上科大：法拉第3D打印，尋求納米尺度的全新突破
集成電路的晶體管尺寸逐漸逼近光子和電子的極限，摩爾定律的延續即將走到盡頭。發展納米尺度器件制造的新技術迫在眉睫。如今，隨著3D打印技術的發展，其特征尺寸逐漸逼近納米級，使這種不受光源限制的增材制造技術成為潛在的破局者。然而，打印速度慢、制造環境復雜、材料種類受限以及結構自由度低等關鍵因素限制了這項技術的應用發展。
傳統的微納尺度3D打印技術，依賴于實物噴嘴，其加工精度均由噴嘴決定，既無法實現更低至幾納米級的加工精度，也無法保證大規模的加工；以電子束和離子束的加工為例，雖然它們能夠實現納米尺度的精度，但無法實現大面積陣列的快速打印。
在上海科技大學“小而精、高水平”的科研氛圍中，馮繼成教授課題組發展了兼具高精度、高通量和多材料的納米尺度3D打印技術——“法拉第3D打印”，尋求納米尺度3D打印的全新突破。他們的最新進展以“Metal 3D nanoprinting with coupled fields”為題發表在國際期刊Nature Communications上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3#citeas
氣溶膠與法拉第
區別于其他3D打印技術，法拉第3D打印所使用的結構構建單元來自于大氣壓環境下的氣溶膠—一種懸浮在氣體介質中的固態或液態顆粒所組成的氣態分散系統。通俗來說，所謂氣溶膠，就類似于我們日常生活中常見的“PM2.5”和“霧霾”，微米乃至納米級別的小顆粒與承載它們的大氣共同組成的系統，其中微粒與氣體“如膠似漆，難分難舍”因此得名為“膠”，即通稱為“氣溶膠”。這種獨特的氣溶膠構建單元決定了法拉第3D打印在常溫常壓下即可進行，并且不需要任何液相添加劑，不引入任何污染和雜質。
如何令這些形似“霧霾”的氣溶膠按照設定的指示組裝成精細而精確的三維納米結構呢？
問題的答案要從“法拉第”說起。19世紀，法拉第用筆描繪出電場線，為我們揭示了“場”的形狀。在這項技術中，馮繼成課題組反用電場線作為畫筆，將構建單元沿著電場線的形狀組裝成三維納米結構，恰如使用電場線描繪三維物體。前后兩者頗有幾分異曲同工之妙，故將該技術命名為“法拉第3D打印”。具體來說，實施這項技術時，氣溶膠中帶有電荷的微粒將沿著預先設計好的電場線——稱之為“電力線畫筆”，像搭房子一樣一磚一瓦地構筑精確的三維納米結構（圖1）。另外，由于電力線畫筆非實物，如果面積足夠大，可以同時構建億萬個同樣的畫筆，在不改變精度前提下打印出億萬個納米結構！實驗結果已經證明了在20分鐘內便可快速打印出多達64 000 000個納米結構，形成復雜的納米三維結構陣列。
圖1：光/電的曙光：氣溶膠“磚塊”沿著電力線畫筆描繪成三維納米結構。
雙層流與電力線
保證這些結構的穩定性和精確度十分具有挑戰性。馮繼成課題組采用電場和流場的協同作用，實現了構建三維納米結構的“磚塊”的均勻性和穩定性。具體來說，通過流場/電場耦合，過濾掉不帶電荷和尺寸較大的“磚塊”，而篩選出帶有電荷且尺寸均勻“磚塊”作為搭建三維結構的構建單元。在這個過程中，裹挾著金屬納米顆粒的氣流將進入一個雙層的流場區域（圖2a）的上半部分，其下半部分為干凈的、無納米顆粒的惰性氣體區域，上下兩部分流場同時向箭頭方向流動。與此同時，該區域存在一個垂直于流場的方向且指向下的聚焦于打印區域的電場。于是，在兩個力場（流場和電場）的作用下，較輕的納米顆粒（小于5nm）能夠克服流場帶來的慣性，從而沿著電場線方向運動，構建成三維納米結構；而在同等強度的電場力作用下，較重的納米顆粒無法克服慣性，便繼續沿著流場方向運動。由此，即可實現特定尺寸納米顆粒的篩選，并在該過程中原位打印成復雜的納米結構陣列。使用更小的顆粒，還容易逼近打印的極限尺度，該工作中已實現了線寬為14 nm的金屬打印（圖2k，l）。這里的流場會對帶電納米顆粒產生正面的拖曳力，使得其能沿著彎曲的電場線遷移，避免了在帶電顆粒在真空中偏移彎曲電場線的問題。
圖2：雙層流與電力線的協作。電場線的空間構型決定了三維納米結構的幾何形狀，通過納米顆粒篩選可實現高精度、高通量和多材料的3D打印。
大道至簡-化腐朽為神奇的偉力
圖3：結構和材料多樣的周期性陣列， 比例尺：5微米。
科學的突破離不開對身邊日常事物的觀察、而真理往往就蘊藏在我們身邊。隨處可見、觸手可及的氣溶膠也能構建出形狀各異、秩序井然的三維納米結構陣列（圖4），實現了三維納米制造“小而精”的突破，自然科學所展現的這種化腐朽為神奇的偉力，正是其魅力所在。其實，這項技術還遠未達到極限。未來馮繼成教授課題組將繼續深化氣溶膠“磚塊”和“電力線畫筆”的改進和探索，希望在未來能實現轉移轉化，以期將該打印機集成到半導體裝配線中，從而加速晶圓級納米特征尺寸的微凸塊和互聯的一次性打印，為極紫外（EUV）光刻提供現實的替代方案。
來源：上科大科技發展
(責任編輯：admin)
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