上科大纳米尺度3D打印8大方法论述：未来纳米器件的“构筑之手”

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作者：复纳科技

产品： VSP-A, VSP-G1, VSP-P1

关键词：纳米3D打印，纳米器件，火花烧蚀

日期：2025-04-28

发表文章：Nanoscale 3D Printing for Empowering Future Nanodevices

作者：上海科技大学冯继成课题组

发表期刊：Advanced Materials Technologies

原文链接：DOI ：10.1002/admt.202500083

01 研究背景

3D 打印技术在宏观尺度的航空航天、军事、化工、生物医学等领域已有广泛应用，被认为是推动第四次工业革命的关键技术之一。传统制造技术如激光或电子束熔化和固化粉末形成材料，而近年来，研究人员致力于将这些宏观级打印技术缩小到纳米尺度以实现纳米制造。纳米尺度 3D 打印作为一种新兴的自下而上的制造方法，与传统的自上而下的纳米光刻技术相比，具有更大的材料多样性和复杂空间几何形状制造能力，有望在纳米器件生产中发挥重要作用。

02 打印实现方式

本文综述了多种前沿的 3D 打印技术在纳米尺度材料制造中的应用，重点探讨了这些技术的关键成就、基本原理以及持续存在的技术挑战。3D 纳米打印技术主要通过空间限制材料并精确引导其在表面上沉积来实现纳米结构的制造。根据是否使用物理喷嘴，这些技术可分为物理喷嘴和虚拟喷嘴两大类。

图 1. 现有 3D 纳米打印技术概览。物理喷嘴包括：直接墨水写入、电液动力喷射、液桥控制书写、蘸笔、原子力显微镜和扫描隧道显微镜。虚拟喷嘴包括：聚焦离子 / 电子束诱导沉积、双光子聚合、通过磁场排列纳米颗粒（NPs）以及法拉第 3D 打印。

物理喷嘴

物理喷嘴包括直接墨水写入（DIW）、液桥控制书写和电液动力喷射（EHD）等技术。

直接墨水写入（DIW）依靠通过喷嘴挤出粘弹性墨水来制造复杂结构，但其最小特征尺寸通常受喷嘴内径限制。DIW 通过喷嘴挤出粘弹性墨水来构建复杂结构。其优点是操作简单、成本低、材料兼容性好。DIW 技术的分辨率通常在微米级，但通过优化喷嘴设计和墨水配方，已实现亚微米级特征尺寸的打印。DIW 技术在生物医学领域展现出巨大潜力，如制造生物支架和组织工程支架等。

液桥控制书写该技术通过控制喷嘴与基底之间的液桥配置，实现非接触式打印，避免了传统 DIW 技术中的堵塞问题。其能够打印出直径小至 25 纳米的纳米柱，适用于多种材料，包括聚合物、金属和碳基纳米材料。如在微电子领域，利用液桥控制写入技术制造出高性能的 3D 金属互连结构，显著提高了电子器件的集成度和连接效率。

电液动力喷射（EHD）打印利用电场在喷嘴尖端诱导液体流动，形成泰勒锥，当电场强度足够高时，电静力克服表面张力，喷射出细小的墨滴，可实现小于喷嘴直径的特征尺寸。该技术优势在于能够实现纳米级特征尺寸的打印，且对材料的选择范围较广。EHD 技术在制造纳米传感器和纳米天线等方面具有重要应用。

虚拟喷嘴

虚拟喷嘴包括聚焦离子 / 电子束诱导沉积（FEBID/FIBID）、双光子聚合（TPP）以及利用磁场或电场排列纳米颗粒等技术。这些技术不依赖物理喷嘴的空间限制，而是通过场引导纳米颗粒或前驱体沉积，从而实现更灵活的纳米尺度打印。

聚合（TPP）以及利用磁场或电场排列纳米颗粒等技术。这些技术不依赖物理喷嘴的空间限制，而是通过场引导纳米颗粒或前驱体沉积，从而实现更灵活的纳米尺度打印。

FEBID 利用高能电子束将气态有机前驱体转化为固体结构，可实现亚 10 纳米的精细特征尺寸，适用于多种导电和半导体材料。例如，在纳米电子学领域，FEBID 技术被用于制造高性能的纳米晶体管和量子点器件。

图 3. 使用 FEBID/FIBID 制备的结构。

TPP 利用飞秒激光引发光敏树脂的双光子吸收效应进行聚合。其能够在近红外波段实现高精度打印，最小线宽可达亚 100 纳米。TPP 技术在制造三维光子晶体和微透镜等方面具有重要应用。

