Nat.Commun.：增材制造新工艺打印金属纳米结构

【引言】

增材制造是一种能将各种材料逐层制造成三维结构的工艺，其中金属增材制造工艺彻底改变了航空航天、汽车和医疗应用中复杂零件的生产。然而目前增材制造工艺分辨率仅为20-50μm，严重限制了纳米级复杂3D结构金属器件的生产。而纳米级金属具有特殊的性能，因此需开发一种制造具有宏观总体尺寸和微观亚微米3D金属结构的工艺。目前等离子沉积和电子束自由成形制造之类的基于线和细丝的工艺可以生产毫米尺寸的器件，选择性激光熔化（SLM）和激光工程网状成形等基于粉末的工艺可将最小特征尺寸限制在20μm左右，局部电镀或金属离子还原方法可非常缓慢的制造分辨率小于500nm的结构，电化学制造（EFAB）允许制造分辨率为10μm的结构，但限于层厚4μm，总高度为25-50层的结构。

【成果简介】

近日，美国加州理工学院Julia R. Greer（通讯作者）在Nat.Commun.上发表了一篇题为“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”的文章。该团队通过合成含有镍聚合物的杂化有机 - 无机材料，并用其制造光刻胶，利用双光子光刻技术（TPL）以及热解制造了分辨率为25-100纳米的复杂三维金属几何图形。该过程容易且可重复，为创建具有纳米尺度分辨率的复杂三维金属结构提供了有效的途径。

【图文解读】

图一 纳米金属增材制造工艺和样品的SEM表征

(a) 配体交换反应用于合成金属前驱体；

(b) 混合金属前驱体，丙烯酸树脂和光引发剂以形成富含金属的光刻胶；

(c) TPL工艺示意图；

(d) 金属聚合物制备；

(e) 热解去除有机物并将聚合物转变为金属；

(f-j) 代表性的SEM图像。

图二 纳米结构金属的EDS表征

(a) 热解前SEM图像（20μm）；

(b) 热解后SEM图像（4μm）；

(c-d) EDS成分分析；Ni含量超90%，Si为底部支撑；

(e-h) EDS面扫描，元素沉积高均匀性。

图三 金属结构TEM表征

(a) Ni束SEM图像，基底为200nm厚SiN薄膜；

(b) 悬挂在SiN薄膜1.25μm孔边缘的Ni束的低倍TEM图像；

(c-d) 区域电子衍射图谱，Ni束主要由Ni纳米晶与少量NiO组成；

(e) 金属束的HRTEM图像；

(f) n=40颗粒尺寸直方图。

图四 纳米力学测试

(a-d) 压缩实验过程中Ni结构的SEM图像；

(e) 纳米Ni的应力-应变曲线；

(f) 不同打印方法获得的纳米Ni强度-金属束直径曲线。

【小结】

研究人员基于双光子光刻技术开发了增材制造新工艺，分辨率达25-100nm，比其他方法打印的器件低一个量级，且不牺牲机械强度。该工艺也使适用于其他金属的打印，对于流线型生产亚微米器件具有实际意义。