納米晶格從 3D 打印機(jī)流出

休斯頓——(2021 年 10 月 14 日)——多虧了萊斯大學(xué)的工程師，現(xiàn)在可以編織復(fù)雜的微觀水晶或玻璃圖案。

Rice 材料科學(xué)家正在使用復(fù)雜的 3D 打印機(jī)創(chuàng)建二氧化硅納米結(jié)構(gòu)，展示了一種自下而上制造微型電子、機(jī)械和光子設(shè)備的方法。這些產(chǎn)品可以被摻雜，并且它們的晶體結(jié)構(gòu)可以針對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。

由喬治 R.布朗工程學(xué)院材料科學(xué)和納米工程教授Jun Lou領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究發(fā)表在Nature Materials 上。

電子工業(yè)建立在硅上，幾十年來(lái)一直是微處理器的基本半導(dǎo)體基板。Rice 的研究通過(guò)徹底改變流程來(lái)解決自上而下制造的局限性。

“用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)制作復(fù)雜的 3D 幾何形狀非常困難，”Lou 說(shuō)。“它也不是很‘綠色’，因?yàn)樗枰罅康幕瘜W(xué)品和很多步驟。即使付出了這么多努力，一些結(jié)構(gòu)也無(wú)法用這些方法制造出來(lái)。

“原則上，我們可以打印任意 3D 形狀，這對(duì)于制造奇特的光子設(shè)備可能非常有趣，”他說(shuō)。“這就是我們?cè)噲D證明的。”

該實(shí)驗(yàn)室使用雙光子聚合工藝打印線寬僅幾百納米的結(jié)構(gòu)，小于光的波長(zhǎng)。激光通過(guò)促使墨水吸收兩個(gè)光子來(lái)“書寫”線條，從而引發(fā)材料的自由基聚合。

“正常聚合涉及聚合物單體和光引發(fā)劑，這些分子會(huì)吸收光并產(chǎn)生自由基，”萊斯大學(xué)研究生和共同主要作者張博宇說(shuō)，該過(guò)程通常在 3D 打印、固化涂層和牙科應(yīng)用中使用紫外線。

“在我們的過(guò)程中，光引發(fā)劑同時(shí)吸收兩個(gè)光子，這需要大量能量，”他說(shuō)。“只有這種能量的一個(gè)非常小的峰值會(huì)導(dǎo)致聚合，而且只有在一個(gè)非常小的空間內(nèi)。這就是為什么這個(gè)過(guò)程使我們能夠超越光的衍射極限。”

印刷過(guò)程需要萊斯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)一種獨(dú)特的墨水。張和共同主要作者謝文文，萊斯大學(xué)的校友，創(chuàng)造了含有二氧化硅納米球的樹脂，其中摻雜了聚乙二醇，使其可溶解。

印刷后，結(jié)構(gòu)通過(guò)高溫?zé)Y(jié)固化，從而消除產(chǎn)品中的所有聚合物，留下無(wú)定形玻璃或多晶方英石。“加熱時(shí)，材料會(huì)經(jīng)歷從玻璃到晶體的階段，溫度越高，晶體變得越有序，”婁說(shuō)。

該實(shí)驗(yàn)室還展示了用各種稀土鹽摻雜材料，使產(chǎn)品發(fā)光，這是光學(xué)應(yīng)用的重要特性。實(shí)驗(yàn)室的下一個(gè)目標(biāo)是改進(jìn)工藝以達(dá)到亞 10 納米的分辨率。

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