納米級3D打印技術(shù)一直是全球3D打印領(lǐng)域的前沿，該技術(shù)的突破足以對科技和工程領(lǐng)域的諸多方面產(chǎn)生顛覆性的影響。想象一下，如果人類能夠控制細(xì)菌那么大尺寸的對象的制造的話，那將帶來多少潛在的可能性？

迄今為止，科學(xué)家們在創(chuàng)建這種不可能級別的細(xì)微結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常使用的是一種被稱為聚焦電子束誘導(dǎo)沉積（FEBID）的技術(shù)，它本質(zhì)上就是納米尺度的3D打印。FEBID使用一種來自掃描電子顯微鏡的電子束來將氣態(tài)前軀體分子凝結(jié)成固體沉積在表面上。

在以前，這種方法往往非常費(fèi)勁、容易出錯(cuò)，而且難以創(chuàng)建比幾個(gè)納米大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。而現(xiàn)在，來自美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)與田納西大學(xué)、Graz技術(shù)大學(xué)進(jìn)行合作，開發(fā)出了一種基于仿真的強(qiáng)大工藝，以改善FEBID技術(shù)，同時(shí)也為納米制造引入了新的可能性。

據(jù)該研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Jason Fowlkes介紹說，這個(gè)新系統(tǒng)將設(shè)計(jì)和建造集成到了一個(gè)精簡的過程里，以創(chuàng)造出復(fù)雜的3D納米結(jié)構(gòu)。

該研究的共同作者，來自奧地利Graz技術(shù)大學(xué)的Harald Plank說，這種精確地設(shè)計(jì)定制化納米結(jié)構(gòu)的能力“在低納米尺度下的3D表面等離子光學(xué)、獨(dú)立式納米傳感器和納米機(jī)械元素等領(lǐng)域開辟了一系列全新的應(yīng)用，這些應(yīng)用使用其它技術(shù)根本不可能實(shí)現(xiàn)?！?/span>

據(jù)悉，該過程使用了一種3D仿真技術(shù)來指導(dǎo)電子束和復(fù)制尺度在10納米到1微米之間的復(fù)雜晶格和網(wǎng)格。這種模式會跟蹤電子散射路徑以及二次電子的釋放，來預(yù)測材料表面的沉積圖案，以及可視化實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們創(chuàng)建了一個(gè)32面的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來測試該模擬精確構(gòu)建復(fù)雜幾何形狀的能力。左側(cè)是實(shí)驗(yàn)成品的掃描電鏡（SEM）圖，其與通過虛擬SEM圖像（中間）預(yù)測的結(jié)構(gòu)高度一致，與模擬的設(shè)計(jì)模型（右）也十分一致。

據(jù)Fowlkes稱，這項(xiàng)研究成果的創(chuàng)新之處在于將實(shí)驗(yàn)與仿真充分結(jié)合了起來。仿真指導(dǎo)了實(shí)驗(yàn)性的構(gòu)建，而完成的實(shí)驗(yàn)反過來對模擬的精度和強(qiáng)度提供了反饋。設(shè)計(jì)被送入模擬及繪制程序，由二次電子活動(dòng)導(dǎo)致的兩者之間的任何不一致都可以在實(shí)驗(yàn)前被發(fā)現(xiàn)。

“簡單地說，一旦我們發(fā)現(xiàn)了不想要的二次電子散射形狀，我們可以圍繞它們進(jìn)行設(shè)計(jì)。”Fowlkes說。

研究人員們稱，雖然比CNMS潔凈室里的其他可用的納米制造方法要慢一些，但FEBID是唯一能制造出高保真3D納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)。由于無法在建造過程中“看到”納米結(jié)構(gòu)，研究人員以前只能依靠不斷試錯(cuò)，手動(dòng)調(diào)整生成參數(shù)，以生成所需的形狀。

Fowlkes稱該團(tuán)隊(duì)目前正專注于完全凈化碳污染的結(jié)構(gòu)。該凈化技術(shù)，被稱為原位凈化，可以在構(gòu)建過程中去除雜質(zhì)，它主要利用水或氧氣與激光一起釋放前驅(qū)體中的殘?zhí)?，并將其沖洗出結(jié)構(gòu)。該仿真甚至可以納入碳去除過程的應(yīng)力，以及可以預(yù)見最終產(chǎn)品的變化。