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“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着数以亿万计的晶体管，堪称人类科技史上的奇迹。光刻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，极紫外光刻 (EUV) 使得摩尔定律在7 纳米节点之后得以延续。但小型化的步伐已放缓，摩尔定律如何继续向前发展？新设计开启了第三维度（垂直）集成助力更高性能的逻辑和存储芯片发展；相较于平面光刻工艺，“法拉第3D打印”则巧妙利用“电力线画笔”实现了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。 近日，上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组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。相关研究成果以题为Metal 3D nanoprinting with coupled fields发表于Nature Communications上。 原文链接： https:///10.1038/s41467-023-40577-3
金属3D纳米结构由于独特的光/电性质，其阵列化的制造对于微电子和微纳光学等领域有重大的促进意义，然而受到现有光刻方法的限制，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。
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。 在这项工作中，冯继成课题组自主研制的新型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64 000 000个纳米结构。具体的，通过双层流场构型（图1a），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，与电场的耦合从气溶胶中筛选出特定尺寸的颗粒（小于5 nm），并将其原位打印成复杂的纳米结构阵列。所使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。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，从而逼近打印的极限尺度，该工作中已实现了线宽为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;比例尺为1 μm。 特定尺寸的带电粒子在电场中的定向迁移与材料无关，通过精准筛选特定颗粒尺寸即可消除材料种类的影响，也就是可打印任意材料，该工作也展示了多种材料（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。多种材料的轮番切换并获得了相似的三维构型（图2，3，4），证明了该打印技术的通用性、稳定性与一致性。
图4：多材料打印的纳米结构。（a，b）调换顺序利用多种材料打印相似结构;（c-h）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。
图5：3D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。 该新型3D纳米打印机筛选特定尺寸的纳米颗粒并进行原位打印，克服了传统纳米制造技术遇到的材料、尺寸和效率等限制。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，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。将这一概念扩展到其他材料的体系，有望在纳米电子学、纳米光子学和传感器等领域的带来新突破。 未来，冯继成课题组将继续开发和优化此高精度和高通量的3D纳米打印系统，高效凝练“conceive-conduct-analyze”的实验循环，做好“lab to fab”挑战的准备，希望在未来能实现转移转化，以期将该打印机集成到半导体装配线中，从而加速晶圆级纳米特征尺寸的微凸块和互联的一次性打印，为极紫外（EUV）光刻提供现实的替代方案。 点击AIL课题组主页了解更多：www.jcfenglab.com。扫描二维码获取更多关于AIL的科研进展和招贤纳才的相关信息 相关外文推送： https://materialscommunity./posts/beyond-nanolithography-a-3d-printing-paradigm-shift
*感谢论文作者团队对本文的大力支持 |
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