中文
English

金属微结构在工业中有着广泛的应用，尤其是在电磁或光学领域的应用。这些应用通常需要具有特定电导率、机械性能和热导率的金属结构。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，也称为3D打印，通过逐层沉积的方式，能够突破传统制造过程中的几何约束，制造出定制化的金属结构。随着技术的发展，已经能够打印出不同尺度的金属结构，从宏观尺度的火箭发动机、整体叶盘，到微观尺度的光学微器件和微电子设备。

尽管宏观尺度的增材制造技术已经能够制造出高分辨率的复杂结构，微尺度增材制造仍面临一些挑战。现有的金属微尺度增材制造技术，如直接墨水写入（DIW）、电液动力打印（EHD）和聚焦电子/离子束诱导沉积（FEBID/FIBID），虽然能够实现高分辨率的打印，但在制备高强度和高导电性金属结构方面存在困难。例如，DIW和EHD依赖于金属纳米颗粒，这些颗粒在固化后形成的微结构周围含有导电性较差的有机杂质，导致金属结构的强度和导电性降低。而FEBID/FIBID虽然具有高分辨率和低制造复杂性，但制备出的金属结构金属纯度低，通常只有10-20原子百分比，这同样会降低金属结构的强度和导电性。

针对以上问题，南京航空航天大学团队利用泽攸科技SEM纳米力测量系统进行打印过程中的力监测和控制，并结合CCLE技术，即一种基于冷约束局部电镀的亚微米尺度3D打印技术，成功制备了亚微米尺寸的高质量三维铜结构。相关研究成果以“Sub-microscale 3D printing based on cold-constrained local electrodeposition”发表在Virtual and Physical Prototyping期刊上。

研究中，打印过程通过一个三电极系统进行，使用清洁的金基底作为工作电极，铂电极和银/氯化银电极分别作为对电极和准参比电极。打印过程中，支撑电解液被冷却，使用三轴纳米精度运动平台移动纳米移液管，按照C语言编写的打印程序进行操作。为了优化打印过程，研究人员调整了电位和压力等参数，以控制打印结构的形态。通过打印柱状阵列来进行参数优化，研究了不同电位和压力对打印质量的影响。

图 CCLE打印过程：(a) CCLE的原理图；(b) 逐体素打印

研究人员还使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、聚焦离子束（FIB）等工具对打印出的微结构进行了详细的表征。结果表明，CCLE技术能够打印出具有高度均匀沉积、光滑表面和高强度的亚微米级结构。此外，通过原位SEM微压缩实验，研究人员测试了打印微柱体的机械性能。实验结果显示，打印出的微柱体具有良好的机械稳定性和高强度，特别是在5°C下打印的微柱体展现出更高的应力。

图 电沉积电解液在支撑电解液中的微观扩散过程：(a) 打印设置；(b) 打印池；(c) 纳米移液管；(d) 不同温度下的扩散

研究人员还尝试打印了具有高宽比的螺旋形结构和微柱体，以评估CCLE技术在制造复杂三维结构方面的能力，可以看出CCLE技术能够成功打印出这些具有挑战性的结构。

图 在不同条件下打印的螺旋形结构和高宽比微柱体的扫描电子显微镜（SEM）图像

综上，研究展示了CCLE技术在亚微米级金属微结构打印方面的潜力，并指出了未来研究的方向。尽管CCLE技术在表面质量、打印精度和金属结构性能方面显示出优势，但仍需要进一步提高打印速度和制造复杂三维结构的能力。未来的研究将探索通过进一步降低温度和减小纳米移液管的开口尺寸来实现纳米级打印的可能性，并对CCLE技术的打印过程和参数进行优化，以实现更大规模结构的打印。

图 使用泽攸科技纳米力测量系统进行原位SEM微压缩实验的结果

本研究中使用的泽攸科技SEM纳米力测量系统通常用于高精度的力学测试，包括压缩、拉伸和弯曲等，能够在微观尺度上评估材料的力学行为，如弹性模量、硬度和塑性变形等特性。这类设备对于材料科学、纳米技术和微电子机械系统(MEMS)等领域的研究至关重要。

以上就是泽攸科技小编分享的泽攸科技SEM纳米力测量系统在低温约束局部电镀3D打印中的应用。更多产品及价格请咨询15756003283(微信同号)。