图 4. 使用 TPP 打印的纳米结构

法拉第3D打印（Faraday 3D printing）：法拉第3D打印是一种创新的纳米打印技术，通过控制带电纳米颗粒在电场中的运动来实现纳米结构的打印。其能够在保持高纯度和高分辨率的同时，实现高效打印。其中 Spark ablation（火花烧蚀）采用高能常压火花放电方法产生超细带电纳米粒子，可作为法拉第3D打印的最佳颗粒发生源。

图5法拉第3D打印：气溶胶纳米粒子的原位打印。a)双层流动，其中一层携带气溶胶，另一层携带气溶胶靠近基材，将中性气溶胶颗粒从基材表面冲走。带电的NPs沿着电场线沉积到精确的位置。这种设计不仅可以防止中性颗粒随机附着在衬底或新兴结构上，还确保了器件的清洁度，同时具备选择带电粒子的尺寸的功能。通过尺寸筛选，消除了如带电粒子的运动的影响。筛选过程与颗粒的组成无关，这种原位纳米打印技术克服了材料的限制，缩小尺寸的能力有限以及效率低的问题。新型3D纳米打印机在干燥的气体环境下工作，这确保了高纯度的纳米结构，同时避免了复杂后处理和真空装备。一个关键的优势在于，这种3D打印方式可以在几分钟的时间内同时制造数百万个均匀的3D纳米结构，并且具有迄今为止最细的线宽——14nm。b)带有穿孔的SiNx层允许带电气溶胶通过并沉积在移动基板上，从而实现悬垂的制造螺旋结构。c)原位打印高熵合金 NPs成为相应的具有灵活元素组合和自由几何形状的三维纳米结构。所制备的纳米结构具有超高强度，优异的韧性和超稳定性。d)电偏三平行平面系统；中间的平面是穿孔阵列。通过控制每个平面的应用电位，实现了可编程纳米打印，根据场线守恒，也称为高斯定律。这一创新使前所未有的系统能够打破特征尺寸和间距限制，允许在单个芯片上更大的设备集成。

自组装技术：利用纳米颗粒之间的相互作用，在特定条件下实现纳米结构的自组织形成。例如，DNA 纳米技术通过 DNA 分子的碱基配对实现纳米颗粒的精确组装，构建出具有独特光学和电子性能的纳米结构

各类纳米3D打印方法

实验结果与关键结论

图7. 3D纳米打印电子器件

材料选择与性能提升

3D 纳米打印技术在材料选择上具有广泛性，能够集成多种材料于单一结构中，从而提升设计灵活性和多功能性。例如，通过 DIW 打印的金属互连、TPP 打印的量子点纳米像素等结构，展现了优异的电学、光学性能，为下一代纳米器件的发展提供了有力支持。

技术优势与应用前景

3D 纳米打印技术在制造复杂 3D 纳米结构方面展现出巨大潜力，如 FEBID 打印的复杂几何形状结构、TPP 打印的光子晶体等，这些结构在纳米电子学、纳米光子学等领域具有重要应用价值，有望推动相关技术的进一步发展。

应用方向

纳米电子学：纳米尺度 3D 打印技术在制造高性能电子器件方面展现出巨大潜力。例如，在制造纳米尺度的互连线方面，传统微电子制造技术面临挑战，而 3D 纳米打印技术能够实现高密度、高精度的互连结构，提高芯片的集成度和性能。此外，3D 纳米打印技术还可用于制造高性能的晶体管、存储器和传感器等。例如，斯坦福大学的研究团队利用纳米尺度 3D 打印技术制造出具有高迁移率和低功耗的纳米晶体管，为下一代高性能集成电路的发展提供了可能。
纳米光子学：纳米尺度 3D 打印技术在纳米光子学领域同样具有重要应用。例如，在制造微透镜方面，传统制造技术难以实现复杂曲面和高精度的透镜结构，而 3D 纳米打印技术能够精确控制透镜的形状和尺寸，提高光学性能。此外，3D 纳米打印技术还可用于制造光子晶体、超材料和纳米天线等。例如，德国弗朗霍夫应用光学和精密机械研究所的研究团队利用 3D 纳米打印技术制造出高效的光子晶体，用于光通信和光学传感领域。

