3D打印最新Nature，中國學(xué)者！

3D打印技術(shù)參考注意到，2025年第5篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的Nature正刊文章于12月17日發(fā)表。來自勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的中國博士后研究員Songyun Gu發(fā)表了題為 “3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”的文章。憑借這項(xiàng)新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)還獲得了有“科技創(chuàng)新界奧斯卡獎”美譽(yù)的R&D 100大獎。

Songyun Gu（中），Xiaoxing Xia（右）

他們將傳統(tǒng)雙光子光刻3D打印機(jī)一個多月才能完成的任務(wù)，縮短至不到兩個小時，并且極大提升了制造精度。根據(jù)筆者理解，這項(xiàng)成果很像金屬3D打印領(lǐng)域，從單激光選區(qū)熔化一步邁入了區(qū)域打印，從厘米級別的打印尺寸一步邁入到了米級。

它解決了雙光子光刻3D打印技術(shù)制造復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)時遇到的「打印分辨率和打印速度」之間相互矛盾的問題，大幅提高了效率、打印面積以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。對微電子、生物醫(yī)學(xué)、量子技術(shù)等這些對復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)有極大需求的領(lǐng)域有重要影響。

筆者查詢到，雙光子光刻多年來一直是制造復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)。它利用超短脈沖飛秒激光，通過精確控制光強(qiáng)閾值實(shí)現(xiàn)納米特征結(jié)構(gòu)的打印。結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)到達(dá)了納米量級，因此產(chǎn)品的制造精度對產(chǎn)品性能的影響會很明顯。但是，這項(xiàng)技術(shù)一直受到顯微成像光學(xué)系統(tǒng)的限制，帶來了一系列的問題。

基于金屬透鏡陣列的雙光子光刻示意圖：圖案化的飛秒激光投影到金屬激光陣列上，生成用于并行三維納米光刻的焦點(diǎn)

首先是打印面積的限制，因?yàn)榇蛴∠到y(tǒng)依賴常規(guī)顯微物鏡聚焦激光，物鏡視場被限制在幾百微米內(nèi)，要打印厘米級物體就得需要先分塊打印、然后拼接。其次是如果要采用多光并行，聚焦點(diǎn)之間的間距過小就會帶來不希望的交聯(lián)，進(jìn)而導(dǎo)致分辨率下降。第三，如果采用固定焦點(diǎn)陣列，那么就只能打印特定結(jié)構(gòu)。第四，如果采用全息焦點(diǎn)掃描，雖然可以提高靈活度，但又面臨數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膯栴}，嚴(yán)重影響實(shí)際打印速度。

Songyun Gu展示透鏡陣列

這項(xiàng)研究提出了一種新的解決方案，從根本上改變了雙光子光刻的實(shí)現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)了雙光子光刻的近面打印。

具體地說，他們開發(fā)了一種包含12萬個微透鏡的超表面透鏡陣列，陣列有多大，有效的打印區(qū)域就有多大，這從根本上消除了傳統(tǒng)視場帶來的打印面積限制。此外，每個透鏡會分配相當(dāng)數(shù)量的像素點(diǎn)用來控制光的穿過，進(jìn)而控制所打印的特征結(jié)構(gòu)精度。

打印微流控毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)的演示

如果要問以前為什么不采用這種陣列，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的微透鏡特征決定了它們很難在陣列中密集排列，數(shù)值孔徑很難做高，此外也存在像差校正等的問題。而這項(xiàng)研究開發(fā)出的陣列結(jié)構(gòu)極薄，數(shù)值孔徑容易做高，在設(shè)計中就可以消除像差問題。這個陣列結(jié)構(gòu)是取得突破的關(guān)鍵。

通過采用大尺寸的金屬透鏡陣列，雙光子光刻從厘米級區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了大尺寸并行打印。

空間光調(diào)制器的因素能夠通過調(diào)整像素的灰度來控制光的強(qiáng)度與開關(guān)。筆者發(fā)現(xiàn)，由12萬個微透鏡組成的超表面透鏡陣列包含了1億個像素，這是實(shí)現(xiàn)雙光子光刻高精度打印的重要影響因素。有沒有發(fā)現(xiàn)這些描述很熟悉？在Seurat公司開發(fā)的金屬區(qū)域打印中，也有類似的原理。

雙光子光刻晶格結(jié)構(gòu)的拉伸試驗(yàn)

此外，他們還進(jìn)一步開發(fā)了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和自適應(yīng)曝光技術(shù)，使系統(tǒng)的制造能力進(jìn)一步得到了提高。作為驗(yàn)證，他們打印了多種類型的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，如微尺度的象棋、梯度密度泡沫陣列、多深度微針陣列等等。在使用兩個陣列時，打印面積達(dá)到了12厘米，可以實(shí)現(xiàn)對100億個像素點(diǎn)的控制。

總的來說，他們開發(fā)的平臺能夠?qū)w秒激光分成超過12萬個協(xié)同聚焦的光斑，這些光斑可以在厘米級區(qū)域內(nèi)同時進(jìn)行寫入。這種基于超透鏡的方法能夠生成最小特征尺寸為113納米的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，而且打印效率比商用系統(tǒng)快一千倍以上。

此外，筆者還注意到本文的通訊作者之一為Xiaoxing Xia，這是其在本年度發(fā)表的第二篇與3D打印技術(shù)相關(guān)的nature正刊文章，上一篇則與量子計算相關(guān)！

注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。

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