集成电路的晶体管尺寸逐渐逼近光子和电子的极限，摩尔定律的延续即将走到尽头。发展纳米尺度器件制造的新技术迫在眉睫。如今，随着3D打印技术的发展，其特征尺寸逐渐逼近纳米级，使这种不受光源限制的增材制造技术成为潜在的破局者。然而，打印速度慢、制造环境复杂、材料种类受限以及结构自由度低等关键因素限制了这项技术的应用发展。
传统的微纳尺度3D打印技术，依赖于实物喷嘴，其加工精度均由喷嘴决定，既无法实现更低至几纳米级的加工精度，也无法保证大规模的加工；以电子束和离子束的加工为例，虽然它们能够实现纳米尺度的精度，但无法实现大面积阵列的快速打印。
在上海科技大学“小而精、高水平”的科研氛围中，冯继成教授课题组发展了兼具高精度、高通量和多材料的纳米尺度3D打印技术——“法拉第3D打印”，寻求纳米尺度3D打印的全新突破。他们的最新进展以“Metal 3D nanoprinting with coupled fields”为题发表在国际期刊Nature Communications上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-40577-3#citeas
气溶胶与法拉第
区别于其他3D打印技术，法拉第3D打印所使用的结构构建单元来自于大气压环境下的气溶胶—一种悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒所组成的气态分散系统。通俗来说，所谓气溶胶，就类似于我们日常生活中常见的“PM2.5”和“雾霾”，微米乃至纳米级别的小颗粒与承载它们的大气共同组成的系统，其中微粒与气体“如胶似漆，难分难舍”因此得名为“胶”，即通称为“气溶胶”。这种独特的气溶胶构建单元决定了法拉第3D打印在常温常压下即可进行，并且不需要任何液相添加剂，不引入任何污染和杂质。
如何令这些形似“雾霾”的气溶胶按照设定的指示组装成精细而精确的三维纳米结构呢？
问题的答案要从“法拉第”说起。19世纪，法拉第用笔描绘出电场线，为我们揭示了“场”的形状。在这项技术中，冯继成课题组反用电场线作为画笔，将构建单元沿着电场线的形状组装成三维纳米结构，恰如使用电场线描绘三维物体。前后两者颇有几分异曲同工之妙，故将该技术命名为“法拉第3D打印”。具体来说，实施这项技术时，气溶胶中带有电荷的微粒将沿着预先设计好的电场线——称之为“电力线画笔”，像搭房子一样一砖一瓦地构筑精确的三维纳米结构（图1）。另外，由于电力线画笔非实物，如果面积足够大，可以同时构建亿万个同样的画笔，在不改变精度前提下打印出亿万个纳米结构！实验结果已经证明了在20分钟内便可快速打印出多达64 000 000个纳米结构，形成复杂的纳米三维结构阵列。
图1：光/电的曙光：气溶胶“砖块”沿着电力线画笔描绘成三维纳米结构。
双层流与电力线
保证这些结构的稳定性和精确度十分具有挑战性。冯继成课题组采用电场和流场的协同作用，实现了构建三维纳米结构的“砖块”的均匀性和稳定性。具体来说，通过流场/电场耦合，过滤掉不带电荷和尺寸较大的“砖块”，而筛选出带有电荷且尺寸均匀“砖块”作为搭建三维结构的构建单元。在这个过程中，裹挟着金属纳米颗粒的气流将进入一个双层的流场区域（图2a）的上半部分，其下半部分为干净的、无纳米颗粒的惰性气体区域，上下两部分流场同时向箭头方向流动。与此同时，该区域存在一个垂直于流场的方向且指向下的聚焦于打印区域的电场。于是，在两个力场（流场和电场）的作用下，较轻的纳米颗粒（小于5nm）能够克服流场带来的惯性，从而沿着电场线方向运动，构建成三维纳米结构；而在同等强度的电场力作用下，较重的纳米颗粒无法克服惯性，便继续沿着流场方向运动。由此，即可实现特定尺寸纳米颗粒的筛选，并在该过程中原位打印成复杂的纳米结构阵列。使用更小的颗粒，还容易逼近打印的极限尺度，该工作中已实现了线宽为14 nm的金属打印（图2k，l）。这里的流场会对带电纳米颗粒产生正面的拖曳力，使得其能沿着弯曲的电场线迁移，避免了在带电颗粒在真空中偏移弯曲电场线的问题。
图2：双层流与电力线的协作。电场线的空间构型决定了三维纳米结构的几何形状，通过纳米颗粒筛选可实现高精度、高通量和多材料的3D打印。
大道至简-化腐朽为神奇的伟力
图3：结构和材料多样的周期性阵列， 比例尺：5微米。
科学的突破离不开对身边日常事物的观察、而真理往往就蕴藏在我们身边。随处可见、触手可及的气溶胶也能构建出形状各异、秩序井然的三维纳米结构阵列（图4），实现了三维纳米制造“小而精”的突破，自然科学所展现的这种化腐朽为神奇的伟力，正是其魅力所在。其实，这项技术还远未达到极限。未来冯继成教授课题组将继续深化气溶胶“砖块”和“电力线画笔”的改进和探索，希望在未来能实现转移转化，以期将该打印机集成到半导体装配线中，从而加速晶圆级纳米特征尺寸的微凸块和互联的一次性打印，为极紫外（EUV）光刻提供现实的替代方案。
来源：上科大科技发展
论文引用信息：
Liu, B., Liu, S., Devaraj, V. et al. Metal 3D nanoprinting with coupled fields. Nat Commun 14, 4920 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3
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