OTMナノ3Dプリント技術により経済的な生産が可能に

出典：江蘇省レーザー産業技術革新戦略同盟

デイトン大学の物理学および電気光学研究者である Md Shah Alam、Qiwen Zhan、Chenglong Zhao は、ナノスケール (人間の髪の毛の 1000 分の 1 の大きさ) で、ナノ構造を製造してエラーを排除できる、より安価な 3D 印刷方法を開発した。彼らの研究結果は、トップクラスのナノテクノロジージャーナル「Nano Letters」に掲載されました。

材料を層ごとに追加して構造を形成する3Dプリンティング/付加製造は、エネルギー、バッテリー、構造エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、メタマテリアル、ロボット工学、マイクロ流体、ヘルスケア、薬物送達など、さまざまな分野で幅広い用途があるため、ますます注目を集めています。レーザーは、優れた指向性と対象材料への効率的なエネルギー伝達により、3D プリントにおけるマクロおよびマイクロ構造のラピッドプロトタイピングに広く使用されています。たとえば、高出力レーザービームによって微細な金属粒子を選択的に溶融または焼結し、複雑な 3D 金属部品を形成できます。しかし、既存のマクロおよびマイクロ 3D 印刷技術をナノスケール印刷、つまりナノプリンティングに直接縮小することは困難です。ナノ粒子は、独自の物理的および化学的特性を備えているため、カスタム設計された製品を大量かつ低コストで生産することができ、液体またはガス環境でのナノプリンティングの原料として最適です。ナノ粒子が互いに接触すると、静電気力またはファンデルワールス力によって互いに付着することができます。したがって、個々のナノ粒子を正確に操作して組み立て、最終構造を形成することで、ナノスケールで 3D ナノプリンティングを実現できます。

既存技術の限界<br /> 選択的表面パターン形成やキャピラリーアセンブリなどのテンプレート支援法は、ナノ粒子の 2D パターン形成に使用されていますが、達成するには複数のステップが必要です。光学的力に基づく光学印刷は、単一のコロイドナノ粒子を基板上に固定することができますが、印刷精度は液体環境におけるナノ粒子のブラウン運動によって基本的に制限され、また熱泳動力による 2D 製造によっても制限されます。レーザー誘起前方/後方転写 (LIFT/LIBT) 技術は、気体環境で 2D および 3D 構造を印刷するために使用できますが、パルスレーザーを使用する必要があります。電気流体力学印刷は、インクとしてナノ粒子溶液を使用して 3D ナノ構造を印刷する機能を備えていますが、個々のナノ粒子を制御する機能が欠けており、導電性表面を使用する必要があります。

ここで研究者らは、ナノスケール 3D 印刷の前述の限界を克服できる可能性のある光熱機械ナノ印刷 (OTM ナノ印刷) 技術を実証します。 OTMナノ粒子には、次のような独自の特徴があります。(1)誘電体ナノ粒子と金属ナノ粒子の両方をあらゆる種類の基板に印刷できます。(2)印刷エラーを修正できます。(3)パルスレーザーの代わりに連続波レーザーを使用します。(4)ナノプリンティングとナノ分離の両方が空気中で行われるため、液体環境での潜在的な汚染を回避できます。

図 1. 光電子熱機械ナノプリンティング (OTM ナノプリンティング) のメカニズムとナノ 3D プリンティングのデモンストレーション。金ナノ粒子溶液を最初に希釈し、次にドロップキャストして、ガラスカバーガラス上の柔らかい薄いポリジメチルシロキサン (PDMS) 層からなるドナー基板上に自然乾燥させました。テクノロジー

OTM ナノプリンティングには、基本的な光と物質の相互作用に加え、基板の熱力学的挙動、粒子と表面の相互作用、粒子のダイナミクスが関係します。ポリマー材料（この実験では PDMS）は柔軟性と弾力性が非常に高く、線熱膨張係数も大きい（PDMS の場合 3.2 × 10–4 °C–1）ため、AuNP のレーザー加熱による急激な温度変化にさらされると、表面付近に大きな熱膨張力が生じる可能性があります。空気中で乾燥した後、金属ナノ粒子（この実験では AuNP）はファンデルワールス力（Fv）によってドナー基板（この実験では PDMS）の表面に付着します（図 2a を参照）。 AuNP に焦点を絞ったレーザービームが照射されると、レーザーエネルギーが吸収され、その下のドナー基板が加熱され、その結果、ドナー基板が急速に熱膨張します。基板の熱膨張率は、基板材料の熱膨張係数と適用されるレーザー強度によって異なります。表面変形の初期段階では、ナノ粒子は膨張する基板と一緒に動きます (図 2b を参照)。定常温度に達する前に、基板の膨張率が増加するにつれてナノ粒子の速度は上昇し続けます。最終的に、基板の熱膨張率と AuNP の速度はピーク値に達します。したがって、光学的力が存在する場合、AuNP は基板から解放され、上方に移動します。

図2. OTM-NPプロセスの概略図。
図 3c～e に示すように、OTM-NP の脱着プロセスは、ナノヒーリングの印刷エラーを修正するためにも使用できます。文字「N」は、まず予熱しながら ITO コーティングされたガラス基板上に 14 個の 200 nm AuNP を 3D プリントすることによって印刷されました (図 3c を参照)。パターン「N」を修復するために、3 つの AuNP (赤い円でマーク) を文字から選択的に除去しました (図 3d を参照)。次に、図 3e に示すように、構造を修復するために、文字「N」に 2 つの新しい AuNP (青い円でマーク) が追加されました。図 3f は、OTM-NP とナノヒーリング技術を使用して印刷および修正された 200 nm AuNP で構成された単語「NANO」の光学画像を示しています。

図 3. 3D ナノプリンティングとナノ修復研究者らは、サブナノメートル規模での 3D ナノプリンティングとナノ修復を可能にする、手頃な価格の OTM-NP 法を実証することに成功しました。したがって、この技術は、メタサーフェスや 3D メタマテリアルなどの 2D および 3D 電子デバイスや光学デバイスの製造に使用できる可能性があります。最後に、これは、避けられない修正困難な印刷エラーを修正するためのナノ修復ツールとして使用される可能性があります。これにより、ナノテクノロジーによって実現されるアプリケーションにとってますます重要になっているナノ構造やデバイスを作成するための、手頃な価格の製造ツールがエンジニアに提供されます。この技術により、ユーザーは印刷プロセス中に発生するエラーを修正できます。エラー修正は、製造コストを削減し、生産ラインの成功率を向上させるために非常に重要です。

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