本研究由伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的Boqiang Qian及其团队完成，发表在《Manufacturing Letters》期刊上。该论文探讨了利用固态超离子印刷技术（S4）进行等离子体图像再现的制造路径，旨在为单次使用的纳米设备提供一种经济可行的制造方案。
随着纳米制造技术的进步，利用纳米级结构生成颜色的可能性引起了研究人员的广泛关注。传统的金属纳米结构制造方法通常依赖于真空基础的深亚微米光刻技术，这些方法虽然能够生产任意的二维形状，但在经济上难以支持单次使用的设备，如化学和生物传感器基底。因此，研究团队提出了一种新的制造路径，结合了可重复使用的母模和一种独特的电化学印刷过程——固态超离子印刷（S4），以经济可行的方式生产多个复制的金属纳米结构。
研究首先通过计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）工具，利用直接写入的双光子光刻（TPL）技术快速生成硅母模。
该母模用于热压印制超离子玻璃模具，随后通过S4过程在银基底上再现图案。研究中使用了亨利·马蒂斯的《红鱼的猫》作为示例图像，展示了从软件工具生成硅母模到使用S4过程进行电化学蚀刻的完整制造路径。研究团队开发了一种Python脚本，将选定的图像导入并生成用于Nanoscribe Photonic Professional GT2直接写入TPL机器的“gwl”文件。该脚本通过图像加载、像素提取、颜色映射和代码文件生成等步骤，将图像映射为二维的微米级像素阵列。每个像素由一组纳米级宽度的线条组成，适当的间距产生所需的颜色。
在生成硅母模后，研究团队采用了两步热压印制工艺，以实现更平坦和均匀的模具表面。第一步是在未图案化的平面硅片上进行热压，以形成平坦的模具。第二步则是在图案化的硅母模上进行热压，以将图案转移到超离子玻璃模具上。该过程确保了模具表面的高保真度和图案深度。在S4印刷过程中，研究团队采用了板对板（P2P）配置，将超离子模具与银涂层聚酰亚胺基底接触。通过电解池控制电压，研究人员能够在银薄膜上高保真度地再现等离子体图像。研究结果表明，经过多次印刷后，图案的细节和分辨率得以保持，尽管在边缘处出现了一些机械磨损和污垢。
在研究过程中，团队面临了多个挑战。首先，制造成本是一个重要问题。传统的纳米制造技术如电子束光刻（EBL）和聚焦离子束（FIB）由于成本高、速度慢，难以支持大规模生产。研究团队通过S4工艺的开发，成功降低了制造成本，提高了生产效率。其次，模具的耐用性也是一个关键挑战。在多次印刷过程中，模具的磨损和图案的退化是一个重要问题。研究团队通过优化工艺参数，延长了模具的使用寿命，预计可以实现30次以上的印刷循环。最后，确保图案在转移过程中的高保真度也是一个关键挑战。研究团队通过精确控制印刷过程中的电压和蚀刻速率，成功实现了高保真度的图案转移。
该研究的未来前景广阔，主要体现在以下几个方面。首先，未来的研究将探索使用不同的等离子体结构（如柱状或金字塔形）来制造更高分辨率和更大面积的图案。其次，进一步优化模具的耐用性和印刷质量，将是未来研究的重要方向。通过改进工艺参数，研究团队希望能够实现更长的模具使用寿命和更高的图案保真度。此外，团队还计划进行整个制造路径的经济性分析，以评估其在实际应用中的可行性。
该制造路径的经济性和可扩展性使其在等离子体生物传感器和表面增强拉曼光谱（SERS）基底等高价值应用中具有广泛的前景。研究团队的工作不仅为纳米制造技术的发展提供了新的思路，也为未来在生物传感器和其他光电应用中的实际应用奠定了基础。随着技术的不断优化和应用领域的拓展，固态超离子印刷（S4）有望在纳米制造领域发挥越来越重要的作用。通过结合计算工具和固态超离子印刷技术，研究团队展示了一种创新的制造路径，实现了高效、经济的等离子体图像再现。这项研究为未来的纳米制造技术提供了新的视角，预示着在高分辨率图案制造和单次使用设备生产方面的巨大潜力。
相关文献及图片出处
https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2024.09.073
