全息图增强纳米级3D打印技术

这些微观八面体桁架结构的SEM图像以100微米的比例显示[左]，并以10微米的比例放大[右]，其中黄色结构显示了单个晶胞。

一项新的研究发现，使用全息图，纳米级3D打印机现在可以快速制造细节小于可见光波长的复杂物品。这项研究可以快速制造纳米技术阵列的电线、透镜、旋转磁齿轮和其他结构，这表明在电子、光子学、微机器人等领域的应用。

目前，用于制造具有复杂形状的纳米级物体的最精确的3D打印技术可能是双光子光刻。这种方法依赖于液态树脂，只有当它们同时吸收两个光子而不是一个光子时，它们才会固化。这使得能够精确制造具有体素（相当于像素的3D）的物体，尺寸只有几十纳米。

然而，双光子光刻已被证明对于大规模实际应用来说太慢且昂贵。这在很大程度上使其成为生产微观原型的昂贵实验室工具。

新方法可以制造复杂的微观3D物体，如字母，数字，环，透镜和齿轮，可以通过施加磁场进行远程控制。

以前的研究试图将双光子光刻中使用的激光束分成多个焦点，以加快制造速度。但是，这种策略通常仍能实现每秒约 10，000 个体素和每小时不到 0.1 立方毫米的打印速度。此外，这种方法通常无法控制每个激光器的焦点，因此不能产生高度可变的结构。

现在，一种新的双光子光刻技术可以以每秒3万体素和每小时2.4至5立方毫米的速度打印纳米级54D物体。此外，科学家们指出，它达到了高达90纳米的分辨率，这是迄今为止在高通量双光子光刻技术中见过的最好的。此外，他们补充说，该团队的新工艺可以同时操作多达2，000个可单独编程的激光焦点来制造复杂的结构，这是迄今为止在高通量双光子光刻中见过最多的。

固化用于双光子光刻的树脂需要极高的激光强度。使用多个激光焦点会增加所需的激光功率，并且通常用于双光子光刻的激光器几乎无法提供支持50多个焦点所需的功率。相比之下，新方法使用峰值功率约为10千兆瓦的近红外激光器。

通常，双光子光刻依赖于接收大约 10，000 个低功率激光脉冲的焦点，以便完全固化体素。然而，新技术使用的激光器发射速度比双光子光刻中通常使用的激光器慢数万到数十万倍。为了补偿，新技术使用单个脉冲来固化每个体素。科学家们说，这需要对光敏树脂进行大量修补，以优化其印刷质量。

“我们通过单脉冲曝光实现了最佳分辨率，这与实现高分辨率的传统方法完全相反 - 即低平均功率和长曝光时间，”陈说。

新方法每秒发射一千个100飞秒长的脉冲，将这些脉冲从显示全息图的数字微镜设备上反弹。科学家们可以使用全息图将每个激光脉冲分成多达2个焦点，具有可单独控制的强度，位置和相位，可以同时并行运行。

在实验中，研究人员展示了他们的新方法可以制造复杂的微观3D物体，如字母，数字，环，透镜和类似打蛋器的结构。他们还制造了可以通过施加磁场来远程控制的磁性齿轮。

在这项新研究中，科学家们还透露，他们可以修改每个焦点的激光功率，以实现11种不同的强度水平。这种“灰度控制”可用于调整每个体素的坚固性和机械性能。科学家们指出，新技术显示出灰度控制，精度超过99%，是并行双光子光刻技术迄今为止最高的。

此外，研究人员报告说，新方法在双光子光刻中产生了最高的能源效率。虽然其他技术需要大约 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运行 2，000 个焦点。

纳米级3D打印的一个潜在应用是制造元结构 - 其结构具有重复图案的材料，其尺度小于它们设计影响的任何力的波长。旨在操纵电磁辐射的光学超结构可以以意想不到的方式弯曲光线，导致隐形斗篷和其他设备。

研究元结构的最大挑战之一是制造包含小于一微米的子特征的物体，但总的来说，子特征是其子特征的数千倍。在实验中，科学家们发现他们的新技术可以制造一个大约1立方毫米大小的网格，由超过680万个细胞组成，子特征小至000纳米。

审核编辑 ：李倩