研究人員通過3D打印技術(shù)優(yōu)化光學(xué)活性納米結(jié)構(gòu)

南極熊導(dǎo)讀：過去的20年里，人們已經(jīng)有能力使用納米粒子修改表面，使其能夠以所需的方式聚光或操縱光線，以達(dá)到特定的效果或觸發(fā)其他反應(yīng)。這種光學(xué)活性的納米結(jié)構(gòu)可以在太陽能電池、生物或化學(xué)傳感器等領(lǐng)域找到應(yīng)用。

△使用納米3D打印技術(shù)幾乎可以生產(chǎn)任何形狀。這個(gè)球由單獨(dú)的納米結(jié)構(gòu)組成

2024年1月18日，南極熊獲悉，為了擴(kuò)大納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，格拉茨理工大學(xué)的電子顯微鏡和納米分析研究所，以及格拉茨電子顯微鏡中心的研究人員，在過去十多年中不僅致力于制造平面納米結(jié)構(gòu)，還至于于制造復(fù)雜且獨(dú)立的三維結(jié)構(gòu)。

由Harald Plank、Verena Reisecker和David Kuhness領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)取得了兩項(xiàng)重要突破�，F(xiàn)在他們能夠提前精確模擬納米結(jié)構(gòu)所需的形狀和尺寸，以實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)特性，然后可以進(jìn)行精確的生產(chǎn)。該團(tuán)隊(duì)還成功地完全去除了初始生產(chǎn)過程中可能摻入的化學(xué)雜質(zhì)，而不會(huì)對(duì)3D納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。

這些創(chuàng)新為專業(yè)的3D打印領(lǐng)域提供了新的可能性，使其更加具備精準(zhǔn)制備復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)的能力。

△研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》雜志上，題目為“通過高精度納米3D打印技術(shù)調(diào)諧三維納米結(jié)構(gòu)中的質(zhì)子活動(dòng)光譜”

優(yōu)化過程涉及幾個(gè)關(guān)鍵因素

●材料選擇：選擇正確的材料對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)性能至關(guān)重要。研究人員對(duì)各種材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，包括聚合物、金屬和半導(dǎo)體，以找到最適合其特定應(yīng)用的材料。
●打印參數(shù)：控制層厚度、打印速度和溫度等打印參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)精確納米結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。研究人員開發(fā)了先進(jìn)的算法來優(yōu)化這些參數(shù)并確保高質(zhì)量的打印。
●后處理技術(shù)：打印后，可能需要額外的后處理步驟以進(jìn)一步增強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能�？梢圆捎猛嘶�、表面處理和化學(xué)改性等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)所需的光學(xué)性能。

△聚焦電子束誘導(dǎo)沉積 (FEBID)，它是一種新興且成熟的3D納米打印技術(shù)，能夠生產(chǎn)特征尺寸小至10 nm以下的復(fù)雜金屬3D打印納米結(jié)構(gòu)。該方法依賴于通過聚焦電子束對(duì)表面吸附的有機(jī)金屬分子進(jìn)行局部解離和固定

該研究成果將省略試錯(cuò)過程

Plank解釋道:“到目前為止，三維納米結(jié)構(gòu)需要經(jīng)歷耗時(shí)的試錯(cuò)過程，直到產(chǎn)品顯示出所需的光學(xué)特性。這個(gè)困難終于被消除了。各種納米結(jié)構(gòu)的模擬和真實(shí)等離子體共振之間的一致性非常高。這是向前邁出的一大步。過去幾年的努力終于得到了回報(bào)�！�

該技術(shù)是目前世界上唯一一種可用于在幾乎任何表面上，以受控的單步過程生產(chǎn)復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)（其單個(gè)特征小于10納米）的技術(shù)。相比之下，最小的病毒大小約為20納米。

Plank解釋說：“近年來最大的挑戰(zhàn)是將3D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到高純度材料中而不破壞形態(tài)。得益于3D技術(shù)的發(fā)展，給我們帶來了新的光學(xué)效果和應(yīng)用概念。尺寸在納米范圍內(nèi)的納米探針或光鑷現(xiàn)在已觸手可及。

△3D結(jié)構(gòu)的制造和表征

精確控制的電子束

研究人員使用聚焦電子束誘導(dǎo)沉積來制造納米結(jié)構(gòu)。相關(guān)表面在真空條件下暴露于特殊氣體中。通過精細(xì)聚焦的電子束，分裂氣體分子，其中部分氣體分子轉(zhuǎn)變成固態(tài)并粘附到所需的位置。

Plank補(bǔ)充道：“通過精確控制光束運(yùn)動(dòng)和曝光時(shí)間，我們能夠一步生成具有晶格或片狀構(gòu)件的復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)。通過將這些納米體積堆疊在一起，最終可以構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)�！�

總的來說，該項(xiàng)目在3D打印創(chuàng)建光學(xué)活性納米結(jié)構(gòu)方面取得了重大突破。通過加強(qiáng)對(duì)打印過程的控制，研究人員現(xiàn)在能夠制造具有定制光學(xué)特性的納米結(jié)構(gòu)。這為從光子學(xué)到生物醫(yī)學(xué)的各種應(yīng)用提供了令人興奮的機(jī)會(huì)。隨著該領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們可以期待未來取得更為顯著的進(jìn)步。