休斯頓——(2021 年 10 月 14 日)——多虧了萊斯大學的工程師，現(xiàn)在可以編織復雜的微觀水晶或玻璃圖案。
Rice 材料科學家正在使用復雜的 3D 打印機創(chuàng)建二氧化硅納米結構，展示了一種自下而上制造微型電子、機械和光子設備的方法。這些產品可以被摻雜，并且它們的晶體結構可以針對各種應用進行調整。
由喬治 R.布朗工程學院材料科學和納米工程教授Jun Lou領導的這項研究發(fā)表在Nature Materials 上。
電子工業(yè)建立在硅上，幾十年來一直是微處理器的基本半導體基板。Rice 的研究通過徹底改變流程來解決自上而下制造的局限性。
“用傳統(tǒng)的光刻技術制作復雜的 3D 幾何形狀非常困難，”Lou 說。“它也不是很‘綠色’，因為它需要大量的化學品和很多步驟。即使付出了這么多努力，一些結構也無法用這些方法制造出來。
“原則上，我們可以打印任意 3D 形狀，這對于制造奇特的光子設備可能非常有趣，”他說。“這就是我們試圖證明的。”
該實驗室使用雙光子聚合工藝打印線寬僅幾百納米的結構，小于光的波長。激光通過促使墨水吸收兩個光子來“書寫”線條，從而引發(fā)材料的自由基聚合。
“正常聚合涉及聚合物單體和光引發(fā)劑，這些分子會吸收光并產生自由基，”萊斯大學研究生和共同主要作者張博宇說，該過程通常在 3D 打印、固化涂層和牙科應用中使用紫外線。
“在我們的過程中，光引發(fā)劑同時吸收兩個光子，這需要大量能量，”他說。“只有這種能量的一個非常小的峰值會導致聚合，而且只有在一個非常小的空間內。這就是為什么這個過程使我們能夠超越光的衍射極限。”
印刷過程需要萊斯實驗室開發(fā)一種獨特的墨水。張和共同主要作者謝文文，萊斯大學的校友，創(chuàng)造了含有二氧化硅納米球的樹脂，其中摻雜了聚乙二醇，使其可溶解。
印刷后，結構通過高溫燒結固化，從而消除產品中的所有聚合物，留下無定形玻璃或多晶方英石。“加熱時，材料會經歷從玻璃到晶體的階段，溫度越高，晶體變得越有序，”婁說。
該實驗室還展示了用各種稀土鹽摻雜材料，使產品發(fā)光，這是光學應用的重要特性。實驗室的下一個目標是改進工藝以達到亞 10 納米的分辨率。
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