3D打印已經徹底改變了電子、光學、能源、機器人、生物工程和傳(chuan) 感等領域的製造工藝。降尺度的3D打印技術，將使利用微結構和納米結構特性的應用成為(wei) 可能。然而，現有的金屬3D納米打印技術，需要聚合物-金屬混合物、金屬鹽或流變性油墨，從(cong) 而限製了材料的選擇和最終結構的純度。盡管此前氣溶膠光刻技術已被用於(yu) 在預先圖案化的襯底上，組裝高純度3D金屬納米結構陣列，但其幾何形狀有限。

　　在此，來自韓國浦項科技大學的Junsuk Rho和韓國國立首爾大學的Mansoo Choi等研究者，介紹了一種可使用各種材料直接3D打印金屬納米結構陣列的技術，這種金屬納米結構具有靈活的幾何形狀和可達數百納米的特征尺寸。相關(guan) 論文以題為(wei) “Three-dimensional nanoprinting via charged aerosol jets”發表在Nature上。

　　論文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41586-021-03353-1

　　首先，研究者解釋了帶電的氣溶膠噴射是如何集中的？由火花放電產(chan) 生的帶電氣溶膠和離子，同時注入靜電室，在靜電室中帶有孔陣列的介質掩模與(yu) 偏置矽襯底分離(圖1a)。掩模與(yu) 基板的分離是至關(guan) 重要的，因為(wei) 它可以使基板自由移動而不接觸正在生長的納米結構，也因為(wei) 它允許掩模上的孔與(yu) 正在生長的結構尖端之間的相對距離改變，因而能夠控製匯聚電場線的形狀，最終打印出所需的3D納米結構。

　　固定掩模下的襯底的運動，由一個(ge) 3D納米級控製。通過對襯底施加一個(ge) 負電位，正的氣溶膠和離子被吸引到掩膜上。高流動性的陽離子，首先到達麵罩表麵，然後是帶電的氣溶膠。離子積累可以防止納米顆粒沉積在掩膜上，並在每個(ge) 孔周圍形成一個(ge) 靜電透鏡。這種透鏡聚焦帶正電的氣溶膠，而不會(hui) 造成在使用模板光刻時發生的堵塞(圖1插圖)。該含孔掩模與(yu) 其他3D打印技術中的噴嘴類似，但由於(yu) 靜電聚焦，打印結構的寬度要比孔的尺寸小得多。在掩模下麵形成了一條聚合電場線(法拉第線)，它將氣溶膠射流連接到不斷增長的3D結構的頂端(圖1a，插圖)。可以通過把納米級轉換成三維，來操縱生長結構。

　　圖1 三維納米管的原理圖和表征。

　　本文中，研究者的打印過程發生在幹燥的氣氛，不需要聚合物或油墨。相反，離子和帶電荷的氣溶膠粒子，被引導到一個(ge) 包含一組空穴的介電掩膜上，這些空穴漂浮在偏置矽襯底上。這些離子聚集在每個(ge) 洞周圍，產(chan) 生靜電透鏡，將帶電的氣溶膠粒子聚焦成納米級噴射。這些射流由在含孔掩模下形成的聚合電場線引導，其作用類似於(yu) 傳(chuan) 統3D打印機的噴嘴，使氣溶膠顆粒能夠3D打印到矽基板上。通過在打印過程中移動襯底，研究者成功地打印出了各種3D結構，包括螺旋、懸垂的納米管、圓環和字母。此外，為(wei) 了展示研究者技術的潛在應用，研究者打印了一組垂直裂環諧振器結構。

　　圖2 打印尖端定向生長模式和懸垂納米管的SEM圖像。

　　圖3 螺旋結構的掃描電鏡圖像和模型預測。

　　圖4 表麵書(shu) 寫(xie) 模式的打印與(yu) 三維等離子體(ti) 超材料的光學表征。

　　綜上所述，研究者介紹了一種使用帶電氣溶膠為(wei) 基礎的3D納米打印技術。這種完全幹燥的技術，不涉及聚合物或油墨，使用自一致的電場線，作為(wei) 在大氣條件下的繪圖工具。這兩(liang) 種打印模式——尖端定向的3D生長和表麵書(shu) 寫(xie) ——有助於(yu) 打印各種結構，包括螺旋、懸挑的納米管、環形結構和字母等。通過兩(liang) 種模式的結合，研究者成功地製備了具有磁共振功能的垂直SRR結構。此外，研究者還建立了一個(ge) 與(yu) 實驗數據相一致的現象學模型。與(yu) 其他3D打印方法相結合，研究者希望3D-納米打印技術，能在納米製造方麵帶來實質性進展。