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新技術:超音速氣體噴射納米3D打印

2019/7/30 10:23:37 來源:網絡

2019年7月29日,南極熊從外媒獲悉,佐治亞理工學院的研究人員利用聚焦電子束開發了一種更快速的納米3D打印方法。他們發明了一種微小的高能超音速氣體射流,以加速前體材料的沉積。該技術可以發掘出熱力學現象以及3D納米加工的新應用。

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聚焦電子束誘導沉積(FEBID)是3D納米加工的直接方法。一束高能電子和一股熱激發前體氣體聚焦在基板上的同一點上。當電子束撞擊基板時,材料分子就會沉積。通過精確控制,這種方式可以制造復雜的納米3D結構。除了高沉積精度外,FEBID技術還可以打印大尺寸,并支持廣泛的材料。

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FEBID過程的例證。圖顯示注入(1)前體氣體顆粒擴散(2)和釋放物質(3)形成受控表面和金屬連接原子(4)。圖片來自Beilstein J Nanotechnol。2012; 3:597-619。


納米級3D結構為監測、計算機處理和能源研究提供了新方法。除了FEBID之外,還有其他具有功能應用的3D納米加工方法。賓夕法尼亞州立大學通過雙光子聚合生產LED,新加坡科技與設計大學通過多光子光刻技術開發出一種防偽裝置。

利用超音速噴射加速納米3D打印

FEBID的主要限制是其生產時間長,因而限制了納米器件的大批量生產。為了克服這一障礙,研究人員尋找一種能夠在不增加基板溫度的情況下提高沉積速度的方法。

為了激活前體分子,該團隊發明了一種直徑為幾微米的微毛細管注射器。進入沉積真空室,噴射器引入微小的氣體分子射流,加速到超音速。吸附在基板上的前體分子被來自超音速射流的能量激發。在這種激活狀態下,來自光束的電子之間的化學鍵更容易破裂。結果,納米3D打印過程加快了。

“所有這些加快速度,包括分子運動和反應速率,都是指數級的提高,”佐治亞理工學院George W. Woodruff機械工程學院教授Andrei Fedorov解釋道。

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超聲速氣體射流在真空中膨脹并撞擊到基板上,導致從激發的吸附前體加速材料沉積。圖片來自佐治亞理工學院。


非平衡吸附狀態下的快速三維納米加工

掌握了這項技術后,研究人員希望了解潛在的物理現象。開發關于這種3D納米加工技術的理論將有助于將其擴展到其他領域,如定向自組裝,外延生長和其他領域。

在不干擾其熱力學狀態的情況下,不能直接測量吸附原子(吸附原子的簡稱)溫度。因此,該團隊開發了納米級溫度計模型,以預測吸收有效溫度和表面溫度,以控制超音速微噴氣體撞擊。

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非平衡吸附態和快速3D納米加工。圖片來自佐治亞理工學院。


該模型發現了表面吸附分子中自由基熱不平衡的新狀態。這種獨特的熱狀態允許激發的吸附原子快速表面擴散,因此在不改變基板表面溫度的情況下提高了生長速率。控制吸附原子有效溫度,可控制表面擴散速率。

超聲速噴射三維納米加工的應用

研究人員相信他們的理論可以為增材納米制造和新納米材料帶來新的應用。“如果你能適應增材直寫技術,這可能會為磁存儲器、超導材料、量子器件、3D電子電路以及更多東西帶來許多獨特的功能,”Fedorov說。“使用傳統方法則很難制造出這些結構。”

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加熱的毛細管微噴嘴,安裝在FEBID系統的沉積打印倉內,以及用于石墨烯互連的沉積物的電特性的測試芯片。圖片來自佐治亞理工學院。


在未來的工作中,研究人員計劃使用含有高能惰性氣體和前體氣體的混合式噴氣機。除了顯著加速3D納米加工之外,混合噴射還可以在3D打印期間精確控制材料成分。這使得能夠形成具有超出現有納米制造技術范圍的相和拓撲結構的納米結構。

“非平衡原子熱態可以實現快速增材納米制造”的論文,已經在線發表在物理化學期刊上

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/CP/C9CP01478K#!divAbstract 。它由Matthew R. Henry,Songkil Kim和Andrei G. Fedorov共同撰寫。


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