集成電路的晶體管尺寸逐漸逼近光子和電子的極限，摩爾定律的延續(xù)即將走到盡頭。發(fā)展納米尺度器件制造的新技術(shù)迫在眉睫。如今，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其特征尺寸逐漸逼近納米級，使這種不受光源限制的增材制造技術(shù)成為潛在的破局者。然而，打印速度慢、制造環(huán)境復(fù)雜、材料種類受限以及結(jié)構(gòu)自由度低等關(guān)鍵因素限制了這項技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

     傳統(tǒng)的微納尺度3D打印技術(shù)，依賴于實物噴嘴，其加工精度均由噴嘴決定，既無法實現(xiàn)更低至幾納米級的加工精度，也無法保證大規(guī)模的加工；以電子束和離子束的加工為例，雖然它們能夠?qū)崿F(xiàn)納米尺度的精度，但無法實現(xiàn)大面積陣列的快速打印。

       在上海科技大學(xué)“小而精、高水平”的科研氛圍中，馮繼成教授課題組發(fā)展了兼具高精度、高通量和多材料的納米尺度3D打印技術(shù)——“法拉第3D打印”，尋求納米尺度3D打印的全新突破。他們的最新進(jìn)展以“Metal 3D nanoprinting with coupled fields”為題發(fā)表在國際期刊Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3#citeas

 氣溶膠與法拉第

   區(qū)別于其他3D打印技術(shù)，法拉第3D打印所使用的結(jié)構(gòu)構(gòu)建單元來自于大氣壓環(huán)境下的氣溶膠—一種懸浮在氣體介質(zhì)中的固態(tài)或液態(tài)顆粒所組成的氣態(tài)分散系統(tǒng)。通俗來說，所謂氣溶膠，就類似于我們?nèi)粘Ｉ�活中常見的“PM2.5”和“霧霾”，微米乃至納米級別的小顆粒與承載它們的大氣共同組成的系統(tǒng)，其中微粒與氣體“如膠似漆，難分難舍”因此得名為“膠”，即通稱為“氣溶膠”。這種獨特的氣溶膠構(gòu)建單元決定了法拉第3D打印在常溫常壓下即可進(jìn)行，并且不需要任何液相添加劑，不引入任何污染和雜質(zhì)。

如何令這些形似“霧霾”的氣溶膠按照設(shè)定的指示組裝成精細(xì)而精確的三維納米結(jié)構(gòu)呢？

問題的答案要從“法拉第”說起。19世紀(jì)，法拉第用筆描繪出電場線，為我們揭示了“場”的形狀。在這項技術(shù)中，馮繼成課題組反用電場線作為畫筆，將構(gòu)建單元沿著電場線的形狀組裝成三維納米結(jié)構(gòu)，恰如使用電場線描繪三維物體。前后兩者頗有幾分異曲同工之妙，故將該技術(shù)命名為“法拉第3D打印”。具體來說，實施這項技術(shù)時，氣溶膠中帶有電荷的微粒將沿著預(yù)先設(shè)計好的電場線——稱之為“電力線畫筆”，像搭房子一樣一磚一瓦地構(gòu)筑精確的三維納米結(jié)構(gòu)（圖1）。另外，由于電力線畫筆非實物，如果面積足夠大，可以同時構(gòu)建億萬個同樣的畫筆，在不改變精度前提下打印出億萬個納米結(jié)構(gòu)！實驗結(jié)果已經(jīng)證明了在20分鐘內(nèi)便可快速打印出多達(dá)64 000 000個納米結(jié)構(gòu)，形成復(fù)雜的納米三維結(jié)構(gòu)陣列。

圖1：光/電的曙光：氣溶膠“磚塊”沿著電力線畫筆描繪成三維納米結(jié)構(gòu)。

 雙層流與電力線

保證這些結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精確度十分具有挑戰(zhàn)性。馮繼成課題組采用電場和流場的協(xié)同作用，實現(xiàn)了構(gòu)建三維納米結(jié)構(gòu)的“磚塊”的均勻性和穩(wěn)定性。具體來說，通過流場/電場耦合，過濾掉不帶電荷和尺寸較大的“磚塊”，而篩選出帶有電荷且尺寸均勻“磚塊”作為搭建三維結(jié)構(gòu)的構(gòu)建單元。在這個過程中，裹挾著金屬納米顆粒的氣流將進(jìn)入一個雙層的流場區(qū)域（圖2a）的上半部分，其下半部分為干凈的、無納米顆粒的惰性氣體區(qū)域，上下兩部分流場同時向箭頭方向流動。與此同時，該區(qū)域存在一個垂直于流場的方向且指向下的聚焦于打印區(qū)域的電場。于是，在兩個力場（流場和電場）的作用下，較輕的納米顆粒（小于5nm）能夠克服流場帶來的慣性，從而沿著電場線方向運動，構(gòu)建成三維納米結(jié)構(gòu)；而在同等強度的電場力作用下，較重的納米顆粒無法克服慣性，便繼續(xù)沿著流場方向運動。由此，即可實現(xiàn)特定尺寸納米顆粒的篩選，并在該過程中原位打印成復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)陣列。使用更小的顆粒，還容易逼近打印的極限尺度，該工作中已實現(xiàn)了線寬為14 nm的金屬打�。▓D2k，l）。這里的流場會對帶電納米顆粒產(chǎn)生正面的拖曳力，使得其能沿著彎曲的電場線遷移，避免了在帶電顆粒在真空中偏移彎曲電場線的問題。

圖2：雙層流與電力線的協(xié)作。電場線的空間構(gòu)型決定了三維納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀，通過納米顆粒篩選可實現(xiàn)高精度、高通量和多材料的3D打印。

 大道至簡-化腐朽為神奇的偉力

圖3：結(jié)構(gòu)和材料多樣的周期性陣列， 比例尺：5微米。

科學(xué)的突破離不開對身邊日常事物的觀察、而真理往往就蘊藏在我們身邊。隨處可見、觸手可及的氣溶膠也能構(gòu)建出形狀各異、秩序井然的三維納米結(jié)構(gòu)陣列（圖4），實現(xiàn)了三維納米制造“小而精”的突破，自然科學(xué)所展現(xiàn)的這種化腐朽為神奇的偉力，正是其魅力所在。其實，這項技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到極限。未來馮繼成教授課題組將繼續(xù)深化氣溶膠“磚塊”和“電力線畫筆”的改進(jìn)和探索，希望在未來能實現(xiàn)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，以期將該打印機集成到半導(dǎo)體裝配線中，從而加速晶圓級納米特征尺寸的微凸塊和互聯(lián)的一次性打印，為極紫外（EUV）光刻提供現(xiàn)實的替代方案。

來源：上科大科技發(fā)展

(責(zé)任編輯：admin)

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