全息圖增強(qiáng)納米級(jí)3D打印技術(shù)

這些微觀八面體桁架結(jié)構(gòu)的SEM圖像以100微米的比例顯示[左]，并以10微米的比例放大[右]，其中黃色結(jié)構(gòu)顯示了單個(gè)晶胞。

一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，使用全息圖，納米級(jí)3D打印機(jī)現(xiàn)在可以快速制造細(xì)節(jié)小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的復(fù)雜物品。這項(xiàng)研究可以快速制造納米技術(shù)陣列的電線、透鏡、旋轉(zhuǎn)磁齒輪和其他結(jié)構(gòu)，這表明在電子、光子學(xué)、微機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，用于制造具有復(fù)雜形狀的納米級(jí)物體的最精確的3D打印技術(shù)可能是雙光子光刻。這種方法依賴于液態(tài)樹(shù)脂，只有當(dāng)它們同時(shí)吸收兩個(gè)光子而不是一個(gè)光子時(shí)，它們才會(huì)固化。這使得能夠精確制造具有體素（相當(dāng)于像素的3D）的物體，尺寸只有幾十納米。

然而，雙光子光刻已被證明對(duì)于大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)太慢且昂貴。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。

新方法可以制造復(fù)雜的微觀3D物體，如字母，數(shù)字，環(huán)，透鏡和齒輪，可以通過(guò)施加磁場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

以前的研究試圖將雙光子光刻中使用的激光束分成多個(gè)焦點(diǎn)，以加快制造速度。但是，這種策略通常仍能實(shí)現(xiàn)每秒約 10，000 個(gè)體素和每小時(shí)不到 0.1 立方毫米的打印速度。此外，這種方法通常無(wú)法控制每個(gè)激光器的焦點(diǎn)，因此不能產(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3萬(wàn)體素和每小時(shí)2.4至5立方毫米的速度打印納米級(jí)54D物體。此外，科學(xué)家們指出，它達(dá)到了高達(dá)90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻技術(shù)中見(jiàn)過(guò)的最好的。此外，他們補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的新工藝可以同時(shí)操作多達(dá)2，000個(gè)可單獨(dú)編程的激光焦點(diǎn)來(lái)制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中見(jiàn)過(guò)最多的。

固化用于雙光子光刻的樹(shù)脂需要極高的激光強(qiáng)度。使用多個(gè)激光焦點(diǎn)會(huì)增加所需的激光功率，并且通常用于雙光子光刻的激光器幾乎無(wú)法提供支持50多個(gè)焦點(diǎn)所需的功率。相比之下，新方法使用峰值功率約為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 10，000 個(gè)低功率激光脈沖的焦點(diǎn)，以便完全固化體素。然而，新技術(shù)使用的激光器發(fā)射速度比雙光子光刻中通常使用的激光器慢數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)倍。為了補(bǔ)償，新技術(shù)使用單個(gè)脈沖來(lái)固化每個(gè)體素。科學(xué)家們說(shuō)，這需要對(duì)光敏樹(shù)脂進(jìn)行大量修補(bǔ)，以優(yōu)化其印刷質(zhì)量。

“我們通過(guò)單脈沖曝光實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)曝光時(shí)間，”陳說(shuō)。

新方法每秒發(fā)射一千個(gè)100飛秒長(zhǎng)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(gè)激光脈沖分成多達(dá)2個(gè)焦點(diǎn)，具有可單獨(dú)控制的強(qiáng)度，位置和相位，可以同時(shí)并行運(yùn)行。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員展示了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，環(huán)，透鏡和類似打蛋器的結(jié)構(gòu)。他們還制造了可以通過(guò)施加磁場(chǎng)來(lái)遠(yuǎn)程控制的磁性齒輪。

在這項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們還透露，他們可以修改每個(gè)焦點(diǎn)的激光功率，以實(shí)現(xiàn)11種不同的強(qiáng)度水平。這種“灰度控制”可用于調(diào)整每個(gè)體素的堅(jiān)固性和機(jī)械性能?？茖W(xué)家們指出，新技術(shù)顯示出灰度控制，精度超過(guò)99%，是并行雙光子光刻技術(shù)迄今為止最高的。

此外，研究人員報(bào)告說(shuō)，新方法在雙光子光刻中產(chǎn)生了最高的能源效率。雖然其他技術(shù)需要大約 1.5 到 4 瓦的工作功率，但新方法只需要 400 毫瓦的平均功率即可運(yùn)行 2，000 個(gè)焦點(diǎn)。

納米級(jí)3D打印的一個(gè)潛在應(yīng)用是制造元結(jié)構(gòu) - 其結(jié)構(gòu)具有重復(fù)圖案的材料，其尺度小于它們?cè)O(shè)計(jì)影響的任何力的波長(zhǎng)。旨在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，導(dǎo)致隱形斗篷和其他設(shè)備。

研究元結(jié)構(gòu)的最大挑戰(zhàn)之一是制造包含小于一微米的子特征的物體，但總的來(lái)說(shuō)，子特征是其子特征的數(shù)千倍。在實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)他們的新技術(shù)可以制造一個(gè)大約1立方毫米大小的網(wǎng)格，由超過(guò)680萬(wàn)個(gè)細(xì)胞組成，子特征小至000納米。

審核編輯 ：李倩