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【研究进展】纳米级飞秒投影双光子光刻3D打印技术

12月16日 12:00 分享到:

香港中文大学和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室等科研机构的研究人员开发了一种新的纳米级3D打印技术——飞秒投影双光子光刻(FP-TPL),该技术能够在不牺牲分辨率的情况下实现微小结构的高速制造,与已有的双光子光刻(TPL)技术相比,新技术比以前任何方法的打印速度快一千倍。

研究团队多年来一直致力于提升双光子光刻纳米级3D打印技术的打印速度,高速3D打印技术FP-TPL的成功开发,来自于一种不同的聚焦光的方法,即利用时域特性生产出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。飞秒激光的使用使研究小组能够保持足够的光强度,以触发双光子过程聚合,同时保持较小的点尺寸。在FP-TPL技术中,飞秒脉冲经过光学系统时会被拉伸和压缩,以实现时间聚焦。该过程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征。

在新纳米3D打印技术FP-TPL的研究中,研究人员没有同时使用多个单光点,而是投影了100万个点,3D构建过程是通过整个投影光平面实现的,而不是通过扫描的单个点来创建的。也就是说,在打印过程中FP-TPL技术不是通过聚焦一个点进行打印对象构建的,而是拥有一个可以被图案化为任意结构的整个聚焦平面来实现的。

FP-TPL技术能够在8分钟内打印出过去需要花费数小时才能够完成打印的结构。尽管速度得到了显著提升,但FP-TPL技术在实现高速3D打印与保证分辨率之间做了更好的平衡。以往的3D打印技术在打印速度高的情况下,分辨率会受到影响,FP-TPL 3D打印技术的特点是,打印速度得到了显著提升,同时能够实现的深度分辨率达175 nm,优于现有技术,并且能够实现现有技术难以实现的90度悬垂的结构。

这一技术与消费级3D打印技术不同的是,FP-TPL技术深入到了液体前驱体材料中,可以制造出仅靠表面加工无法生产的结构,例如具有90度的悬垂结构,该结构长宽比与特征尺寸的长宽比超过1000:1。在FP-TPL3D打印过程中,光可以被投射到材料中所需的任何深度。

在实验过程中,研究人员在小于100微米×100微米的基底中打印了1毫米长的悬垂结构,由于液体和固体的密度大约相同,打印速度快,悬垂结构在制造时没有塌陷。除了悬垂结构,研究人员还打印了微柱、长方体、线和螺旋等结构对FP-TPL技术进行验证。打印材料为常规的聚合物前驱体,但研究人员认为该技术也适用于制造前驱体聚合物生成的金属和陶瓷。

研究人员表示,FP-TPL技术的潜在应用是,进行微小零部件的规模化生产,例如生产智能手机中的组件,以及生物支架、柔性电子器件、电化学界面、微光学元件、机械和光学超材料以及其他功能性微结构和纳米结构的部件。

相关研究工作发表在Science