研究人員開發(fā)出納米級3D打印,，為微機電系統(tǒng)和微型機器人帶來福音

來源: 科情快報

一項新的研究發(fā)現(xiàn)，使用全息圖納米級3D打印機現(xiàn)在可以快速制造細節(jié)小于可見光波長的復(fù)雜物品,。這項研究可以快速制造納米技術(shù)陣列的電線,、透鏡、旋轉(zhuǎn)磁齒輪和其他結(jié)構(gòu),，從而可以應(yīng)用于電子,、光子學(xué)、微型機器人等領(lǐng)域,。

目前,，制造具有復(fù)雜形狀的納米級物體的最精確的3D打印技術(shù)可能是雙光子光刻。這種方法依賴于只有當(dāng)液體樹脂同時吸收兩個光子而不是一個光子時才會固化的液體樹脂,。這使得能夠精確制造具有體素的物品,，體素的3D等效像素尺寸只有幾十納米。

然而,，雙光子光刻已被證明對于大規(guī)模實際應(yīng)用來說太慢且昂貴,。這在很大程度上使它成為一種昂貴的實驗室工具來生產(chǎn)顯微原型。

這種新方法可以制造復(fù)雜的微觀3D物體,，例如字母,、數(shù)字、戒指,、透鏡和齒輪,，這些物體可以通過施加磁場進行遠程控制。

先前的研究試圖將雙光子光刻中使用的激光束分割成多個焦點,，以加快制造速度,。然而，這種策略通常仍然實現(xiàn)每秒僅約10000個體素和每小時小于0.1立方毫米的打印速度,。此外,，這種方法通常無法控制每個單獨激光器的焦點，因此無法產(chǎn)生高度可變的結(jié)構(gòu),。

然而,，一種新的雙光子光刻技術(shù)可以以高達每秒200萬體素和每小時4.5至54立方毫米的速度打印納米級3D物體。此外,，科學(xué)家們指出,，它實現(xiàn)了高達90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻技術(shù)中所見的最佳分辨率,。此外,，他們補充說，該團隊的新工藝可以同時操作多達2000個可單獨編程的激光焦點來制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中最常見的,。

香港中文大學(xué)光學(xué)科學(xué)家Shih-Chi Chen表示：“吞吐量的增加意味著成本大幅降低,，該技術(shù)現(xiàn)在可以以更合理的價格和制造速度用于工業(yè)規(guī)模的應(yīng)用”。

固化雙光子光刻中使用的樹脂需要極高的激光強度,。使用多個激光焦點會增加所需的激光功率,，而通常用于雙光子光刻的激光器幾乎無法提供支持超過 50 個焦點所需的功率。相比之下,，新方法使用了峰值功率約為10吉瓦的近紅外激光,。

通常，雙光子光刻依賴于接收大約10000個低功率激光脈沖的焦點,，以便完全固化體素,。然而，這項新技術(shù)使用的激光發(fā)射速度比雙光子光刻中通常使用的激光慢幾十到數(shù)十萬倍,。為了進行補償,，新技術(shù)使用單個脈沖來固化每個體素�,？茖W(xué)家們說,，這需要對光敏樹脂進行大量的修補，以優(yōu)化其印刷質(zhì)量,。

研究人員說：“我們通過單脈沖曝光獲得了最佳分辨率,，這與實現(xiàn)高分辨率的傳統(tǒng)方法完全相反，即低平均功率和長曝光時間”,。

新方法每秒發(fā)射一千個 100 飛秒長的脈沖,，從顯示全息圖的數(shù)字微鏡設(shè)備反射這些脈沖�,？茖W(xué)家們可以使用全息圖將每個激光脈沖分成多達 2000 個焦點,，這些焦點具有單獨可控的強度、位置和相位,，可以同時并行操作,。

在實驗中，研究人員展示了他們的新方法可以制造復(fù)雜的微觀3D物體,，例如字母,、數(shù)字、環(huán),、透鏡和類似打蛋器的結(jié)構(gòu),。他們還制造了可以通過施加磁場來遠程控制的磁性齒輪。

在這項新研究中,，科學(xué)家們還透露，他們可以修改每個焦點的激光功率,，以達到11種不同的強度水平,。這種“灰度控制”可用于調(diào)整每個體素的堅固性和機械特性,。科學(xué)家們指出,，這項新技術(shù)顯示的灰度控制精度超過99%,，是并行雙光子光刻技術(shù)中最高的。

此外,，研究人員報告說,，這種新方法在雙光子光刻中產(chǎn)生了迄今為止最高的能效。其他技術(shù)需要大約1.5到4瓦的操作功率,，而新方法只需要400毫瓦的平均功率來操作 2000個焦點,。

納米級3D打印的一個潛在應(yīng)用是制造超結(jié)構(gòu)材料，其結(jié)構(gòu)具有重復(fù)圖案,，其尺度小于其設(shè)計影響的任何力的波長,。設(shè)計用于操縱電磁輻射的光學(xué)超結(jié)構(gòu)可以以意想不到的方式彎曲光線，從而產(chǎn)生隱形斗篷和其他設(shè)備,。

元結(jié)構(gòu)研究的最大挑戰(zhàn)之一是制造包含尺寸小于一微米的子特征,，且總體上是其子特征大數(shù)千倍的對象。在實驗中,，科學(xué)家們透露他們的新技術(shù)可以制造一個大約1立方毫米大小的網(wǎng)格,，該網(wǎng)格由超過68萬個具有小至700納米的子特征的細胞組成。

研究人員現(xiàn)在正在探索使用人工智能通過他們的新技術(shù)生成最佳制造程序,。研究人員說,，目標(biāo)是讓產(chǎn)品“具有更好的結(jié)構(gòu)完整性、強度和均勻性”,。

該研究于2023年3月27日發(fā)表在《自然通訊》雜志上,。