使用雙光子光刻技術(shù)打印 3D 納米級(jí)結(jié)構(gòu)

3D 打印，也稱為增材制造，是一項(xiàng)不斷發(fā)展的技術(shù)。在早期，設(shè)計(jì)師使用它來創(chuàng)建小型 3D 結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@是一種使用自己的打印機(jī)創(chuàng)建定制的單個(gè)部件的“酷”方式。從那以后，它已經(jīng)發(fā)展成為一種強(qiáng)大的制造技術(shù)，可以為廣泛的行業(yè)打印幾何形狀復(fù)雜的零件。范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，因?yàn)楝F(xiàn)在可以在納米級(jí)進(jìn)行 3D 打印。

許多人可能會(huì)爭(zhēng)辯說，傳統(tǒng)的 3D 打印方法涉及在納米尺度上工作，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)是在原子層中構(gòu)建的。雖然這是事實(shí)，但由此產(chǎn)生的產(chǎn)品（或成品）是一種散裝結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在可以 3D 打印原子層，結(jié)果是納米材料或納米結(jié)構(gòu)，而無需生產(chǎn)塊狀結(jié)構(gòu)作為終點(diǎn)。雖然這是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域，但它可以與其他常見的自下而上納米加工方法（例如化學(xué)氣相沉積 (CVD)、物理氣相沉積 (PVD) 和原子層沉積）一起成為一種有用且用途廣泛的納米加工技術(shù)(ALD)。在本文中，我們將討論設(shè)計(jì)人員如何使用雙光子光刻來打印 3D 納米級(jí)結(jié)構(gòu)。

雙光子光刻

現(xiàn)在可以使用稱為雙光子光刻的技術(shù)在納米級(jí)打印結(jié)構(gòu)。光刻是一類制造技術(shù)，可將材料沉積到表面上，表面上有光刻膠掩模。光刻膠掩模保護(hù)表面的某些區(qū)域，而其他部分則被蝕刻成特定的圖案和幾何形狀。一般來說，光刻技術(shù)本質(zhì)上是自上而下的，而不是自下而上的。

雙光子光刻略有不同，它已廣泛用于在各種表面上創(chuàng)建復(fù)雜的納米級(jí)結(jié)構(gòu)。要在納米尺度上打印，所用材料需要處于液態(tài)并且對(duì)光子敏感（最好是對(duì)電磁波譜的近紅外區(qū)域的光子）。從這個(gè)液態(tài)狀態(tài)點(diǎn)，高能激光（通常是脈沖）擊中液體材料。來自激光的能量通過吸收近紅外光子使液體材料結(jié)合在一起——在許多情況下是通過聚合——將材料從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)。這隨后允許制造堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。

激光可以圍繞液體起始材料在三個(gè)維度上進(jìn)行掃描，這使得打印結(jié)構(gòu)可以由激光掃描的位置來控制。與許多其他光刻方法一樣，光阻材料（即光阻掩模）也可以放置在某些區(qū)域上，并且可以更好地在三個(gè)維度上引導(dǎo)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。其結(jié)果是一種由液體前體制成的固體納米結(jié)構(gòu)材料，很像傳統(tǒng)的 3D 打印，但規(guī)模較小。這項(xiàng)技術(shù)正在大量用于無機(jī)和有機(jī)材料，尤其是光敏聚合物，并已開始擴(kuò)展到金屬。

結(jié)論

3D 打印在制造領(lǐng)域引起了極大的興趣，但它在納米技術(shù)中的應(yīng)用相對(duì)較新。雖然聚合物是納米級(jí)打印時(shí)使用的主要材料，但可行的材料范圍正在增加。這是一個(gè)在未來幾年肯定會(huì)增長(zhǎng)的領(lǐng)域，如果它以與其他 3D 打印方法相同的速度增長(zhǎng)，它可能會(huì)成為一種成熟的納米制造技術(shù)。一些未來的應(yīng)用可能包括精確的納米級(jí)圖案化、具有精確和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的納米材料的制造、用于創(chuàng)建分子支架，它甚至有可能用于在量子計(jì)算應(yīng)用中制造量子比特 (qubits)。

利亞姆·克里奇利 ( Liam Critchley ) 是一名作家、記者和傳播者，專門研究化學(xué)和納米技術(shù)以及分子水平的基本原理如何應(yīng)用于許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域。利亞姆最出名的可能是他的信息豐富的方法以及向科學(xué)家和非科學(xué)家解釋復(fù)雜的科學(xué)主題。Liam 在與化學(xué)和納米技術(shù)交叉的各個(gè)科學(xué)領(lǐng)域和行業(yè)發(fā)表了 350 多篇文章。

Liam 是歐洲納米技術(shù)工業(yè)協(xié)會(huì) (NIA) 的高級(jí)科學(xué)傳播官，過去幾年一直在為全球的公司、協(xié)會(huì)和媒體網(wǎng)站撰稿。在成為一名作家之前，利亞姆完成了化學(xué)與納米技術(shù)和化學(xué)工程的碩士學(xué)位。

除了寫作之外，利亞姆還是美國(guó)國(guó)家石墨烯協(xié)會(huì) (NGA)、全球組織納米技術(shù)世界網(wǎng)絡(luò) (NWN) 的顧問委員會(huì)成員，以及英國(guó)科學(xué)慈善機(jī)構(gòu) GlamSci 的董事會(huì)成員。Liam 還是英國(guó)納米醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì) (BSNM) 和國(guó)際先進(jìn)材料協(xié)會(huì) (IAAM) 的成員，以及多個(gè)學(xué)術(shù)期刊的同行評(píng)審員。

審核編輯黃宇