全新3D纳米打印，登上Nature！

在微电子、光子学、仿生材料和生物医学等前沿领域，越来越多的关键器件依赖于复杂、精细且真正三维的微纳结构。然而，过去二十多年里，最成熟的三维纳米制造技术——双光子光刻（TPL），始终被一个看似“光学常识”的问题所束缚：显微镜物镜的视场有限。无论是提高分辨率还是追求速度，传统TPL都必须在“写得精”和“写得快”之间反复妥协，最终导致大尺度结构依赖拼接，不仅效率低下，还容易引入致命缺陷。这一瓶颈，长期制约着3D纳米结构从实验室走向真正的工程化制造。

在此，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室Xiaoxing Xia博士与斯坦福大学Jonathan A. Fan教授联合提出了一种全新的并行3D纳米光刻范式：利用大面积金属透镜阵列替代传统显微物镜，并结合空间光调制器实现“可编程”的焦点阵列。该系统在12 cm²面积内同时产生超过12万个高数值孔径焦点，打印速度突破108 voxels·s⁻¹，最小特征尺寸低至113 nm，实现了真正意义上的厘米级、无拼接、高分辨率3D纳米制造，为晶圆尺度的纳米结构生产打开了新路径。相关成果以“3D nanolithography with metalens arrays and spatially adaptive illumination”为题发表在《Nature》上，中国学者Songyun Gu和Chenkai Mao为共同第一作者。

整项工作的核心思想首先集中体现在图1中。传统双光子光刻依赖单个显微物镜逐点扫描，而研究团队在这里彻底改变了这一模式：他们用大面积金属透镜阵列同时生成成千上万个高数值孔径的聚焦光斑（图1a,b），相当于把“一个物镜”变成了“一个物镜矩阵”。为了让这些光斑不仅数量多，而且彼此可控，系统中引入了空间光调制器（SLM）（图1c），能够对每一个焦点进行独立的开关和灰度调制，从而实现真正意义上的并行、可编程打印。图1d,e展示了金属透镜的实际结构与聚焦性能，其亚微米级的衍射极限聚焦能力保证了打印分辨率不会因并行化而牺牲。在此基础上，研究者通过精细调节激光强度，实现了从亚衍射到衍射极限的连续线宽控制，最细结构仅113 nm，且不同透镜打印出的线条高度一致（图1f–h）。这种稳定性为大规模并行奠定了基础。最终，系统在极短时间内完成了英寸级复杂三维结构的打印（图1i–k），直观展示了这种新型架构在速度和尺度上的颠覆性优势。

图1：金属透镜阵列并行双光子光刻系统的原理、光学设计与亚衍射打印能力

如果说图1验证的是系统的“基本功”，那么图2则全面展示了金属透镜并行光刻在真实复杂结构中的制造能力。研究团队首先打印了大量高度可复制的微结构阵列，例如包含悬垂和锐角细节的3DBenchy模型（图2a），结果显示每一个单元都能精准还原设计细节，几乎看不到传统拼接带来的误差。随后，系统被用于制造传统方法难以实现的大规模微粒阵列（图2b,c），在极短时间内完成了成万上亿级别的结构复制，充分体现了并行打印在“数量”上的优势。更重要的是，金属透镜TPL并不局限于孤立单元结构，在梯度密度泡沫、微针阵列以及连续晶格结构中（图2d–j），系统同样实现了厘米尺度的整体打印，而且拼接误差被控制在百纳米以内。这一结果表明，通过限制单个焦点的扫描范围并让阵列自动“对齐”，该方法从根本上消除了传统双光子光刻中最棘手的长程拼接问题。

图2：高通量并行打印微结构阵列及厘米级连续结构的展示

当结构不再是规则周期阵列时，并行打印往往会遇到效率骤降的问题。图3展示了研究团队提出的自适应并行光刻策略如何解决这一难题。对于具有层级或局部周期性的结构，系统可以通过结构分区的方式，分阶段激活不同的焦点组合完成打印（图3b–d），例如模拟生物血管网络的微流控通道，在保持复杂拓扑的同时仍能高效制造。而对于完全无周期的三维结构，研究者进一步提出“结构压缩”的思路（图3e,f）：先将整体结构拆分为与单个金属透镜视野匹配的子结构，再识别它们之间可以重叠并行打印的部分，从而大幅减少打印路径数量。通过这种方式，系统成功打印了随机Voronoi结构以及整套三维国际象棋开局阵列（图3g–j），证明即便是高度非周期的复杂几何，也能在并行体系下保持可控精度和可接受效率。

图3：自适应并行光刻策略，实现半周期与完全非周期三维结构的高效制造

图4将这套制造能力真正推向了材料科学的应用前沿。借助金属透镜并行光刻，研究团队首次在厘米尺度上系统制备了多种不同拓扑的机械超材料，包括典型的八面体晶格、Kelvin晶格以及具有互锁结构的“链甲”晶格（图4a–c）。在拉伸实验中，这些结构展现出截然不同的断裂行为（图4d）：八面体和Kelvin晶格在应力集中后迅速脆性断裂，而链甲结构则能够通过单元间的相对滑移和重排，将裂纹扩展过程显著拉长，表现出极高的断裂韧性。结合原位实验与数值模拟（图4e–m），研究者清楚地揭示了应力如何在链甲结构中被重新分配，这种“宏观可观察”的断裂机制，正是过去受限于制造尺度而难以系统研究的问题。

图4：厘米尺度机械超材料的打印与断裂行为研究

在最后，论文从宏观视角对比了不同3D微纳制造技术在分辨率、吞吐量和写入面积三者之间的关系。结果清楚地表明，传统双光子光刻始终受制于显微物镜视场与邻近效应的双重限制，而金属透镜并行TPL通过“非成像光学”的思路，从物理层面绕开了这两个瓶颈。当前系统已在12 cm²面积内实现超过 108 voxels·s⁻¹ 的打印速率，论文进一步指出，随着更大尺寸金属透镜阵列、更高速SLM以及更高重复频率飞秒激光的引入，该技术在不久的将来有望迈向 1010voxels·s⁻¹，为晶圆级三维纳米制造提供现实可行的技术路线。

图5：不同3D纳米制造技术在分辨率、速度与写入面积维度上的系统对比

小结

这项研究并非简单地“把光斑变多”，而是从光学架构、并行控制和制造策略三个层面，重构了3D纳米光刻的基本范式。通过将金属透镜阵列与可编程光场相结合，研究团队首次在保持亚百纳米分辨率的同时，实现了厘米级、无拼接、高通量的三维纳米制造。可以预见，这种思路不仅将推动微电子、光子晶体和超材料的发展，也有望成为下一代晶圆级3D制造的重要技术底座。