全息圖有助于增強(qiáng)納米級3D打印

CHINESE UNIVERSITY OF HONG KONG

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，使用全息圖（holograms），納米級3D打印機(jī)現(xiàn)在可以快速制造出細(xì)節(jié)小于可見光波長的復(fù)雜物品。這項(xiàng)研究可以快速制造由導(dǎo)線、透鏡、旋轉(zhuǎn)磁性齒輪和其他結(jié)構(gòu)組成的納米技術(shù)陣列，從而在電子、光子學(xué)、微型機(jī)器人等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

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（two-photon lithography）。這種方法依賴于只有當(dāng)液體樹脂同時(shí)吸收兩個光子而不是一個光子時(shí)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，雙光子光刻已經(jīng)被證明對于大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用來說過于緩慢和昂貴。這在很大程度上使其成為生產(chǎn)微觀原型的昂貴實(shí)驗(yàn)室工具。

The new method can manufacture complex, microscopic 3D objects such as letters, numbers, rings, lenses, and gears that can be remotely controlled by applying a magnetic field.

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(diǎn)，以加快制造速度。然而，這種策略通常能夠?qū)崿F(xiàn)每秒僅約10000個體素和每小時(shí)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(dú)激光器的焦點(diǎn)，因此無法產(chǎn)生高度可變的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，一種新的雙光子光刻技術(shù)可以以每秒200萬體素和每小時(shí)4.5至54立方毫米的速度打印納米級3D物體?？茖W(xué)家們同時(shí)指出，它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中看到的最好的分辨率。此外，他們補(bǔ)充道，該團(tuán)隊(duì)的新工藝可以同時(shí)操作多達(dá)2000個可單獨(dú)編程的激光焦點(diǎn)來制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中最常見的。

研究高級作者、香港中文大學(xué)光學(xué)科學(xué)家和機(jī)械工程師Shih-Chi Chen表示：“產(chǎn)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(jià)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(qiáng)度。使用多個激光焦點(diǎn)增加了所需的激光功率，并且通常用于雙光子光刻的激光器幾乎不能提供支持50個以上焦點(diǎn)所需的功率。相比之下，新方法使用了峰值功率約為10千兆瓦的近紅外激光器。

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(diǎn)，以便完全固化體素。然而，這項(xiàng)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(jìn)行補(bǔ)償，新技術(shù)使用單個脈沖來固化每個體素。科學(xué)家們說，這需要對光敏樹脂進(jìn)行大量的修補(bǔ)，以優(yōu)化其印刷質(zhì)量。

Chen說：“我們通過單脈沖曝光獲得了最佳分辨率，這與實(shí)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(shí)間?！?/p>

這種新方法每秒發(fā)射1000個100飛秒長的脈沖，將這些脈沖從顯示全息圖的數(shù)字微鏡設(shè)備上反彈。科學(xué)家們可以使用全息圖將每個激光脈沖劃分為多達(dá)2000個焦點(diǎn)，這些焦點(diǎn)具有單獨(dú)可控的強(qiáng)度、位置和相位，可以同時(shí)并行操作。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員表明，他們的新方法可以制造復(fù)雜的微觀3D物體，如字母、數(shù)字、戒指、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遠(yuǎn)程控制的磁性齒輪。

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在這項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家們還透露，他們可以修改每個焦點(diǎn)的激光功率，以達(dá)到11個不同的強(qiáng)度水平。這種“灰度控制（gray-scale control）”可以用于調(diào)整每個體素的堅(jiān)固性和機(jī)械財(cái)產(chǎn)?？茖W(xué)家們指出，這項(xiàng)新技術(shù)顯示出的灰度控制精度超過99%，是迄今為止并行雙光子光刻中最高的。

此外，研究人員報(bào)告稱，這種新方法在雙光子光刻中產(chǎn)生了迄今為止最高的能量效率。盡管其他技術(shù)需要大約1.5到4瓦的工作功率，但新方法只需要400毫瓦的平均功率就可以操作2000個焦點(diǎn)。

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(jì)影響的任何力的波長。設(shè)計(jì)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。

其面臨的最大挑戰(zhàn)之一是制造包含尺寸小于一微米但總體上是其子特征數(shù)千倍大的子特征的物體。在實(shí)驗(yàn)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，由68萬多個細(xì)胞組成，子特征小到700納米。

研究人員現(xiàn)在正在探索使用人工智能來利用他們的新技術(shù)生成最佳制造程序。Chen說，其目的是讓產(chǎn)品“具有更好的結(jié)構(gòu)完整性、強(qiáng)度和一致性”。

審核編輯 ：李倩