3D打印已經徹底改變了電子、光學、能源、機器人、生物工程和傳感等領域的制造工藝。降尺度的3D打印技術，將使利用微結構和納米結構特性的應用成為可能。然而，現有的金屬3D納米打印技術，需要聚合物-金屬混合物、金屬鹽或流變性油墨，從而限制了材料的選擇和最終結構的純度。盡管此前氣溶膠光刻技術已被用于在預先圖案化的襯底上，組裝高純度3D金屬納米結構陣列，但其幾何形狀有限。

在此，來自韓國浦項科技大學的Junsuk Rho和韓國國立首爾大學的Mansoo Choi等研究者，介紹了一種可使用各種材料直接3D打印金屬納米結構陣列的技術，這種金屬納米結構具有靈活的幾何形狀和可達數百納米的特征尺寸。相關論文以題為“Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”發表在Nature上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03353-1

首先，研究者解釋了帶電的氣溶膠噴射是如何集中的？由火花放電產生的帶電氣溶膠和離子，同時注入靜電室，在靜電室中帶有孔陣列的介質掩模與偏置硅襯底分離(圖1a)。掩模與基板的分離是至關重要的，因為它可以使基板自由移動而不接觸正在生長的納米結構，也因為它允許掩模上的孔與正在生長的結構尖端之間的相對距離改變，因而能夠控制匯聚電場線的形狀，最終打印出所需的3D納米結構。

固定掩模下的襯底的運動，由一個3D納米級控制。通過對襯底施加一個負電位，正的氣溶膠和離子被吸引到掩膜上。高流動性的陽離子，首先到達面罩表面，然后是帶電的氣溶膠。離子積累可以防止納米顆粒沉積在掩膜上，并在每個孔周圍形成一個靜電透鏡。這種透鏡聚焦帶正電的氣溶膠，而不會造成在使用模板光刻時發生的堵塞(圖1插圖)。該含孔掩模與其他3D打印技術中的噴嘴類似，但由于靜電聚焦，打印結構的寬度要比孔的尺寸小得多。在掩模下面形成了一條聚合電場線(法拉第線)，它將氣溶膠射流連接到不斷增長的3D結構的頂端(圖1a，插圖)。可以通過把納米級轉換成三維，來操縱生長結構。

圖1 三維納米管的原理圖和表征。

本文中，研究者的打印過程發生在干燥的氣氛，不需要聚合物或油墨。相反，離子和帶電荷的氣溶膠粒子，被引導到一個包含一組空穴的介電掩膜上，這些空穴漂浮在偏置硅襯底上。這些離子聚集在每個洞周圍，產生靜電透鏡，將帶電的氣溶膠粒子聚焦成納米級噴射。這些射流由在含孔掩模下形成的聚合電場線引導，其作用類似于傳統3D打印機的噴嘴，使氣溶膠顆粒能夠3D打印到硅基板上。通過在打印過程中移動襯底，研究者成功地打印出了各種3D結構，包括螺旋、懸垂的納米管、圓環和字母。此外，為了展示研究者技術的潛在應用，研究者打印了一組垂直裂環諧振器結構。

圖2 打印尖端定向生長模式和懸垂納米管的SEM圖像。

圖3 螺旋結構的掃描電鏡圖像和模型預測。

圖4 表面書寫模式的打印與三維等離子體超材料的光學表征。

綜上所述，研究者介紹了一種使用帶電氣溶膠為基礎的3D納米打印技術。這種完全干燥的技術，不涉及聚合物或油墨，使用自一致的電場線，作為在大氣條件下的繪圖工具。這兩種打印模式——尖端定向的3D生長和表面書寫——有助于打印各種結構，包括螺旋、懸挑的納米管、環形結構和字母等。通過兩種模式的結合，研究者成功地制備了具有磁共振功能的垂直SRR結構。此外，研究者還建立了一個與實驗數據相一致的現象學模型。與其他3D打印方法相結合，研究者希望3D-納米打印技術，能在納米制造方面帶來實質性進展。 （文：水生）

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