使用雙光子光刻技術打印 3D 納米級結構

3D 打印，也稱為增材制造，是一項不斷發(fā)展的技術。在早期，設計師使用它來創(chuàng)建小型 3D 結構，因為這是一種使用自己的打印機創(chuàng)建定制的單個部件的“酷”方式。從那以后，它已經發(fā)展成為一種強大的制造技術，可以為廣泛的行業(yè)打印幾何形狀復雜的零件。范圍進一步擴大，因為現在可以在納米級進行 3D 打印。

許多人可能會爭辯說，傳統(tǒng)的 3D 打印方法涉及在納米尺度上工作，因為這些結構是在原子層中構建的。雖然這是事實，但由此產生的產品（或成品）是一種散裝結構。現在可以 3D 打印原子層，結果是納米材料或納米結構，而無需生產塊狀結構作為終點。雖然這是一個相對較新的領域，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(ALD)。在本文中，我們將討論設計人員如何使用雙光子光刻來打印 3D 納米級結構。

雙光子光刻

現在可以使用稱為雙光子光刻的技術在納米級打印結構。光刻是一類制造技術，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，光刻技術本質上是自上而下的，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)建復雜的納米級結構。要在納米尺度上打印，所用材料需要處于液態(tài)并且對光子敏感（最好是對電磁波譜的近紅外區(qū)域的光子）。從這個液態(tài)狀態(tài)點，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)。這隨后允許制造堅固的結構。

激光可以圍繞液體起始材料在三個維度上進行掃描，這使得打印結構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維度上引導結構的生長。其結果是一種由液體前體制成的固體納米結構材料，很像傳統(tǒng)的 3D 打印，但規(guī)模較小。這項技術正在大量用于無機和有機材料，尤其是光敏聚合物，并已開始擴展到金屬。

結論

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

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

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

除了寫作之外，利亞姆還是美國國家石墨烯協(xié)會 (NGA)、全球組織納米技術世界網絡 (NWN) 的顧問委員會成員，以及英國科學慈善機構 GlamSci 的董事會成員。Liam 還是英國納米醫(yī)學學會 (BSNM) 和國際先進材料協(xié)會 (IAAM) 的成員，以及多個學術期刊的同行評審員。

審核編輯黃宇