微纳金属3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-05-22 17:31 标签： 金属探针

目前，微米尺度金属结构的增材制造主要采用三种策略：微立体光刻模板的金属化、金属材料的转移-烧结以及原位金属合成。其中，基于金属离子局部电化学还原反应的电化学沉积3D打印技术采用原位金属合成的方式，无需进行任何后处理。该技术使用金属盐溶液作为原料，在打印过程中，金属盐溶液通过打印喷嘴喷射到导电基底上，当溶液接触到基底时，金属离子发生还原反应形成金属沉积层。

本研究论文介绍了一种基于力学控制的金属电化学沉积3D打印技术，该技术采用中空原子力显微镜(AFM)悬臂梁在标准三电极电解池中局部喷涂金属离子，从而发生局部电镀反应。中空悬臂梁偏转反馈信号可以实时监测体素的生长，进而实现打印过程的自动化；而且该技术无需进行参数校准，可在导电基底任意位置进行打印。基于以上优势，该技术可自动成型任意形状的3D结构。研究人员利用该技术打印了两个不同比例的大卫雕像铜复制品。虽然铜是最合适的电沉积金属，但该技术同样适用于可宏观电镀的所有金属。

图1. 基于力学控制的电化学沉积3D打印技术制备两个并排支柱的示意图

比例为1:10000和1:70000的大卫雕像复制品的SEM图。a-c：比例为1:10000、高度为700μm的复制品；图a插图、图b插图及d图：比例为1:70000、高度为100μm的复制品

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微纳金属3D打印是在原子力显微镜平台上通过微流控制技术和电化学的方法实现微纳金属3D结构成型。可以在70微米的成型空间相当于人的头发丝截面内完成打印，且具备一定的机械性能。可实现2微米细节，可打印材料包括金，银，铜，铂等。


在直径0.06mm的头发上进行金属3D打印相信很多人听了都觉得不可思议无法完成，什么机器可以完成在头发丝上进行打印？现在跟大家介绍一下这款亚微米分辨率的金属 3D打印机， 由Exaddon AG开发的CERES系统可在环境条件下直接3D打印金属。该系统通过增材制造来构建亚微米分辨率的复杂结构，从而在微电子，MEMS和表面功能化等领域开辟了新视野。


CERES系统的示意图。该系统由直观的操作员软件控制，位于防震台上。控制器硬件位于桌子下方。



逐个体素和逐层执行打印过程，该过程允许90° 悬垂结构和独立式结构。金属打印工艺是基于体素的。体素定义为基本3D 块。体素以定义的坐标逐层堆叠，形成所需的2D或3D

几何形状。没有支撑结构的独立式结构和90°悬垂角度是可行的，带来了真正的设计自由度。通过离子尖偏转的实时反馈使打印过程自动化。当体素到达完成时，体素的顶侧与尖端相互作 用，使悬臂偏转微小量。该过程非常类似于以接 触模式运行的AFM悬臂。如果达到用户定义的偏转阈值，则将体素视为已打印。然后将尖端快速 缩回至安全的行进高度，然后移至下一个体素。

悬臂的体素坐标，打印压力和挠曲阈值在csv文件中指定。该文件已加载到打印机的操作员软件中。csv文件由Exaddon提供的设计助手（即所谓的Voxel Cloud Generator）生成。或者，可以通过任何能够导出纯文本文件的第三方软件来生成文件。


建立， 用于打印结构的电化学装置。稳压器施加电压以控制还原反应。体素由离子溶液构成，通过微流体压力控制器将离子溶液从离子尖端中推出，该微流体压力控制器以小于1mbar的精度调节施加的压力。在恒电位仪施加的适当电压下，还原反应将金属离子转化为固体金属。客户定义的离子溶液以及Exaddon提供的离子墨水可用于保证打印质量。离子溶液的一个例子是硫酸铜（CuSO4）在硫酸 （H2SO4）中的溶液。在工作电极上发生以下反 应：Cu2 +（aq）+ 2e-→Cu（s）。


像大多数电镀技术一样，电解池也需要导电液槽才能工作。在这种情况下，打印室将在pH = 3的水中充满硫酸，以使电流流动。对于在其上发生沉积的工作电极需要导电表面。稳压器控制用户定义的电位，并通过石墨对电极在电化学电池中提供电流。Ag / AgCl参比电极用

于测量工作电极电势。将所有电极浸入支持电解质中。两个高分辨率摄像头（顶视图和底视图）可实现离子头装载，打印机设置和打印结构的可视化。内置了计算机辅助对齐功能，可以在现有结构上进行打印。用于在例如芯片表面上预定义的电极上打印。该软件在打印期间和之后向用户提供每个体素遇到的成功，失败或困难的反馈。CERES系统还执行其他过程，例如2D纳米光刻和纳米颗粒沉积。该系统开放且灵活，因此用户也可以设计定制的沉积工艺。CERES系统是用于学术和工业研究的有前途的工具。它在微米级金属结构的增材制造中提供了空前的成熟度和控制能力。

目前微纳金属3D打印更多应用在微纳米加工、微纳结构研究、太赫兹芯片、微电路修复、微散热结构、微米高频天线、微观雕塑等领域，让这些领域中很多不可能变成了可能。更多关于3D打印的介绍请搜索关注云尚智造，欢迎您来咨询交流。

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