研究背景

金属、合金和金属化合物因其卓越的机械性能、导电性、半导体性和压电性，在现代材料科学中扮演着关键角色。随着它们在芯片、微纳机器人和超材料等领域的应用日益增多，对制造技术提出了更高的要求，包括分辨率更高、结构更复杂以及打印速度更快。然而，传统的纳米制造方法主要依赖于光刻技术，受限于材料选择、分辨率限制和缓慢的逐层处理方式，且通常仅限于平面几何形状。

尽管平面光刻技术可以实现二维堆叠图案的纳米级分辨率，但它在复杂的3D结构方面存在不足。聚焦离子或电子束诱导的沉积虽然能实现纳米级精度，但其极低的吞吐量和有限的材料选择限制了其工业化规模应用的潜力。一些新兴的无机材料3D打印技术，如直接墨水书写，虽能提供了广泛的材料选择和较快的处理速度，但严格的流变要求限制了更高的精度和材料负载。激光诱导正向转移虽然能够打印高纯度金属，但在打印复杂3D结构时面临着相当大的挑战。对于同时进行高精度和高纯度金属印刷，电化学是一种有效方法。使用细针或喷嘴的局部电化学沉积能够在极小区域内实现精确控制，从而实现高分辨率的金属印刷。电流体动力学氧化还原打印方法虽然能够以亚微米分辨率打印多金属3D结构，但在制造复杂3D结构和非金属材料方面仍存在挑战。因此，迫切需要开发一种专门为金属、合金和金属化合物设计的高分辨率3D打印技术。

研究成果

近日，武汉大学Gary J. Cheng团队报道了一种使用双光子分解和光学力捕获的无聚合物3D打印技术，用于金属、金属氧化物和多金属合金的直接自由空间打印，分辨率超越了光学极限。这种方法涉及前体金属原子的双光子分解，通过光学力和超快激光烧结快速组装成纳米簇，产生致密、光滑的纳米结构。激光诱导的局域表面等离子体共振增强的近场光学力促进了纳米簇的聚集。这种方法消除了对有机材料、逐层打印和复杂后处理的需求。印刷的钼纳米线显示出优异的机械性能，与单晶行为非常相似，而钼钴钨合金纳米线的性能更是超越了钼纳米线。这项创新有望实现高质量金属和金属氧化物的可定制3D纳米打印，对纳米电子学、纳米机器人和先进芯片制造等领域产生深远的影响。相关研究工作以“Free-space direct nanoscale 3D printing of metals and alloys enabled by two-photon decomposition and ultrafast optical trapping”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。

图文速递

图1. 3D纳米打印工艺和结构的工艺方案、机理、模拟和演示

图2. 印刷金属、合金和金属氧化物的表征

图3. 线性和弯曲的3D纳米结构

图4. 钴晶格、钼纳米线和合金纳米线的原位力学测试

结论与展望

总之，这项研究在激光增材制造领域取得了突破，尤其在金属和合金纳米级3D打印的长期挑战中。研究者开发了一种基于TPD的无聚合物方法，实现了高密度金属、金属氧化物和多金属合金的自由空间直接3D打印，具有100nm的分辨率和可定制的材料特性。该技术利用超快激光照射下前体化合物的同步TPD，然后在光学力和超快激光烧结的驱动下快速组装纳米晶体，通过调整激光参数来精确控制晶粒形态和尺寸。此外，通过激光诱导LSPR增强光学力可以使纳米晶体聚集，从而形成更致密、更光滑的纳米结构，并创建复杂的3D设计。数值模拟揭示了这一过程中控制纳米粒子组装的物理过程，突出了LSPR诱导的光学力的关键作用。这种方法消除了对有机材料和复杂后处理的需求，超越了光学衍射极限，并对材料性能提供了极好的控制。机械评估显示，打印出的纳米线具有出色的性能。Mo纳米线表现出优异的抗压和抗拉强度，而合金纳米线则显示出更好的抗拉强度，突出了通过成分调整实现结构控制的便利性。总的来说，这项技术在纳米电子学、纳米机器人和芯片制造等领域具有巨大的应用前景，标志着实现这些领域的技术革命迈出了显著的一步。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01984-z