微纳金属3D打印技术应用：AFM探针有什么用？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-07-21 20:46 标签： 探针有什么用
　　《3D打印世界》讯/当“岂止于大”变成一句口号，大尺寸的3D打印也层出不穷，然而当人类将目光从宏伟与巨大中收回来时，发现微观世界中其实隐藏着更多的信息，好在科学家们已经在纳米尺度上对3D打印也有了突破性的研究，并且许多科研机构已经将纳米3D打印技术作为重点研究项目。（1纳米=0.000001毫米，人类的头发一般大概在50000 -100000纳米之间）　　皇家墨尔本理工大学拥有世界首台纳米级3D打印机　　据悉，澳大利亚皇家墨尔本理工大学发布的这款研究设备价值高达3000万美元，该大学称之为“世界第一部”纳米级快速3D打印机。　　　　其设备区域面积达1200平方米，3D纳米级打印机数秒内能制作出几千种模型结构，每种结构只有人类头发那么细。　　MNRF主管James Friend 称，有10支研究团队将会对该此新设备展开一系列项目研究。 Friend同时还是电气及计算机工程研究所的高级研究员，他认为：“该设备就是为了让研究人员能在纳米层级的界面上，能尽可能发挥想象来研发新技术。”　　Nanoscibe已有了商业化3D微型打印机：最小可达30纳米　　德国创业公司Nanoscibe发布了一款3D微型打印机，利用近红外激光来打印超小结构，最小可达打印30纳米。这台设备使用红外激光束，通过三维移动凝结光敏材料，形成想要的形状。　　　　这种叠加制造系统，速度远远快于目前技术水平，它可以用来打印医疗器械部件，电子机械系统，机器人模型（小到可以放在针头上！），是第一款商业化的纳米级3D打印机。　　韩国科学家开发出纳米级3d打印笔hyper　　韩国高丽大学的seongpil hwang以及他领导的研究团队制造出了这款的新设备。　　“据我们所知，我们的水凝胶3d打印笔是一种首创。”hwang介绍这台设备时说。“不过，我们还是受到三种技术的启发：美国西北大学chad mikin开发的蘸笔光刻（dip-pen lithography）技术；英国warwick大学patrick unwin开发的纳米吸量管（nanopipettes）；以及美国哈佛大学jennifer lewis开发的微喷嘴（micro-nozzels）技术。”　　　　这是第一款在纳米尺度工作的3d打印笔。笔尖有一个微观的水凝胶金字塔，其最尖端被浸泡在电化学反应驱动的电解液里。据了解，它的工作原理是水凝胶的尖端和超微电极之间形成一个纳米级的接触面。有一个纳米定位系统来确保这款3d打印笔在应用时的精度，并以规范在进行电镀时的法拉第吸附反应。　　这种纳米级的3d打印笔可以创建尺寸小于100纳米的3d结构。hwang和他的团队在测试时用这台设备成功地将十分细微的铂金沉积到了黄金电极上。　　　　通过水凝胶笔生成的纳米级铂金形状　　美国橡树岭国家实验室使纳米3D打印更精确可控　　　　美国橡树岭国家实验室（ORNL）与田纳西大学、Graz技术大学进行合作，开发出了一种基于仿真的强大工艺，用来改善FEBID（聚焦电子束诱导沉积技术）技术，可帮助用户控制，监视，并最终提供FEBID纳米打印精度。　　FEBID通过使用一个扫描式电子显微镜把电子束缩小至纳米级，把气态分子转变成微细固体沉积物表面上的一种增材制造技术，也是目前唯一能制造出高保真3D纳米结构的技术。　　在进行时，研究人员只能依靠不断试错，手动调整生成参数，以生成所需的形状。　　新工艺引入了3D仿真技术来指导电子束，复制尺度在10纳米到1微米之间的复杂晶格和网格。这种模式会跟踪电子散射路径以及二次电子的释放，来预测材料表面的沉积图案，以及可视化实验的最终结构。　　美国高校研发纳米晶体油墨，用于3D打印晶体管　　晶体管是电子产品中最基本的构建单元，但制造晶体管却高度复杂，需要高温、高真空的设备。　　　　美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师在该校工程和应用科学学院 Cherie Kagan教授的带领下已经找到了一种制造新方法：将一种液体纳米晶体以“墨水”的形式用3D打印机顺序沉积其部件。　　据悉，Kagan的团队总共开发出了一组四种油墨，分别是：一种导体（银）、一种绝缘体（氧化铝）、一种半导体 （硒化镉），以及一种结合了掺杂剂的导体（银和铟的混合物）。科学家们可以通过向晶体管的半导体层掺杂杂质来控制装置传送正或负的电荷。　　科学家借助3D打印将优质纳米金属放大至宏观尺度　　弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）机械工程助理教授Xiaoyu Zheng领导的一个研究团队实现一种用3D打印机成功地按比例增大纳米结构材料的方法。　　　　他们制造出轻而有强度的高弹性金属纳米结构，并且将其成功按比例放大至数厘米。　　据悉，这些由分层3D建筑布置和纳米级空心管组成的多尺度金属材料的弹性比传统的轻金属和泡沫陶瓷高出4倍。此外，在纳米材料里，这些多层递阶结构的表面积不仅放大了材料的光学和电学性能，还可以到处收集光子能――除了在像光伏板这样的顶面上收集，还能在晶格结构内部收集。　　研究人员借此能模仿更广泛的天然材料。例如，许多骨结构是由从纳米级到宏观尺度的多层次3D结构组成的，而研究人员迄今都无法完全复制或控制这些3D结构。任何需要坚硬、有强度、轻而有韧性的材料的领域也都应该能从这种3D打印方法中受益。　　