上科大 l 从3D纳米打印到原子制造

3D科学谷洞察

纳米尺度3D打印技术采用“自下而上”的制造方法，通过精确操控材料的定向沉积，突破了传统工艺的局限，展现出广泛的应用潜力，尤其是在下一代微纳器件的原型设计和多功能结构构建中。”

上海科技大学冯继成课题组邀请综述“Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices”在《Advanced Material Technology》上发表，该工作概览了从3D纳米打印到原子制造的相关基础原理和挑战，讨论了3D纳米打印如何与光刻主导的微纳制造进行对接，甚至取代基于光刻加工策略的主导地位，并从微电子和微纳光学器件的应用举例进行了探讨。此外，本工作也进一步展望了如何将AI并入3D纳米打印和原子制造，为新时代的3D纳米制造技术发展提供了新思路。除学术层面外，本工作还剖析了工业化应用过程中的技术瓶颈，为推动这一领域的发展提供了重要指引。

纳米尺度3D打印技术采用了一种“自下而上”的制造方法，与传统的“自上而下”的光刻技术截然相反。这种创新技术通过精确操控材料的定向沉积，突破了传统工艺在分辨率、材料多样性和空间几何复杂度上的局限，展现出广泛的应用潜力，尤其是在下一代微纳器件的原型设计和多功能结构构建中。作为当前研究热点，3D纳米打印技术已取得诸多突破性进展，但大多数技术仍面临产业化应用瓶颈，其增材制造路径尚未对传统纳米制造领域产生显著影响。在此背景下，作者从技术原理、规模化潜力及未来发展方向等角度，对这一领域进行了全面剖析。

图1现有3D 纳米打印技术概述。实体喷嘴包括：直接墨水书写、电动流体动力喷射打印、弯月面控制直写、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、磁场诱导的纳米颗粒组装和法拉第3D打印。

本综述中，作者首先对3D纳米打印技术做了详细的探究，并创新性的以对材料在纳米尺度进行限制的原理将微尺度3D打印方法划分为两大“门派”：实体和虚拟喷嘴（图1）。其中，最早出现使用实体喷嘴的方法是墨水书写（DIW），其后续更新和发展，催生了电流体喷射的EHD以及基于弯液面流体控制的直写方法。而基于虚拟喷嘴的方法无需任何物理接触，通过电场、磁场或激光等远程力来诱导材料的定向沉积，摆脱了物理喷嘴造成的空域限制，具有更高精度和灵活性。

此外，作者重点探讨了3D纳米打印技术与当前以光刻为主导的微纳制造体系的融合潜力，甚至在未来实现替代的可能性。通过对比分析不同技术的规模化可行性、多材料兼容性、原子精度等关键指标，作者评估了各类方法的产业化潜力，并结合微电子和微纳光学器件的实际应用案例进行了深入讨论。然而，作者也强调了纳米级3D打印目前尚存的诸多挑战，包括难以达到高分辨率的规模化生产、材料纯度控制以及后续加工成本高昂等问题。为应对这些挑战，文中提出了通过人工智能优化打印流程、开发新型材料及混合制造策略等方法，进一步释放纳米级3D打印的潜力。

文章总结了纳米级3D打印技术的长期潜力，并展望了它在学术界和工业界可能产生的深远影响。通过不断优化材料选择和制造工艺，这项技术有望成为第四次工业革命的重要驱动力，改变医疗、能源和电子领域的微纳器件的设计方式。

论文标题：Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices

DOI: 10.1002/admt.202500083

更多信息可访问课题组网页：http://www.jcfenglab.com/

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