ORNL新型仿真技术可实现更精确的纳米3D打印

纳米级3D打印技术一直是全球3D打印领域的前沿，该技术的突破足以对科技和工程领域的诸多方面产生颠覆性的影响。想象一下，如果人类能够控制细菌那么大尺寸的对象的制造的话，那将带来多少潜在的可能性？

迄今为止，科学家们在创建这种不可能级别的细微结构时，经常使用的是一种被称为聚焦电子束诱导沉积FEBID）的技术，它本质上就是纳米尺度的3D打印。FEBID使用一种来自扫描电子显微镜的电子束来将气态前躯体分子凝结成固体沉积在表面上。

在以前，这种方法往往非常费劲、容易出错，而且难以创建比几个纳米大的复杂结构。而现在，来自美国能源部橡树岭国家实验室ORNL）的一个团队与田纳西大学、Graz技术大学进行合作，开发出了一种基于仿真的强大工艺，以改善FEBID技术，同时也为纳米制造引入了新的可能性。

据该研究团队负责人Jason Fowlkes介绍说，这个新系统将设计和建造集成到了一个精简的过程里，以创造出复杂的3D纳米结构。

该研究的共同作者，来自奥地利Graz技术大学的Harald Plank说，这种精确地设计定制化纳米结构的能力“在低纳米尺度下的3D表面等离子光学、独立式纳米传感器和纳米机械元素等领域开辟了一系列全新的应用，这些应用使用其它技术根本不可能实现。”

据天工社了解，该过程使用了一种3D仿真技术来指导电子束和复制尺度在10纳米到1微米之间的复杂晶格和网格。这种模式会跟踪电子散射路径以及二次电子的释放，来预测材料表面的沉积图案，以及可视化实验的最终结构。

科学家们创建了一个32面的网格结构来测试该模拟精确构建复杂几何形状的能力。左侧是实验成品的扫描电镜SEM）图，其与通过虚拟SEM图像中间）预测的结构高度一致，与模拟的设计模型右）也十分一致。高分辨率图像）

据Fowlkes称，这项研究成果的创新之处在于将实验与仿真充分结合了起来。仿真指导了实验性的构建，而完成的实验反过来对模拟的精度和强度提供了反馈。设计被送入模拟及绘制程序，由二次电子活动导致的两者之间的任何不一致都可以在实验前被发现。

“简单地说，一旦我们发现了不想要的二次电子散射形状，我们可以围绕它们进行设计。”Fowlkes说。

研究人员们称，虽然比CNMS洁净室里的其他可用的纳米制造方法要慢一些，但FEBID是唯一能制造出高保真3D纳米结构的技术。由于无法在建造过程中“看到”纳米结构，研究人员以前只能依靠不断试错，手动调整生成参数，以生成所需的形状。

Fowlkes称该团队目前正专注于完全净化碳污染的结构。该净化技术，被称为原位净化，可以在构建过程中去除杂质，它主要利用水或氧气与激光一起释放前驱体中的残炭，并将其冲洗出结构。该仿真甚至可以纳入碳去除过程的应力，以及可以预见最终产品的变化。

更多有关纳米结构和仿真的信息可参阅该团队在《ACS Nano》杂志上发表的论文《在仿真指导下通过聚焦电子束诱导沉积进行3D纳米制造Simulation-guided 3-D nanomanufacturing via focused electron beam induced deposition）》。

使用FEBID技术构建250纳米3D立方体的计算机模拟。电子束绿色锥体）散射电子绿线），与气体熔剂灰色箭头）中的前驱体进行交互，形成固体沉积模拟为像素）在衬底上