德国科学家直接用3D打印纳米级AFM探针　　原子力显微镜（AFM）使科学家能够在原子水平上研究表面。基本原理是使用悬臂上的一个探针来“感受”样本的形态，这种探针设计非常独特――或者非常长，或者形状很特殊，因此制造成本非常高。　　　　现在，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的一个研究小组开发出了一种新技术，该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针。　　双光子聚合是一种3D打印技术，可以实现分辨率非常出色的构建效果。它使用一种强心红外飞秒激光脉冲来激发可用紫外线光固化的光阻剂材料。这种材料可促进双光子吸附，从而引发聚合反应。在这种方式中，自由设计的组件可以在预计的地方被精确的3D打印，包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体。　　据该团队介绍，小探针的半径已经小到25纳米了，这大约是人类一根头发宽度的三千分之一，任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁上使用。　　艺术家用3D打印超小纳米雕塑　　这批比人类头发丝还要细小的雕塑耗费了艺术家近十个月的时间去设计、雕刻和绘制，而最终的成品也只有通过显微镜才有可能看的到。　　　　与针孔相对比的纳米雕塑　　　　与人类精子（右上角）对比　　　　在头发丝上　　此文为《3D打印世界》原创，欢迎转载，并请注明来源（转载自《3D打印世界》） 　　《3D打印世界》――中国3D打印行业第一本专业月刊（点击可在线阅读） 　　搜索官方微信账号：“3D打印世界”，新鲜、有料、深度3D打印资讯，尽在3D打印世界！　　阅读(0)举报欢迎举报抄袭、转载、暴力色情及含有欺诈和虚假信息的不良文章。");
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2020-11-20 16:37
来源:
云尚智造
微纳金属3D打印是在原子力显微镜平台上通过微流控制技术和电化学的方法实现微纳金属3D结构成型。可以在70微米的成型空间相当于人的头发丝截面内完成打印，且具备一定的机械性能。可实现2微米细节，可打印材料包括金，银，铜，铂等。
在直径0.06mm的头发上进行金属3D打印相信很多人听了都觉得不可思议无法完成，什么机器可以完成在头发丝上进行打印？现在跟大家介绍一下这款亚微米分辨率的金属 3D打印机， 由Exaddon AG开发的CERES系统可在环境条件下直接3D打印金属。该系统通过增材制造来构建亚微米分辨率的复杂结构，从而在微电子，MEMS和表面功能化等领域开辟了新视野。
CERES系统的示意图。该系统由直观的操作员软件控制，位于防震台上。控制器硬件位于桌子下方。
逐个体素和逐层执行打印过程，该过程允许90° 悬垂结构和独立式结构。金属打印工艺是基于体素的。体素定义为基本3D 块。体素以定义的坐标逐层堆叠，形成所需的2D或3D
几何形状。没有支撑结构的独立式结构和90°悬垂角度是可行的，带来了真正的设计自由度。通过离子尖偏转的实时反馈使打印过程自动化。当体素到达完成时，体素的顶侧与尖端相互作 用，使悬臂偏转微小量。该过程非常类似于以接 触模式运行的AFM悬臂。如果达到用户定义的偏转阈值，则将体素视为已打印。然后将尖端快速 缩回至安全的行进高度，然后移至下一个体素。
悬臂的体素坐标，打印压力和挠曲阈值在csv文件中指定。该文件已加载到打印机的操作员软件中。csv文件由Exaddon提供的设计助手（即所谓的Voxel Cloud Generator）生成。或者，可以通过任何能够导出纯文本文件的第三方软件来生成文件。
建立， 用于打印结构的电化学装置。稳压器施加电压以控制还原反应。体素由离子溶液构成，通过微流体压力控制器将离子溶液从离子尖端中推出，该微流体压力控制器以小于1mbar的精度调节施加的压力。在恒电位仪施加的适当电压下，还原反应将金属离子转化为固体金属。客户定义的离子溶液以及Exaddon提供的离子墨水可用于保证打印质量。离子溶液的一个例子是硫酸铜（CuSO4）在硫酸 （H2SO4）中的溶液。在工作电极上发生以下反 应：Cu2 +（aq）+ 2e-→Cu（s）。
像大多数电镀技术一样，电解池也需要导电液槽才能工作。在这种情况下，打印室将在pH = 3的水中充满硫酸，以使电流流动。对于在其上发生沉积的工作电极需要导电表面。稳压器控制用户定义的电位，并通过石墨对电极在电化学电池中提供电流。Ag / AgCl参比电极用
于测量工作电极电势。将所有电极浸入支持电解质中。两个高分辨率摄像头（顶视图和底视图）可实现离子头装载，打印机设置和打印结构的可视化。内置了计算机辅助对齐功能，可以在现有结构上进行打印。用于在例如芯片表面上预定义的电极上打印。该软件在打印期间和之后向用户提供每个体素遇到的成功，失败或困难的反馈。CERES系统还执行其他过程，例如2D纳米光刻和纳米颗粒沉积。该系统开放且灵活，因此用户也可以设计定制的沉积工艺。CERES系统是用于学术和工业研究的有前途的工具。它在微米级金属结构的增材制造中提供了空前的成熟度和控制能力。
目前微纳金属3D打印更多应用在微纳米加工、微纳结构研究、太赫兹芯片、微电路修复、微散热结构、微米高频天线、微观雕塑等领域，让这些领域中很多不可能变成了可能。更多关于3D打印的介绍请搜索关注云尚智造，欢迎您来咨询交流。返回搜狐，查看更多
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