具有纳米级分辨率的 3D 打印二氧化硅

莱斯大学材料科学家正在使用复杂的 3D 打印机创建二氧化硅纳米结构，展示了一种自下而上制造微型电子、机械和光子设备的方法。这些产品可以被掺杂，并且它们的晶体结构可以针对各种应用进行调整。由乔治·R·布朗工程学院材料科学和纳米工程教授 Jun Lou 领导的这项研究出现在Nature Materials（“具有纳米级分辨率的 3D 打印二氧化硅”）上。

电子工业建立在硅上，几十年来一直是微处理器的基本半导体基板。Rice 的研究通过彻底改变流程来解决自上而下制造的局限性。

“用传统的光刻技术制作复杂的 3D 几何形状非常困难，”Lou 说。“它也不是很‘绿色’，因为它需要大量的化学品和很多步骤。即使付出了这么多努力，一些结构也无法用这些方法制造出来。

“原则上，我们可以打印任意 3D 形状，这对于制造奇特的光子设备可能非常有趣，”他说。“这就是我们试图证明的。

该实验室使用双光子聚合工艺打印线宽仅几百纳米的结构，小于光的波长。激光通过促使墨水吸收两个光子来“书写”线条，从而引发材料的自由基聚合。

“正常聚合涉及聚合物单体和光引发剂，这些分子吸收光并产生自由基，”莱斯大学研究生和共同主要作者张博宇说，该过程通常在 3D 打印、固化涂层和牙科应用中使用紫外线。

“在我们的过程中，光引发剂同时吸收两个光子，这需要大量能量，”他说。“只有这种能量的一个非常小的峰值会导致聚合，而且只有在一个非常小的空间内。这就是为什么这个过程使我们能够超越光的衍射极限。

印刷过程需要莱斯实验室开发一种独特的墨水。张和共同主要作者谢文文，莱斯大学的校友，创造了含有二氧化硅纳米球的树脂，其中掺杂了聚乙二醇，使其可溶解。

印刷后，结构通过高温烧结固化，从而消除产品中的所有聚合物，留下无定形玻璃或多晶方英石。“加热时，材料会经历从玻璃到晶体的阶段，温度越高，晶体变得越有序，”娄说。

该实验室还展示了用各种稀土盐掺杂材料，使产品发光，这是光学应用的重要特性。实验室的下一个目标是改进工艺以达到亚 10 纳米的分辨率。