利用光化學(xué)反應實(shí)現三維納米材料的高分辨率制造

陶瓷和類(lèi)陶瓷材料具有優(yōu)異的熱、機械和化學(xué)性能，因此在科學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域具有極其重要的地位，目前實(shí)現陶瓷和類(lèi)陶瓷三維納米材料的制造成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一。傳統應用中主要采用存在于有機介質(zhì)中的陶瓷顆粒懸浮液/金屬鹽，來(lái)實(shí)現制備大規模的三維陶瓷材料，但由于該類(lèi)方法只能實(shí)現較低的分辨率，因此并不適用于光學(xué)/光子領(lǐng)域的前沿應用。為了克服分辨率瓶頸問(wèn)題，利用超短脈沖激光引發(fā)的光化學(xué)反應來(lái)實(shí)現三維納米材料的高分辨率制造方法，吸引了研究者們的廣泛關(guān)注。

來(lái)自立陶宛維爾紐斯大學(xué)的Mangirdas Malinauskas教授團隊提出了一種基于激光增材制造實(shí)現晶相可調的無(wú)機Si/ZrO2三維納米材料方法(doi: 10.29026/oea.2022.210077)。該方法采用超快激光光刻技術(shù)作為增材制造工具，制備了三維結構納米材料，隨后采用高溫熱后處理技術(shù)將打印材料完全轉化為無(wú)機物。

實(shí)驗還證明了該技術(shù)具有將無(wú)機三維納米材料調節成方石英、SiO2、ZrSiO4、m-ZrO2、t-ZrO2等不同晶相的潛力，并且能夠在無(wú)需光束整形和復雜曝光技術(shù)的條件下實(shí)現低于60 nm的結構精度，因此可與現有標準及定制化激光直寫(xiě)設備相匹配，其應用原理還可與Nanoscribe、MultiPhoton Optics、Femtika、Workshop of Photonics、UpNano、MicroLight等商用平臺兼容。圖1所示為利用激光增材制造技術(shù)制備無(wú)機Si/ZrO2三維納米材料的具體方法、過(guò)程及結果。

圖1 |（a）前驅體在合成過(guò)程中的摩爾比例，（b）激光聚合和煅燒過(guò)程，(c)煅燒后形成的不同三維納米材料結晶相。 激光增材制造與熱處理技術(shù)的巧妙結合，將激光多光子光刻技術(shù)升級成為一種強大的工具，并且還突破了陶瓷晶體增材制造在精度和三維靈活性方面的技術(shù)瓶頸。作為超快激光輔助加工無(wú)機材料領(lǐng)域的里程碑式成果，激光增材制造技術(shù)的應用領(lǐng)域將從聚合物、塑料等方面拓展至生物衍生、植物基樹(shù)脂等生物醫學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域，此外無(wú)機三維納米結構材料的成功制造還將進(jìn)一步引領(lǐng)開(kāi)辟新的領(lǐng)域，助力工業(yè)界實(shí)現納米電子學(xué)、微光學(xué)和傳感芯片等方面的降本增效。因此，該研究突破對于光電子領(lǐng)域的高速發(fā)展具有重要意義。

Darius Gailevi?ius博士和維爾紐斯大學(xué)激光研究中心Mangirdas Malinauskas教授提出的一種基于激光增材制造實(shí)現無(wú)機三維材料的方法，并采用高溫熱后處理，完全去除激光增材制造過(guò)程中的雜化材料的有機成分，從而實(shí)現純無(wú)機三維納米材料的制備。

研究團隊還與材料科學(xué)家、維爾紐斯大學(xué)應用化學(xué)系教授Simas ?akirzanovas開(kāi)展合作，證明了可以通過(guò)精確控制材料的初始成分比例和煅燒處理方案，實(shí)現溶膠-凝膠工藝和物質(zhì)化學(xué)變形的晶相調節潛力。主要的實(shí)驗工作是博士研究生Greta Merkininkait?在本科生Edvinas Aleksandravi?ius的協(xié)助下完成，博士后Darius Gailevi?ius詳細解釋了該技術(shù)的原理及實(shí)驗過(guò)程。該研究的突破對于學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都起到了非常重要的影響，不僅成功將廣泛應用的激光雙光子聚合技術(shù)拓展成為可實(shí)現亞100納米結構精度陶瓷晶體的有力工具，還突破了過(guò)去只能制備有機或雜化聚合物的技術(shù)瓶頸，此外還具有高精度、高靈活性等特點(diǎn)。圖2所示為激光增材制造實(shí)現無(wú)機三維納米材料制備過(guò)程中的材料變化機理，其對于三維納米光子、微光學(xué)、納米機械、微流體、納米電子和生物醫學(xué)元件的量產(chǎn)制造具有里程碑式的意義，實(shí)現了激光三維光刻領(lǐng)域的顛覆式突破。

圖2 |（a）Six:Zry的熱重分析測試結果；（b）從聚合物到玻璃/陶瓷相的相變理論、實(shí)際重量損失和立方體的體積收縮率；Si7:Zr3立方體在（c）1000℃熱處理前、（d）1000℃熱處理后的SEM圖像。

審核編輯：劉清