研究人員開發(fā)光投影納米級金屬3D打印工藝，速度提升480倍，成本降低35倍

南極熊導讀：長期以來，金屬納米結(jié)構(gòu)的直接打印是困擾科學家的一大難題。這是由于目前的打印技術(shù)仍無法有效達到納米級分辨率，即使能夠?qū)崿F(xiàn)納米級打印，制造過程也是過于昂貴和緩慢。將溶劑化的金屬離子光還原成金屬納米粒子是一種有吸引力的策略，因為它比基于沉積的技術(shù)更快。然而，它仍然受到分辨率與成本權(quán)衡的限制，因為納米結(jié)構(gòu)的亞衍射打印需要來自昂貴的飛秒激光器的高強度光。

2024年1月23日，南極熊獲悉，來自佐治亞理工學院的研究人員開創(chuàng)了一種新型納米級金屬 3D 打印技術(shù)，該技術(shù)在速度和經(jīng)濟性方面都超越了當前的方法。它引入了一種可擴展的解決方案，能夠給受昂貴成本限制的傳統(tǒng)應用領(lǐng)域帶來新的突破。

相關(guān)研究以題為“通過超發(fā)光光投影實現(xiàn)金屬納米結(jié)構(gòu)的可擴展打印/ScalablePrinting of Metal Nanostructures through Superluminescent Light Projection”的論文被發(fā)表在《先進材料》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202308112

研究團隊由助理教授 Sourabh Saha 和博士領(lǐng)導。學生 Jungho Choi 實現(xiàn)了金屬納米結(jié)構(gòu)的打印技術(shù)，其速度比傳統(tǒng)方法快 480 倍，成本低 35 倍，令人印象深刻。這一過程被稱為納米圖案化，對于各種技術(shù)至關(guān)重要，包括電子設(shè)備、太陽能轉(zhuǎn)換、傳感器等。

△研究人員和他們的超發(fā)光光投影系統(tǒng)

Saha 和 Choi 挑戰(zhàn)了高強度飛秒激光器對于納米級打印至關(guān)重要的傳統(tǒng)觀念，探索了替代方案。他們選擇了超輻射發(fā)光二極管 (SLED)，其發(fā)出的光強度比飛秒激光器低十億倍。研究人員巧妙地設(shè)計了一種投影式打印技術(shù)，可將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學圖像，展示出更清晰的焦點和更快的生產(chǎn)速度。

研究人員利用注入金屬鹽的透明墨水溶液，在暴露于超輻射光下時產(chǎn)生化學反應。該反應將鹽溶液轉(zhuǎn)化為金屬，在玻璃表面形成納米結(jié)構(gòu)。值得注意的是，投影式打印可以一步創(chuàng)建整個結(jié)構(gòu)，與逐點方法形成鮮明對比，顯著提高了效率。

△佐治亞理工學院的logo，采用納米級工藝打印而成。（圖片來源：佐治亞理工學院）

Saha表示：“我認為，在致力于制造微型結(jié)構(gòu)的科學界中，成本和速度的指標被大大低估了。在現(xiàn)實世界中，當要將實驗室的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為工業(yè)時，這些指標非常重要。只有當我們擁有考慮到這些指標的制造技術(shù)時，我們才能夠充分利用納米技術(shù)來造福社會�！�

SLED 的成本約為 3,000 美元，研究人員的目標是使納米級 3D 打印大眾化，使其超越擁有昂貴技術(shù)的頂尖大學。潛在的應用涵蓋電子、光學和等離激元學，為研究人員和小型企業(yè)等提供低成本解決方案。

研究背景
隨著社會的發(fā)展，人們對于微型電子設(shè)備的需求越來越高，這些設(shè)備需要用到納米金屬結(jié)構(gòu)。然而，當前的金屬納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)要么分辨率不夠高，要么成本太高，速度太慢，難以滿足市場需求。因此，如何快速、低成本地制備高分辨率的金屬納米結(jié)構(gòu)是一個迫切需要解決的問題。
研究內(nèi)容
本研究提出了一種新的金屬納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)——超發(fā)光投影技術(shù)（SLP）。該技術(shù)利用低強度的超發(fā)光進行投影，可以快速制備尺寸小至210納米、周期小至300納米的高分辨率金屬納米結(jié)構(gòu)。研究人員還展示了制備任意復雜的2D納米結(jié)構(gòu)銀圖案，并在500毫秒內(nèi)完成了30微米×80微米的制備過程。最終，通過退火處理，制備出的納米結(jié)構(gòu)電導率達到了銀塊的1/12。相比于使用費秒激光器制備金屬納米結(jié)構(gòu)，SLP技術(shù)速度提高了480倍，成本降低了35倍。
研究意義
本研究提出的SLP技術(shù)具有以下創(chuàng)新點和：1）利用低強度的超發(fā)光進行投影，實現(xiàn)了高分辨率的金屬納米結(jié)構(gòu)制備，解決了當前技術(shù)的分辨率和成本之間的矛盾；2）SLP技術(shù)速度快，成本低，可以大規(guī)模生產(chǎn)金屬納米結(jié)構(gòu)，有望推動納米技術(shù)在實際應用中的推廣和應用。