這些微觀八面體桁架結(jié)構(gòu)的SEM圖像以100微米的比例顯示[左]，并以10微米的比例放大[右]，其中黃色結(jié)構(gòu)顯示了單個晶胞。

一項新的研究發(fā)現(xiàn)，使用全息圖，納米級3D打印機現(xiàn)在可以快速制造細節(jié)小于可見光波長的復雜物品。這項研究可以快速制造納米技術陣列的電線、透鏡、旋轉(zhuǎn)磁齒輪和其他結(jié)構(gòu)，這表明在電子、光子學、微機器人等領域的應用。

目前，用于制造具有復雜形狀的納米級物體的最精確的3D打印技術可能是雙光子光刻。這種方法依賴于液態(tài)樹脂，只有當它們同時吸收兩個光子而不是一個光子時，它們才會固化。這使得能夠精確制造具有體素（相當于像素的3D）的物體，尺寸只有幾十納米。

然而，雙光子光刻已被證明對于大規(guī)模實際應用來說太慢且昂貴。這在很大程度上使其成為生產(chǎn)微觀原型的昂貴實驗室工具。

新方法可以制造復雜的微觀3D物體，如字母，數(shù)字，環(huán)，透鏡和齒輪，可以通過施加磁場進行遠程控制。

以前的研究試圖將雙光子光刻中使用的激光束分成多個焦點，以加快制造速度。但是，這種策略通常仍能實現(xiàn)每秒約 10，000 個體素和每小時不到 0.1 立方毫米的打印速度。此外，這種方法通常無法控制每個激光器的焦點，因此不能產(chǎn)生高度可變的結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在，一種新的雙光子光刻技術可以以每秒3萬體素和每小時2.4至5立方毫米的速度打印納米級54D物體。此外，科學家們指出，它達到了高達90納米的分辨率，這是迄今為止在高通量雙光子光刻技術中見過的最好的。此外，他們補充說，該團隊的新工藝可以同時操作多達2，000個可單獨編程的激光焦點來制造復雜的結(jié)構(gòu)，這是迄今為止在高通量雙光子光刻中見過最多的。

固化用于雙光子光刻的樹脂需要極高的激光強度。使用多個激光焦點會增加所需的激光功率，并且通常用于雙光子光刻的激光器幾乎無法提供支持50多個焦點所需的功率。相比之下，新方法使用峰值功率約為10千兆瓦的近紅外激光器。

通常，雙光子光刻依賴于接收大約 10，000 個低功率激光脈沖的焦點，以便完全固化體素。然而，新技術使用的激光器發(fā)射速度比雙光子光刻中通常使用的激光器慢數(shù)萬到數(shù)十萬倍。為了補償，新技術使用單個脈沖來固化每個體素。科學家們說，這需要對光敏樹脂進行大量修補，以優(yōu)化其印刷質(zhì)量。

“我們通過單脈沖曝光實現(xiàn)了最佳分辨率，這與實現(xiàn)高分辨率的傳統(tǒng)方法完全相反 - 即低平均功率和長曝光時間，”陳說。

新方法每秒發(fā)射一千個100飛秒長的脈沖，將這些脈沖從顯示全息圖的數(shù)字微鏡設備上反彈。科學家們可以使用全息圖將每個激光脈沖分成多達2個焦點，具有可單獨控制的強度，位置和相位，可以同時并行運行。

在實驗中，研究人員展示了他們的新方法可以制造復雜的微觀3D物體，如字母，數(shù)字，環(huán)，透鏡和類似打蛋器的結(jié)構(gòu)。他們還制造了可以通過施加磁場來遠程控制的磁性齒輪。

在這項新研究中，科學家們還透露，他們可以修改每個焦點的激光功率，以實現(xiàn)11種不同的強度水平。這種“灰度控制”可用于調(diào)整每個體素的堅固性和機械性能。科學家們指出，新技術顯示出灰度控制，精度超過99%，是并行雙光子光刻技術迄今為止最高的。

此外，研究人員報告說，新方法在雙光子光刻中產(chǎn)生了最高的能源效率。雖然其他技術需要大約 1.5 到 4 瓦的工作功率，但新方法只需要 400 毫瓦的平均功率即可運行 2，000 個焦點。

納米級3D打印的一個潛在應用是制造元結(jié)構(gòu) - 其結(jié)構(gòu)具有重復圖案的材料，其尺度小于它們設計影響的任何力的波長。旨在操縱電磁輻射的光學超結(jié)構(gòu)可以以意想不到的方式彎曲光線，導致隱形斗篷和其他設備。

研究元結(jié)構(gòu)的最大挑戰(zhàn)之一是制造包含小于一微米的子特征的物體，但總的來說，子特征是其子特征的數(shù)千倍。在實驗中，科學家們發(fā)現(xiàn)他們的新技術可以制造一個大約1立方毫米大小的網(wǎng)格，由超過680萬個細胞組成，子特征小至000納米。

審核編輯 ：李倩