图8. 3d打印等离子体纳米结构。a-c) FEBID制备的三维金纳米结构。它们的等离子体性质通过电子能量损失谱（EELS），揭示了不同入射能量下的不同等离子体共振模式。通过小心地去除打印结构中的碳杂质实现了这些特性。d)结合TPP和Ag的电镀，三维手性等离子体超材料，称为“扭曲欧米茄粒子”；用偏振光来验证手性。e) tpp打印的模板用于电化学沉积，从而制备手性金螺旋纳米结构。f)由带电气溶胶射流沉积而成的垂直分裂环谐振器（VSRRs），通过反射确认其磁共振测量和模拟。g)通过自行开发的法拉第动画着色3D打印机。在打印过程中，实时观察和测量了生长亚波长金纳米结构的动态颜色变化。通过该技术能够在纳米尺度上实时观察和控制着色，为基础研究和实践提供了新的途径应用程序。这项研究体现了纳米制造、光学和材料科学在操纵光和颜色方面的新前沿的融合。

04 纳米 3D 打印的挑战

分辨率限制

尽管纳米尺度 3D 打印技术在分辨率方面取得了显著进展，但与最先进的光刻技术相比，仍存在一定差距。例如，极紫外光刻（EUVL）能够实现亚 10 纳米的分辨率，而大多数 3D 纳米打印技术的分辨率仍停留在几十纳米到几百纳米之间。提高分辨率是纳米尺度 3D 打印技术未来发展的关键之一，需要从材料、设备和工艺等多个方面进行优化。

材料局限性

纳米尺度 3D 打印技术的材料选择相对有限，主要集中在部分聚合物、金属和半导体材料。与传统光刻技术相比，其在材料的多样性和功能性方面存在不足。例如，在生物医学领域，对于具有良好生物相容性和可降解性的材料需求日益增加，但目前 3D 纳米打印技术在这些方面的材料开发仍较为滞后。未来，需要开发更多适合纳米尺度 3D 打印的高性能材料，以满足不同应用领域的需求。

可扩展性问题

纳米尺度 3D 打印技术的可扩展性是其走向工业应用的关键瓶颈之一。目前，大多数 3D 纳米打印技术的打印速度较慢，难以满足大规模生产的需求。例如，双光子聚合（TPP）技术的打印速度通常在微米/秒级别，导致其制造效率较低。此外，设备成本高昂和操作复杂性也限制了其大规模应用。未来，需要通过技术创新和工艺优化，提高纳米尺度3D 打印技术的可扩展性，降低制造成本，推动其在工业领域的广泛应用。

图9.各种纳米打印技术的特征尺寸以及打印速度，其中法拉第3D打印有精细的结构构筑能力和快速的打印能力

05 纳米尺度3D打印技术的未来展望

人工智能与纳米打印的融合

人工智能（AI）在纳米尺度3D打印技术中的应用具有巨大潜力。通过机器学习算法，AI可以优化打印参数，提高打印质量和效率。例如，AI 可以根据材料特性和目标结构，自动调整打印速度、喷嘴压力和激光功率等参数，实现智能化打印。此外，AI还可用于缺陷检测和修复，通过对打印过程的实时监测和数据分析，及时发现并纠正制造缺陷，提高产品质量。

原子级制造技术的发展

随着纳米尺度 3D 打印技术的不断进步，原子级制造逐渐成为可能。原子级制造旨在通过对原子的精确操控，实现材料和器件的原子级精度制造。例如，利用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等技术，可以对单个原子进行操纵和组装，构建出具有特殊性能的纳米结构。未来，原子级制造技术有望在量子计算、单分子电子学和高精度传感器等领域取得突破。

06 结论

纳米尺度 3D 打印技术作为一种新兴的纳米制造手段，凭借其独特的自下而上制造方式，在制造复杂三维纳米结构方面展现出巨大的潜力。本文通过深入探讨纳米尺度 3D 打印技术的分类、应用领域、技术挑战及未来展望，揭示了其在推动纳米器件创新应用中的关键作用。尽管该技术目前仍面临分辨率、材料选择和可扩展性等挑战，但随着技术的不断发展和创新，这些问题有望得到逐步解决。可以预见，纳米尺度 3D 打印技术将在未来纳米器件制造领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的科技进步和产业升级做出重要贡献。

参考文献

Yin Y, Liu B, Han Y, et al. Nanoscale 3D Printing for Empowering Future Nanodevices[J]. Advanced Materials Technologies, 2500083.

拓展阅读——火花烧蚀技术

Spark Ablation（火花烧蚀）是一种先进的纳米材料合成技术，通过高精度的火花放电过程，将金属或半导体材料瞬间气化并快速冷却，形成纳米颗粒。这些纳米颗粒具有高度均匀的尺寸分布、纯净无杂质的特性，并且可以在多种基底上直接沉积和图案化，无需复杂的后处理步骤。可作为法拉第3D打印的最佳颗粒发生源。