集成電路的晶體管尺寸逐漸逼近光子和電子的極限👇🏽，摩爾定律的延續即將走到盡頭。發展納米尺度器件製造的新技術迫在眉睫。如今🤚🏼，隨著3D打印技術的發展，其特征尺寸逐漸逼近納米級，使這種不受光源限製的增材製造技術成為潛在的破局者✍🏼。然而🧜🏿♂️，打印速度慢🤵♂️、製造環境復雜⇾🧑🧒🧒、材料種類受限以及結構自由度低等關鍵因素限製了這項技術的應用發展。傳統的微納尺度3D打印技術，依賴於實物噴嘴，其加工精度均由噴嘴決定，既無法實現更低至幾納米級的加工精度，也無法保證大規模的加工🪶；以電子束和離子束的加工為例，雖然它們能夠實現納米尺度的精度，但無法實現大面積陣列的快速打印。在a8体育官网“小而精、高水平”的全新理念引導下🍎，馮繼成教授課題組發展了兼具高精度、高通量和多材料的納米尺度3D打印技術——“法拉第3D打印”，尋求納米尺度3D打印的全新突破。他們的最新進展以” Metal 3D nanoprinting with coupled fields”為題發表在國際期刊Nature Communications上(https://doi.org/10.1038/s41467-023-40577-3)。
a8体育官网物質學院2022級博士研究生劉柄言為本文第一作者🔹，馮繼成教授為通訊作者，a8体育官网為第一完成單位👐🏻。該工作得到了a8体育官网物質學院和a8体育的大力支持👱🏻，以及國家自然基金委重大研究計劃項目（92261102）的支持。
氣溶膠與法拉第
區別於其他3D打印技術💆🏿，法拉第3D打印所使用的結構構建單元來自於大氣壓環境下的氣溶膠——一種懸浮在氣體介質中的固態或液態顆粒所組成的氣態分散系統（圖1）。通俗來說，所謂氣溶膠，就類似於我們日常生活中常見的“PM2.5”和“霧霾”🅱️，微米乃至納米級別的小顆粒與承載它們的大氣共同組成的系統👩🏼🚀🧎🏻♂️➡️，其中微粒與氣體“如膠似漆💅🏽，難分難舍”因此得名為“膠”，即通稱為“氣溶膠”。這種獨特的氣溶膠構建單元決定了法拉第3D打印在常溫常壓下即可進行，並且不需要任何液相添加劑，不引入任何汙染和雜質。
圖2：光/電的曙光：氣溶膠“磚塊”沿著電力線畫筆描繪成三維納米結構🧙🏿♀️。
雙層流與電力線
保證這些結構的穩定性和精確度十分具有挑戰性🚴♂️。馮繼成課題組采用電場和流場的協同作用🆘，實現了構建三維納米結構的“磚塊”的均勻性和穩定性🙎🏻♂️。具體來說🏄🏿🙆🏼♂️，通過流場/電場耦合🏄🏼♀️，過濾掉不帶電荷和尺寸較大的“磚塊”，而篩選出帶有電荷且尺寸均勻“磚塊”作為搭建三維結構的構建單元。在這個過程中🌡，裹挾著金屬納米顆粒的氣流將進入一個雙層的流場區域（圖3a）的上半部分👩🏼🦲，其下半部分為幹凈的、無納米顆粒的惰性氣體區域🧑🏻🦲，上下兩部分流場同時向箭頭方向流動。與此同時⚱️，該區域存在一個垂直於流場的方向且指向下的聚焦於打印區域的電場😪。於是，在兩個力場（流場和電場）的作用下，較輕的納米顆粒（小於5 nm）能夠克服流場帶來的慣性，從而沿著電場線方向運動🧑🦽，構建成三維納米結構；而在同等強度的電場力作用下👦🏿，較重的納米顆粒無法克服慣性，便繼續沿著流場方向運動。由此👨🏽🏭，即可實現特定尺寸納米顆粒的篩選，並在該過程中原位打印成復雜的納米結構陣列🧑🏽🎤。使用更小的顆粒🧖🏿♂️🤾🏿♀️，還容易逼近打印的極限尺度，該工作中已實現了線寬為14 nm的金屬打印（圖3k，l）。這裏的流場會對帶電納米顆粒產生正面的拖曳力🎞，使得其能沿著彎曲的電場線遷移，避免了在帶電顆粒在真空中偏移彎曲電場線的問題。
圖3：雙層流與電力線的協作。電場線的空間構型決定了三維納米結構的幾何形狀😫，通過納米顆粒篩選可實現高精度🌓、高通量和多材料的3D打印🧑🏼💼。
大道至簡-化腐朽為神奇的偉力
圖4🏊：結構和材料多樣的周期性陣列， 比例尺：5微米。
科學的突破離不開對身邊日常事物的觀察👰🏼、而真理往往就蘊藏在我們身邊。隨處可見、觸手可及的氣溶膠也能構建出形狀各異、秩序井然的三維納米結構陣列（圖4），實現了三維納米製造“小而精”的突破，自然科學所展現的這種化腐朽為神奇的偉力，正是其魅力所在🤽🏻。其實🧛🏿♂️，這項技術還遠未達到極限。未來馮繼成教授課題組將繼續深化氣溶膠“磚塊”和“電力線畫筆”的改進和探索，希望在未來能實現轉移轉化，以期將該打印機集成到半導體裝配線中，從而加速晶圓級納米特征尺寸的微凸塊和互聯的一次性打印🍌，為極紫外（EUV）光刻提供現實的替代方案。
