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普渡大学使用3D打印机制造超表面纳米天线阵列

       来自普渡大学的吉钦普拉巴使用双光子聚合探索了AM工艺的制作过程,该过程可用于光学、超材料和表面、微流体、组织工程和生物打印等多种应用,同时进一步探索了提供药物的创新方法。普拉巴概述了他在“光学超表面纳米天线阵列的3D打印”中的工作,讨论了如何在所谓的真正的3D打印中制作纳米结构。


普渡大学


       在这项研究中,普拉巴采用双光子制造技术,通过Diabloo天线阵列在玻璃基板上打印出一个超表面,然后涂上金。虽然可以通过多种方式进行微加工,普拉巴指出,多光子吸收是优越的,因为它只有一个激光束的3D打印来处理复杂的几何图形能力。

       普拉巴说:“这一过程可以被视为真正的3D打印,因为与逐层进行的其他3D打印制造方法相比,焦点的3D扫描能够以真正的3D方式形成结构。”基于双光子吸收的自由基光聚合是实现这一非凡壮举的原因。双光子吸收是指同时吸收两个光子,以将分子的能级从一种状态提高到更高的激发状态。”



       (a)线性激发与双光子激发(b)两种情况下光束轴中心的空间强度分布。横向整合的激发分子的轮廓显示在每个3D图的左侧

       利用800纳米飞秒激光制作了纳米天线阵列,并用扫描电子显微镜和傅立叶变换红外光谱仪对其进行了研究。

       “对于非常小且通过添加淬火剂以更高分辨率打印的结构,上述传统的切片方式导致结构边缘较厚,顶部不光滑。对于像Diabolo天线这样的纳米天线结构,设计了一种新型扫描方法。



       (a)显示玻璃上厚度为t的金结构、其他尺寸和电场极化方向的Diabolo天线的模拟模型,(b)磁场增强(g=t=50 nm,d=310 nm,λ=1940 nm)激发结果显示中心热点具有峰值磁场增强效应。正火220,磁场无金结构

       在使用这种方法时,天线在Autodesk Inventor中设计,然后使用slic3r将其切成层。天线阵列以40×40μm或50×50μm的速度打印在盖玻片基板上,通过电子束蒸发镀上55nm厚的金。各种优化参数包括:

       结构高度

       x和y的周期性

       领结长度和宽度

       颈部长度和宽度

       金涂层厚度


(a)微流体用微阀截面图[8](b)药物用微笼装置交付[9](c)超材料的一个例子-超轻微晶格[10](d)利用多光子高阶衍射模式的静电可调谐等离子体器件聚合三维微弹簧


       “通过模拟优化了天线参数,图中显示了临界参数变化的影响,并计算了4.04微米共振条件下的零反射。吸光度是用体积损失密度方程计算的,”作者总结说。天线和聚合物中的吸收可以忽略不计,在共振条件下,孔径中的吸收峰值为50%。透射率图显示,共振时透射率峰值接近反射倾角,共振时透射率约为50%。傅立叶变换红外(FTIR)实验表明,在波长为6.6微米的情况下,极化依赖性下降至40%。这种下降和较浅下降位置的变化可能是由于制造误差造成的,例如天线尺寸和位置之间的微小变化。



       具有尺寸的Diabloo天线的CAD模型顶视图,(b)高度为400nm的天线倾斜视图,(c)层的常规扫描模式,(d)层的过扫描模式,红线表示激光器开启。

       本文所讨论的制造方法包括双光子打印和电子束蒸发,是一种可行的纳米天线打印方法。这种方法可以很容易地制作出更复杂的天线3D几何图形,因为第一步是3D打印过程。”

       3D打印在当今几乎每一个行业都适用,但对于致力于创建复杂几何图形和结构的研究人员和科学家非常有用,而且通常是在纳米或微尺度上,从制造金属结构到制造高分辨率零件,以及用于更流线型微加工的设备。


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