0
3D结构的超材料器件由于能通过增加入射电磁波和结构之间的重叠空间来增强光与物质的相互作用并在调控太赫兹波方面提供额外的自由度，展现出比传统平面2D结构超材料更大的应用潜力。然而传统的制造方法在制备3D结构器件上依然存在许多障碍，通过集成光刻、沉积、蚀刻、LIGA等一系列程序来制造3D复杂结构不仅存在耗时和经验要求高等缺点，且所构建的复杂3D结构无法满足需求。
打开网易新闻 查看精彩图片
新的加工工艺不断被提出以开发此类复杂3D结构超材料器件，主要的新方法包括剪纸/折纸工艺、3D打印技术、液态金属填充技术等。其中，3D打印技术虽能胜任复杂几何结构的制造，但在太赫兹超材料的特征尺寸范围内，大多数3D打印方法在打印过程中只能使用单一材料，而许多器件同时需要多种材料来支撑复杂的结构和电磁功能，因此需结合其它步骤来引入额外的材料。如课题组前期工作提出的制备工艺，在通过微纳3D打印技术直接进行主体结构成型后还需使用镀膜工艺完成器件的金属化，由于3D打印技术的阶梯效应，3D打印结构不能太复杂，否则会对金薄膜的连续性造成不利影响，使所谓的3D结构实际上成为2.5D结构。在此情形下，将液态金属填充到微流道中的液态金属填充技术在克服此问题中具有独特的优势。液态金属填充技术不仅可提供构造复杂几何形状的替代方案，还可提供新的金属化策略。因此，西安交通大学张留洋老师课题组利用摩方精密提供的nanoArch S130打印系统，提出了一种将微纳3D打印技术与微流道液态金属填充技术相结合的微结构制备工艺，作为概念验证，通过所提出的制备策略制备了两种具有宽带和多频段特性的典型超材料，实验获得了与理论仿真吻合较好的响应光谱。该论文以“Broadband and Multiband Terahertz Metamaterials Based on 3-D-Printed Liquid Metal-Filled Microchannel”为题发表在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》期刊上。
打开网易新闻 查看精彩图片
图 1 3D太赫兹超材料的制造工艺示意图：(a)PμSL 3D打印系统，(b)3D打印超材料样品和(c)超材料样品的真空泵送和液态金属填充装置。相较于传统MEMS工艺善于加工2D结构的不同，微纳3D打印技术在构建复杂3D结构方面具备显著优势。图 1为3D结构微流道器件的加工流程图，流程简述如下：通过3D打印机（图 1(a)）逐层固化BIO树脂，得到包含微流道结构样品（图 1(b)）；将所得树脂结构浸入异丙醇中约10分钟以洗掉微流道中残余的树脂；最后进行液态金属填充实现金属化，液态金属填充装置如图 1(c)所示。为证明所提出制备工艺的可行性，首先设计了如图 2所示的太赫兹宽带吸波器，其超分子由两个相互贯穿的圆盘组成。填充前后的结构在光学显微镜下的情形分别如图 3(a)和图 3(c)所示，在充分填充后按图 3(f)中的流程冲洗表面多余的液态金属。从图 3(e)可看出，实验光谱和仿真计算光谱均显示出高吸收率、大带宽的特征，表明所提出的吸波器能在宽频率范围内有效吸收入射太赫兹波。
打开网易新闻 查看精彩图片
图 2 基于微流道的太赫兹宽带吸波器：(a)阵列和(b)超分子。
打开网易新闻 查看精彩图片
图 3 3D打印宽带吸波器液态金属填充前(a)和填充后(c)的光学显微图像，(b)和(d)为局部放大图；(e)模拟和测量的吸收光谱；(f)吸收器顶部多余的液态金属冲洗示意图。类似地，依据所提出的制备工艺，设计并制备了第二种太赫兹超材料（图 4），其由两对垂直交叉的开口环组成，在完成液态金属填充后能在频率为0.1至3.0 THz的范围内形成了五个共振波谷，因此该基于垂直开口环的超材料可归类为多带太赫兹超材料。每一个共振波谷的反射都接近或超过-20 dB，表明吸收率可达到99%。此外，橙色线表示通过THz-TDS测量的反射谱，其中谐振频率和振幅与模拟结果基本一致。
打开网易新闻 查看精彩图片
图 4 基于微流道的多带太赫兹反射器件：(a)阵列和(b)超分子。
打开网易新闻 查看精彩图片
图 5 太赫兹多带超材料的显微镜图像：(a)液态金属填充前和(c)液态金属充填后；(b)和(d)为相应的放大图像。(e)模拟和实验测量的反射光谱。https://doi.org/10.1109/TMTT.2023.3278945欢迎各位专家学者提供稿件（微纳3D打印相关研究成果、前沿技术、学术交流）。投稿邮箱：bmf@bmftec.cn。该文章发布的目的在于传递更多信息，如涉及作品内容、版权或其它问题，请于我司联系，我们将在第一时间删除内容！最受关注文章TOP 5
打开网易新闻 查看精彩图片
特别声明：本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布，仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
