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佐治亞理工學(xué)院開發(fā)出納米3D打印技術(shù)

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責(zé)任編輯：傳說的落葉時(shí)間：2019-07-30 09:21

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[導(dǎo)讀]佐治亞理工學(xué)院采用超音速氣體噴射技術(shù)開發(fā)出納米3D打印技術(shù)

佐治亞理工學(xué)院的研究人員利用聚焦電子束開發(fā)了一種更快速的納米3D打印方法。發(fā)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(shù)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱力學(xué)現(xiàn)象以及3D納米加工的新應(yīng)用。

聚焦電子束誘導(dǎo)沉積

聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（FEBID）是3D納米加工的直接寫入方法。一束高能電子和一股熱激發(fā)前體氣體聚焦在基板上的同一點(diǎn)上。當(dāng)電子束撞擊基板時(shí)，發(fā)生前體分子的沉積。通過精確控制可以以這種方式制造復(fù)雜的納米3D結(jié)構(gòu)。除了高沉積精度外，F(xiàn)EBID還具有很大的沉積形狀和成分自由度。

FEBID過程的例證。編號圖顯示注入（1）前體氣體顆粒擴(kuò)散（2）和釋放物質(zhì)（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(jié)構(gòu)為監(jiān)測，計(jì)算機(jī)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(yīng)用的3D納米加工方法。賓夕法尼亞州立大學(xué)通過雙光子聚合生產(chǎn)LED，新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)通過多光子光刻技術(shù)開發(fā)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(chǎn)時(shí)間長，這限制了納米器件的大批量生產(chǎn)。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(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種直徑為幾微米的微毛細(xì)管注射器。進(jìn)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(fā)。在這種激活狀態(tài)下，來自光束的電子之間的化學(xué)鍵更容易破裂。結(jié)果，納米3D打印過程加快了。

“所有這些擴(kuò)增，包括分子轉(zhuǎn)運(yùn)和反應(yīng)速率，都是指數(shù)級的，”佐治亞理工學(xué)院George W. Woodruff機(jī)械工程學(xué)院教授Andrei Fedorov解釋道。

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

非平衡吸附狀態(tài)下的快速三維納米加工

掌握了這項(xiàng)技術(shù)后，研究人員希望了解潛在的物理現(xiàn)象。開發(fā)關(guān)于這種3D納米加工技術(shù)的理論將有助于將其擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如定向自組裝，外延生長和其他領(lǐng)域。

在不干擾其熱力學(xué)狀態(tài)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(tuán)隊(duì)開發(fā)了納米級溫度計(jì)模型，以預(yù)測吸收有效溫度和表面溫度，以響應(yīng)超音速微噴氣體撞擊。

非平衡吸附態(tài)和快速3D納米加工。圖片來自佐治亞理工學(xué)院。

該模型發(fā)現(xiàn)了表面吸附分子中自由基熱不平衡的新狀態(tài)。這種獨(dú)特的熱狀態(tài)允許激發(fā)的吸附原子快速表面擴(kuò)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的能力允許控制表面擴(kuò)散速率。這使得能夠依賴于前體分子的表面擴(kuò)散的全部納米級添加劑制造工藝。

超聲速噴射三維納米加工的應(yīng)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(yīng)用。 “如果你能適應(yīng)增材直接寫入技術(shù)，這可能會(huì)為磁存儲(chǔ)器，超導(dǎo)材料，量子器件，3D電子電路以及更多東西帶來許多獨(dú)特的功能，”Fedorov說。 “目前使用傳統(tǒng)方法很難制造出這些結(jié)構(gòu)。”

加熱的毛細(xì)管微噴嘴安裝在FEBID系統(tǒng)的沉積階段，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(xué)院。

在未來的工作中，研究人員計(jì)劃使用含有高能惰性氣體和前體氣體的混合式噴氣機(jī)。除了3D納米加工的顯著加速之外，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(xiàn)有納米制造技術(shù)范圍的相和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的納米結(jié)構(gòu)。

“非平衡原子熱態(tài)可以實(shí)現(xiàn)快速增材納米制造。”在線發(fā)表在物理化學(xué)化學(xué)物理期刊上。它由Matthew R. Henry，Songkil Kim和Andrei G. Fedorov共同撰寫。

編譯自:3dprintingindustry

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