為5 μm。
圖4. 3D納米結(jié)構(gòu)的能譜分析。圖中的比例尺均為1 μm。
圖5. 通過耦合場(chǎng)的方法制備混合3D結(jié)構(gòu)的SEM成像和能譜分析結(jié)果。圖中的比例尺為1 μm。
【結(jié)論】
上?？萍即髮W(xué)課題組，通過流場(chǎng)與電場(chǎng)耦合的方式實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上對(duì)金屬納米結(jié)構(gòu)的3D打印。通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)了不同幾何構(gòu)型的3D納米金屬結(jié)構(gòu)的打印。從文中可以看到，除了調(diào)節(jié)電場(chǎng)電壓外，作者為了獲得不同的3D納米金屬結(jié)構(gòu)，還使用了MicroWriter ML3小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)在硅基底上制備了不同間距的圖案化結(jié)構(gòu)，從而獲得不同幾何形狀的3D納米金屬結(jié)構(gòu)。從論文中不難看出，MicroWriter ML3小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫光刻系統(tǒng)可以根據(jù)科研的實(shí)際需要，迅速地制備出相關(guān)微納結(jié)構(gòu)，保證了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，為通過耦合場(chǎng)的方式打印3D納米金屬結(jié)構(gòu)的研究提供了堅(jiān)實(shí)有力的支持。
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