}

　　微纳3D打印，更精准更宏观。
　　
飞秒激光直写无机纳米结构的光场分布示意图。 （郑美玲提供）
　　
飞秒激光被用于眼科手术治疗近视，已经为人熟知。
　　
但它能做得远不止于此。飞秒激光直写作为一种有效的三维微纳精细加工技术，可以在多种透明光学材料中实现微小型光子学器件的制备。
　　
中科院理化所仿生智能界面科学中心郑美玲团队在前期工作积累上，近日在不同期刊连发两篇相关成果，推动飞秒激光直写技术再向前一步。
　　
《先进材料技术》：仿生响应型水凝胶微致动器
　　
在以《飞秒激光微加工pH驱动三维仿捕蝇草水凝胶驱动器》为题发表在《先进材料技术》的成果中，该团队合成了刺激响应型光刻胶前驱体，并结合结构设计，采用飞秒激光直写技术制备了4D刺激响应型水凝胶微结构。
　　
水凝胶微致动器在显微操作、微机器人、微流体、智能传感器等领域的应用非常重要。然而，要实现水凝胶微致动器在微纳尺度上的精确制备及可控操纵，仍存在巨大挑战。
　　
作者利用刺激响应型光刻胶，通过优化飞秒激光直写参数及激光加工路径，获得了响应行为可控的4D水凝胶微结构。通过改变激光加工参数来调节水凝胶微结构局部区域的交联密度，从而获得可控的pH响应行为，变形时间短至1.2秒，恢复时间为0.3秒。
　　
在此基础上，受捕蝇草捕获行为的启发，研究人员设计并加工了仿生不对称水凝胶微致动器，通过pH触发，实现和调节了其形状变化，成功地捕获了单个或多个微颗粒，并可控地实现了微颗粒的同时释放或顺次释放。
　　
该成果使智能水凝胶微致动器的制备成为可能。
　　
《自然—通讯》：使用近红外光进行3D无机材料的光刻微加工
　　
另一篇发表于《自然—通讯》的文章《多光子三维光刻实现λ/30无机特征尺寸》，阐述了该团队与合作伙伴在飞秒激光超衍射纳米光刻技术制备3D无机纳米结构研究方面取得的进展。
　　
激光3D打印技术是制备三维无机微结构的重要手段之一，但是在制备无机微结构时，其特征尺寸和加工分辨率受到材料和光学衍射极限的限制，难以实现纳米尺度制备。
　　
该工作中，研究团队利用飞秒激光与物质的非线性相互作用，通过多光子吸收引起的雪崩电离效应，实现了无机光刻胶氢倍半硅氧烷（HSQ）的飞秒激光超衍射纳米光刻，突破了前人提出的HSQ无法使用可见和近红外光进行光刻微加工的局限。
　　
作者系统研究了激光能量、扫描速度和扫描方式等加工参数对特征尺寸的影响规律，通过精细调节激光的加工参数，成功得到了自支撑的33纳米和26纳米HSQ纳米结构，实现了λ/30（激光波长1/30）的特征尺寸，并制备出了具有优异的耐高温和耐溶剂性能的3D无机微结构，构筑了多种基于无机纳米结构的光子学微器件和仿生微结构。
　　
这项工作为基于HSQ微结构的新型无机纳米器件的研究奠定了坚实基础。
　　
《纳米快讯》：实现跨尺度微纳复杂结构的新途径
　　
微纳尺度上的3D打印可以实现任意三维，并且精度很高，但谈到这个技术到目前为止最大的遗憾，郑美玲告诉《中国科学报》，在工业中几乎没有做成过产品，因为这种技术制备大结构器件的效率很低。这也是该团队目前的一个研究方向。
　　
在稍早些由《纳米快讯》发表的成果《无掩模光学投影纳米光刻实现λ/12超分辨率和高效跨尺度结构图案化》中，他们部分解决了这个痛点问题。
　　
郑美玲团队与合作伙伴以波长为400纳米的超快激光作为光源，利用数字微镜芯片（DMD）生成图案化光场，发展了无掩模光学投影超衍射纳米光刻技术，突破光学衍射极限的限制，获得了仅为激光波长1/12（λ/ 12）的32 纳米光刻线宽，高效制备了数百微米尺度与纳米尺度并存的跨尺度微纳结构。
　　
此外，通过计算机控制更改所需的DMD生成图案化光场，便捷实现了多种跨尺度微纳结构图案制备，经过简单重复该过程，还可以实现多样化图形的批量制备。
　　
无掩模光学投影超衍射纳米光刻技术，为跨尺度微纳复杂结构图案化提供了高效、便捷的新技术途径，有望在涉及电子、光学和生物等领域的微纳米器件的研究与开发中得到广泛应用，并实现定制化微纳结构与器件的低成本、高效率、批量制造。期刊审稿人评价该技术为真正开创性的成果。（来源：中国科学报张楠）
　　
相关论文信息：
　　
https://doi.org/10.1002/admt.202200276
　　
https://doi.org/10.1038/s41467-022-29036-7
　　
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00559
　　 版权声明：凡本网注明来源：中国科学报、科学网、科学新闻杂志的所有作品，网站转载，请在正文上方注明来源和作者，且不得对内容作实质性改动；微信公众号、头条号等新媒体平台，转载请联系授权。邮箱：shouquan@stimes.cn。
作者：郑美玲等 来源：《先进材料技术》
}