传统方法中使用光刻胶辅助构建“法拉第3D打印”的微电场，不稳定且不可控，容易干扰和破坏打印。近期，上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组在电场空间构型控制方面取得了重要突破，提出了一种新的电场构筑方法：利用三块平行极板的电势精确控制电场空间构型，中间极板类似电饭煲中的蒸笼结构，其阵列通孔用于电力线“画笔”笔头穿过，最下端极板作为打印基底。通过这一方法得到的电场稳定可控，可精确控制打印的纳米结构。相关研究成果发表于国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials），并以 “Parallel 3D Nanoprinting”为主题荣登背封面（图1）。
图1. 文章被 Advanced Functional Materials选为背封面
器件小型化、智能化、高集成度、高密度和信息传输速度的超快化等成为微纳制造技术发展的新趋势。解决“材料本征特性+微纳三维加工技术”等核心科学问题，创建程控化的绿色微纳制造系统被认为是未来发展的战略方向。微纳金属3D打印能够直接构建复杂的三维金属结构，为新一代微纳器件提供了创新的可能。但传统方法在材料、精度、尺度和速度等关键参数面临挑战。因此，对新型微纳金属3D打印方法的研究势在必行。
冯继成课题组自主研发的“法拉第3D打印”技术是一种微纳加工的创新模式。通过巧妙控制电力线纳米“画笔”和垂直流场的耦合，将金属带电纳米粒子精准组装成三维纳米结构阵列，其所得结构均匀性高，可适用于任意金属材料的精准打印，且不受光源波长尺寸限制，具有独特的阵列并行打印能力。
图2. 人体站在平整地面上，地面等势线扭曲产生聚束电力线
图3. 三极板构造“电力线画笔”的物理原理及过程
平坦大地外部的等势线是均匀分布，然而当人站在地面上时，周围的等势线会发生扭曲变形（图2）。基于这一原理，冯继成课题组运用共形映射得到了用于打印的三极板电场构造（图3）。首先，将垂直等势极板两端弯曲成“单边中括号”形状，接着将垂直部分弯折成“加和运算符”形状，然后剪断两端并叠加成一块中间极板。将上极板移到无限远处后，平移中间极板形成单孔结构。这一过程通过复变函数分析可精确描述单孔的等势线和电场线分布（见图3b）。为满足实际打印条件，冯继成课题组使用COMSOL模拟空间电场构型，并通过电力线守恒对“电力线画笔”实时原位调控，从而实现了对打印结构尺寸的精准控制。通过调整三极板的电势，还能进一步实现对“笔头状”电力线尺寸的调控。
图4. 自主研制的“法拉第3D打印机”的示意图及其打印的纳米柱阵列和光栅结构
图5. 电力线画笔粗细的精准调控：理论预测与实验结果高度吻合
图6. 电力线画笔的笔头的动态变化与纳米柱阵列的打印
为了可视化电力线的存在，冯继成课题组在基底上快速打印了斑点，并通过斑点的尺寸来反映电力线画笔的粗细（见图5）。图6展示了在结构生长过程中，由于尖端的场强增强效应，电力线画笔笔头动态变化的打印过程展示。实验结果与计算模拟一致，这证明了通过电势调控实现精确控制结构尺寸的可行性。
图7. 直径可控的纳米柱阵列打印及其优秀的导电和机械性能
在上述理论指导下，该工作通过电势调控成功构建了尺寸线性变化的纳米柱。其力学性能处于文献报道中的前20%，导电性更是同类材料的3倍以上。通过使用聚焦离子束（FIB）进行切割并观察内部形貌，发现该结构内部均匀致密，这是其性能优异的重要原因之一。这一结果主要得益于打印所使用的超小纳米粒子（直径小于5 nm）极高的表面能，其类液滴特性使其在接触结构后直接发生融合。
图8. 打印结构的密度倍增与“敲章”方式扩增打印面积的展示
此外，该工作还演示了通过移动基底的方法实现了打印结构的密度倍增及其打印面积的扩展。这为大面积打印金属3D纳米结构阵列提供了潜在的解决方案。
作为一种利用电场控制带电纳米粒子进行定点组装打印的新技术，法拉第3D打印在常温常压下运行，无需使用液态试剂，完全在纯气相的“干燥”环境中确保了打印材料的高纯。此外，这项技术高效节能，单次打印仅需1瓦的能耗。使用带电孔洞板进行移动式打印，具有更高的灵活性和实用性。冯继成课题组长期致力于该技术的研究，并将在未来持续改进和优化系统，拓宽与该技术兼容的材料类型和半导体产线，提升技术的集成化和自动化水平，研发商业化的法拉第3D打印机，助力集成电路领域微纳制造技术的发展。
本工作的第一作者为上海科技大学物质学院2023级博士研究生刘仕荣，通讯作者为冯继成教授，上海科技大学为唯一完成单位。
论文标题：Programmable and Parallel 3D Nanoprinting Using Configured Electric Fields
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202470076
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