Nature子刊！小型台式无掩膜直写光刻系统图案化基底制备

论文题目：Metal 3D nanoprinting with coupled fields
发表期刊：Nature Communications IF: 17.69
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3

       3D纳米金属结构阵列在纳米光学，纳米电学等领域有着非常巨大的研究价值。由于纳米金属结构阵列的每一个单元的结构尺寸都为纳米级，结构尺寸小于入射光光源的波长，因此能够对光和物质间的相互作用进行更深入的研究。传统的纳米金属结构制造方法主要依赖于光刻技术，该技术在选择可加工材料方面比较受限，结构的制备周期较长，同时仅能制备平面图案和结构。

       近日，上海科技大学课题组通过将流场与电场进行耦合，实现了在纳米尺度上的金属结构3D打印。通过调整电场和流场，可实现不同几何构型的纳米金属结构的制备。该方法可在20分钟内在4 X 4 mm2的范围内制备3D纳米金属结构阵列，其制备的Z细金属结构线宽仅为14 nm。此外，课题组通过调节打印时的原材料，实现了从单一3D纳米金属结构打印，到合金3D纳米金属结构制备。该工作以Metal 3D nanoprinting with coupled fields为题，发表于Nature Communications上。

       本文中，不同间距的图案化结构样品是由小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备而成，该设备的结构小巧紧凑(70 cm x 70 cm x 70 cm)、无需掩膜版、高直写速度以及高分辨率等特点，为本实验3D纳米金属结构的制备做出了关键的方案支撑。

小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3

图1. 3D金属纳米打印过程中电场与流场的耦合。（a）在制备3D金属纳米结构过程中，流场与电场间的耦合示意图。（b）电场和流场耦合后电场分布模拟结果。（c）电场和流场耦合模拟的放大图。（d）和（e）3D金属纳米结构打印的SEM结果。（f）金纳米颗粒的粒径分布图。图中灰色部分代表了五次测量结果的误差分布情况。（g）金纳米颗粒随着电场和流场的粒径分布变换结果。（h）制备的纳米结构在FIB加工前后的SEM结果。（i）可制备弯曲角度为105°的纳米结构。（j）可制备宽度为25 nm的结构。（k-l）宽度为14 nm的金线结构。（n-m）制备符合金属纳米结构。（o）为能谱分析。


图2. 不同电压下的电场分布图。（a）利用光刻胶获得局部电场的示意图。（b）通过SEM表征，所制备出的纳米结构显示出镜面对称性。（c）电压缓冲区高度与绝缘区域间距的关系。（d）不同绝缘间距条件下，不同电压所产生的电压缓冲区域高度。（e-i）电压为400V，500V，600V，700V和800V条件下的3D打印纳米结构。图中比例尺为5 μm。


图3. 通过耦合场3D打印的方式利用不同金属材料制备周期性纳米结构的SEM表征结果。图中所有比例尺为5 μm。


图4. 3D纳米结构的能谱分析。图中的比例尺均为1 μm。


图5. 通过耦合场的方法制备混合3D结构的SEM成像和能谱分析结果。图中的比例尺为1 μm。

【结论】

       上海科技大学课题组，通过流场与电场耦合的方式实现了在纳米尺度上对金属纳米结构的3D打印。通过调节电场电压，实现了不同几何构型的3D纳米金属结构的打印。从文中可以看到，除了调节电场电压外，作者为了获得不同的3D纳米金属结构，还使用了MicroWriter ML3小型台式无掩膜直写光刻系统在硅基底上制备了不同间距的图案化结构，从而获得不同几何形状的3D纳米金属结构。从论文中不难看出，MicroWriter ML3小型台式无掩膜直写光刻系统可以根据科研的实际需要，迅速地制备出相关微纳结构，保证了实验的顺利进行，为通过耦合场的方式打印3D纳米金属结构的研究提供了坚实有力的支持。