撰稿人 | Theo（中科大，博士生）

金屬微結構因為其優異的導電特性成為芯片內部功能電子器件的核心關鍵部件，而且通過特定的三維微結構化設計后的元器件則呈現出與平面金屬結構不同的特殊性質，在微機電系統、光電子器件、等離子體材料、柔性電子領域擁有著廣泛的應用。

然而，制造出高品質的三維結構仍然具有挑戰性，傳統的方法首先制備模具，隨后通過電鍍等方法形成高品質的三維金屬結構，但是極慢的生成速率、極其復雜的附加處理步驟與無法片上集成的缺點限制了其在工業大批量方向的發展。

選擇性激光或電子束熔融技術、直接墨水書寫三維打印技術、電流體動力噴墨打印技術等只適用于某些特定三維結構，不能拓展至所有三維結構的設計，在應用方面具有很高的局限性。

所以，三維金屬微結構制備需要更加優異與普適的方法。

圖1：三維金屬微結構

激光誘導光還原技術（Laser-Induced Photoreduction, LPR），將激光束聚焦到光致抗蝕劑中，在焦點附近通過對激光輻射的多光子吸收來觸發光還原反應以提供還原電位。而在光致抗蝕劑中的金屬前體被局部還原成中性金屬原子，并通過隨后的成核、生長和團聚來形成特定的三維金屬微結構，該方法最大的特點在于對于任意的三維微結構均適用。

圖2：激光誘導光還原示意圖

隨著技術的不斷發展，科學家們已經通過這種方法制備出來了品質優良的二維金/銀微結構。但是由于粒子與光相互作用導致金屬原子不受控制的生長與團聚，造成三維結構無法按照設計形成；同時反應產物對于形成結構的惡化。這些都是利用激光誘導光還原技術制備高性能三維金屬微結構的挑戰。

而對于光致抗蝕劑的改進，成為了解決這個問題的一種有效途徑。

理想的光致抗蝕劑

·當被波長780nm光子激發時，對于相應的反應具有極強的選擇性，使得對于反應沒有貢獻的能量應該很快地從系統中消散以避免不良的副作用。

·可以被不斷演變生成的金屬原子結構置換，并且容易沖洗溶解去除以保障形成三維金屬結構的完整性與電學特性。

基于以上考慮，來自德國弗勞恩霍夫協會技術數學與經濟數學研究所（ITWM）的研究人員將液體明膠作為基體材料、氯化銀溶液作為銀前體混合形成光致抗蝕劑。（采用液體明膠作為基體材料與傳統聚合物基體材料相比，能夠分散和負載大量的金屬前體，以保障足夠多的金屬原子的產生）；

而且，其在反應過程中可以被不斷生成的銀微結構置換，反應完成后可以很容易地被溶解去除，這種性質對于形成三維銀微結構的高純度、高密度、高導電特性提供了保障。

總之，這種新材料同時承擔著還原劑、銀前體的粘性溶劑和穩定劑的作用，是一種理想的光致抗蝕劑，可以形成各種任意的三維金屬微結構。

圖3：三維銀微結構示意圖

該成果以 Photosensitive Material Enabling Direct Fabrication of Filigree 3D Silver Microstructures via Laser-Induced Photoreductio 為題發表在 Light: Advanced Manufacturing。

研究人員通過制備多種三維銀微結構來驗證其對于不同類型三維結構的適用性。

針對于具有挑戰性的懸伸結構，得益于明膠材料的高粘性為這類結構的實現提供了可能性，采用自頂向下的寫入方式則可以制備出高品質的螺旋線、直角懸梁等微結構；

針對于薄壁封閉結構，得益于新材料與逐層寫入的優勢制備出高精度、高密度、高導電的微型喇叭天線陣列與空心金字塔微結構。最后通過三維螺旋陣列的手性光學響應來表明其在功能電子與光學元件上應用的潛力。

圖4：激光誘導光還原制備出的各種金屬微結構

該項工作提出了一種新型光致抗蝕劑，能夠通過激光誘導光還原技術制備出高導電性能的幾乎任意三維銀微結構。

這種材料和技術非常適合制造導電的三維微米級組件。未來，這樣制造的組件將應用到芯片上的集成，該技術將微電子技術帶到了新的維度。

論文信息

Erik Hagen Waller, Julian Karst, Georg von Freymann. Photosensitive Material Enabling Direct Fabrication of Filigree 3D Silver Microstructures via Laser-Induced Photoreduction[J]. Light: Advanced Manufacturing.

論文地址

https://doi.org/10.37188/lam.2021.008

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編輯 | 趙陽

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