近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馮繼成教授課題組受邀綜述“Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices”在《先進(jìn)材料技術(shù)》（Advanced Materials Technologies）上發(fā)表。文章概述了從3D納米打印到原子制造的相關(guān)基礎(chǔ)原理和挑戰(zhàn)，討論了3D納米打印如何與光刻主導(dǎo)的微納制造進(jìn)行對(duì)接，甚至有望取代基于光刻加工策略的主導(dǎo)地位。此外還進(jìn)一步展望了如何將AI并入3D納米打印和原子制造，剖析了工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)瓶頸，為3D納米制造技術(shù)發(fā)展提供了新思路和新指引。

納米尺度3D打印技術(shù)采用了一種“自下而上”的制造方法，與傳統(tǒng)的“自上而下”的光刻技術(shù)截然相反。這種創(chuàng)新技術(shù)通過(guò)精確操控材料的定向沉積，突破了傳統(tǒng)工藝在分辨率、材料多樣性和空間幾何復(fù)雜度上的局限，在下一代微納器件的原型設(shè)計(jì)和多功能結(jié)構(gòu)構(gòu)建等領(lǐng)域，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。作為當(dāng)前研究熱點(diǎn)，3D納米打印技術(shù)已取得諸多突破性進(jìn)展，但仍面臨產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用瓶頸，其增材制造路徑尚未對(duì)傳統(tǒng)納米制造領(lǐng)域產(chǎn)生顯著影響。在此背景下，作者從技術(shù)原理、規(guī)?；瘽摿拔磥?lái)發(fā)展方向等角度，對(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行了全面剖析。

圖1 現(xiàn)有3D 納米打印技術(shù)概述。物理噴嘴包括：直接墨水書(shū)寫(xiě)、電動(dòng)流體動(dòng)力噴射打印、彎月面控制直寫(xiě)、原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡。虛擬噴嘴包括：聚焦離子/電子束誘導(dǎo)沉積、雙光子聚合、磁場(chǎng)誘導(dǎo)的納米顆粒組裝和法拉第3D打印。

作者對(duì)3D納米打印技術(shù)做了詳細(xì)的追溯，并創(chuàng)新性地依據(jù)對(duì)材料在納米尺度進(jìn)行限制的原理，將微尺度3D打印方法劃分為兩大“門(mén)派”：實(shí)體和虛擬噴嘴（圖1）。最早出現(xiàn)并使用實(shí)體噴嘴的方法是墨水書(shū)寫(xiě)（DIW），其后續(xù)更新和發(fā)展，催生了電流體噴射的EHD以及基于彎液面流體控制的直寫(xiě)方法。而基于虛擬噴嘴的方法無(wú)需任何實(shí)物接觸，通過(guò)電場(chǎng)、磁場(chǎng)或激光等遠(yuǎn)程力來(lái)誘導(dǎo)材料的定向沉積，擺脫了物理噴嘴造成的空域限制，具有更高精度和靈活性。

作者重點(diǎn)探討了3D納米打印技術(shù)與當(dāng)前以光刻為主導(dǎo)的微納制造體系的融合潛力，甚至在未來(lái)實(shí)現(xiàn)替代的可能性。通過(guò)對(duì)比分析不同技術(shù)的規(guī)?；尚行?、多材料兼容性、原子精度等關(guān)鍵指標(biāo)，綜述評(píng)估了各類(lèi)方法的產(chǎn)業(yè)化潛力，并結(jié)合微電子和微納光學(xué)器件的實(shí)際應(yīng)用案例進(jìn)行了深入討論。同時(shí)，文章也強(qiáng)調(diào)了納米級(jí)3D打印目前尚存的諸多挑戰(zhàn)，包括難以達(dá)到高分辨率的規(guī)?；a(chǎn)、材料純度控制以及后續(xù)加工成本高昂等問(wèn)題。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，文中提出了通過(guò)人工智能優(yōu)化打印流程、開(kāi)發(fā)新型材料及混合制造策略等方法，以進(jìn)一步釋放納米級(jí)3D打印的潛力。

文章總結(jié)了納米級(jí)3D打印技術(shù)的長(zhǎng)期潛力，并展望了它在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。通過(guò)不斷優(yōu)化材料選擇和制造工藝，這項(xiàng)技術(shù)有望成為第四次工業(yè)革命的重要驅(qū)動(dòng)力，改變醫(yī)療、能源、微納光學(xué)和集成電路領(lǐng)域的微納器件的設(shè)計(jì)和制造方式。

論文共同第一作者是上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生殷鈺祥與劉柄言，通訊作者為馮繼成教授，上?？萍即髮W(xué)為唯一完成單位。

論文標(biāo)題：Nanoscale 3D printing for empowering future nanodevices

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202500083