華中科技大学先端科学技術学部の熊偉教授のチーム:異種金属酸化物のナノ3Dプリントの新しい方法

華中科技大学先端科学技術学部の熊偉教授のチーム:異種金属酸化物のナノ3Dプリントの新しい方法
2024年6月、華中科技大学武漢国立光電子研究センターの熊偉教授のチームは、新しい金属酸化物ナノ3Dプリント方法を提案しました。研究チームは、ヒスチジンが血液中の微量元素を輸送する役割に着想を得て、金属イオン配位水溶性(MISCWS)樹脂を開発・調製し、さまざまな金属酸化物の3Dマイクロナノ構造と機能デバイスの製造を実現しました。さらに、MISCWS樹脂の相乗的な配位効果により、ポリマー内の無機質量分率が2.54倍に増加し、金属酸化物3Dマイクロナノ構造の形態歪みが効果的に低減されました。この研究は、金属酸化物をベースにしたさまざまなマイクロ機能デバイスの製造への道を開くものです。関連する研究結果は、「形状忠実度の高い異種金属酸化物の 3D ナノプリント」というタイトルで Advanced Materials に掲載されました。

金属酸化物は、半導体性、圧電性、光透過性、擬似容量などのユニークな特性を持ち、さまざまな機能デバイスや集積システムの製造に欠かせない材料です。 3D マイクロナノ構造は、金属酸化物機能デバイスの性能を大幅に向上させるだけでなく、3D フォトニック結晶、異方性電気機械応答、高強度軽量メタマテリアル構造など、2D デバイスでは実現できない機能も実現します。 100 ナノメートル未満の解像度でのほぼ無制限の 3D 印刷の自由度のおかげで、2 光子重合技術は、微細で複雑な金属酸化物の 3D 構造を印刷できる可能性があります。近年、金属酸化物のマイクロナノ 3D プリンティングは多くの進歩を遂げてきましたが、材料の種類の制限、形態の歪みがひどい、製造速度が遅い、異種統合が難しいなどの課題に常に直面してきました。

上記の困難に対応するため、熊偉教授のチームは、イミダゾールとアクリル酸による水中の金属イオンの相乗的配位の物理的メカニズムを設計し、このメカニズムを使用して、図1に示すように、MnO2、Cr2O3、Co3O4、Al2O3、NiO、MgO、ZnOなどのさまざまな金属酸化物のナノスケール3Dプリント用の一連のMISCWS樹脂を開発しました。さらに、アクリル酸と 1-ビニルイミダゾールと金属イオンとの相乗的な配位により、3D ポリマー テンプレート内の金属イオン含有量を 30.5 wt% まで増加させることができます。この含有量は、これまでの文献で報告されている金属含有量の少なくとも 2.54 倍であり、熱分解後の構造の形態的歪みを効果的に緩和します。

図1. MISCWS樹脂の製造原理と、この樹脂を使用して印刷された金属酸化物3Dマイクロナノ構造。
研究チームは、異なる金属イオンを含むMISCWS樹脂を順次レーザー3Dプリントすることで、2つの金属要素が入れ子になった2次元の「太極」構造、3次元の「ケイトリング」構造、4つの金属要素が入れ子になった「リング」構造(図2)を作成し、高精度のマルチマテリアル異種印刷を実現し、その後の3次元統合マイクロシステムの製造への道を開いた。

図2. 複数の材料のナノスケール異種3Dプリント。研究チームはさらに、200 ppmのNO2環境で最大111万3000の感度を持つ3D多孔質酸化亜鉛ガスセンサーも製造しました。これは、従来の2次元センサーよりも少なくとも10倍の感度です。さらに、図 3 に示すように、このセンサーは優れたガス選択性 (NO2 に対する感度は他のガスよりも少なくとも 4 桁高い) と直線性 (相関係数は 0.957) も示しています。

図3. 3D酸化亜鉛マイクロセンサーのガス検知性能。武漢国立光電子研究センターの2021年博士課程学生である胡華策氏が論文の筆頭著者であり、熊偉教授が論文の責任著者である。研究ユニットは華中科技大学と湖北光学谷研究所である。この研究は、国家重点研究開発計画、中国国家自然科学基金、中央大学基礎事業費、およびオプティクスバレー研究所イノベーション研究プロジェクトによって資金提供されました。


論文リンク: https://doi.org/10.1002/adma.202405053


出典:華中科技大学武漢国立光電子研究センター




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