“一滴水里观沧海，一粒沙中看世界”已然成为集成电路的真实写照，厘米见方的二维平面上集成数以亿万计的晶体管，堪称人类科技史上的奇迹。光刻技术制造的晶体管尺寸受到图案化限制，而图案的最小尺寸由光源波长决定。虽然极紫外光刻 (EUV) 技术使得摩尔定律在7纳米节点以下仍能延续，但小型化的步伐已放缓。相较于传统微纳制造技术难以兼顾丰富的材料选择和复杂三维构型，“法拉第3D打印”巧妙利用“电力线画笔”，能够实现金属三维纳米结构的高精度和高通量的制造，最小特征尺寸可至原子尺度，有望成为微纳制造领域的新变革者，助力更高性能的逻辑和存储芯片发展。
近日，上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组成功自主研制了金属阵列化3D纳米结构的增材制造设备，通过电场/流场协同耦合实现了多材料、高精度和高通量的金属3D纳米结构阵列的快速打印。相关研究成果发表于Nature Communications，不仅受 “Behind the paper”栏目之邀分享了该工作背后的故事，还被Nature Communications编辑推荐，入选了编辑亮点栏目（Editors' Highlights）。据悉，该栏目旨在展示最近在某个领域发表的最佳50篇论文。
图1：耦合场调控的3D打印的原理及其高精度、多材料的打印能力。（a）流场/电场耦合示意；（b-e）通过空间电场预设打印结构几何形状；（f,g）通过耦合场筛选的纳米粒子；（h）FIB证明结构内部紧实；（i）高纵横比（=15）“三足鼎立”的结构；（j-l）最小特征尺寸为25 nm的Pt结构和14 nm宽的Au纳米线；（m-o）多材料（Pt、Ag、Au 和 Pd）打印。
该自主研制的新型3D纳米打印机（授权发明专利1项，已申请6项发明专利），通过操纵施加的电场和流场，成功创制了多种材料的金属三维复杂结构阵列，仅需20分钟便可快速打印多达6400万个纳米结构，而传统的微纳尺度金属3D打印技术，依赖于实物喷嘴或电子/离子束/激光，逐次打印单个结构，无法兼顾纳米级精度和大规模的加工。该打印机的特别之处在于将筛选的纳米颗粒实现原位打印并将其通过“电力线画笔”构筑复杂/多样的金属3D纳米结构阵列。其中，双层流包括富含纳米颗粒的顶层（即气溶胶流）和无纳米颗粒的高纯惰性气体层的双层流场，与电场产生耦合（图1a），从气溶胶中筛选出特定尺寸的颗粒（小于5 nm），并将其原位打印。采用的高纯载气确保了打印结构的纯度，无需后处理工艺便可保持纳米结构的金属性。对流场和电场耦合调控可进一步筛选更小的粒子用于原位打印，实验已实现了线宽为14nm的金属打印（图1k，l）。
图2：纳米结构的周期阵列，证实了大阵列结构的多样性、规整性和一致性，比例尺5 μm。
图3：多种材料和复杂三维构型的纳米结构，展示了材料选择和几何构型控制上的灵活度；（i，j）调换顺序利用多种材料打印相似结构；（l-p）利用不同材料打印相似结构；展示了该技术在多材料打印以及可重复性等方面的能力；比例尺为1 μm。
漂浮于气体中的粒子在电场中的迁移只受电荷数和尺寸两个参数影响，不管材料种类只要控制这两个参数就可实现任意材料打印，比如金属、合金、半导体和绝缘体等。其他能微尺度打印的技术受限于材料种类，只能打印一种或几种材料，比如喷墨直写受材料流变动力学和粘度等影响；光固化手段严格依赖于光敏材料；电子束/离子束需特定前驱体等。通过引入双层流场并与电场耦合消除了材料种类对于打印的影响，主要是因为筛选后的特定的带电纳米颗粒在电场中的迁移与材料无关，简单来说只要满足颗粒带电和预设的电场构型即可对任意材料进行“电力线画笔的描绘”，本工作中也展示了利用多种材料（单金属的Pt、Au、Ag、Pd，双元合金Ni-Ti和Au-Ag，以及高熵合金Ni-Cr-Co-Mo-Ag）构筑复杂三维结构阵列的独特能力（图2，3），证明了该技术的通用性、稳定性与一致性。该技术兼顾纳米级精度和多材料的打印能力，且能与二维的精密化相互补充，有望助力采用多种材料的尖端逻辑半导体晶体管和倒装芯片的发展。
图4：3D打印的纳米结构的光学性能。（a-f）三只和四只“芭蕾脚”结构及其红外反射光谱，数字标记了吸收峰的差异；（g-j）界面电场强度和表面电荷密度分布，揭示了偶极模式特征；（k）纳米结构的EELS测试结果：橙色和蓝色斑点显示了结构特征导致的不同信号峰；（l-o）角分辨光谱，显示了3D纳米结构对于入射光的角度敏感性。
本研究中自研的新型3D纳米打印机克服了传统纳米制造技术遇到的材料、尺寸和效率等限制，具有巨大的灵活度和通用性，使得通过调整材料、几何构型、特征尺寸和阵列周期来定制化打印纳米结构并调控其光/电特性成为可能，为纳米尺度上操纵光/电与物质相互作用提供了有力的研究工具。如将这一方法扩展到其他材料的体系，有望带来纳米电子学、纳米光子学和传感器等领域的新突破。
上海科技大学物质学院2022级博士研究生刘柄言为本文第一作者，冯继成教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。
论文标题：Metal 3D nanoprinting with coupled fields
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3
Behind the paper栏目分享：https://materialscommunity.springernature.com/posts/beyond-nanolithography-a-3d-printing-paradigm-shift
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