这篇论文的研究内容由德国凯瑟斯劳滕大学的Erik Hagen Waller教授及其团队完成，研究成果发表在《Nanophotonics》期刊上。该研究提出了一种直接制造三维金属微结构的新方法，主要应用于中红外和远红外波段的光子组件。
中红外和远红外频率范围（300 GHz至100 THz）在非破坏性检测、成像和汽车应用等领域具有广泛的应用潜力。然而，制造功能性金属组件以满足这些应用的需求，尤其是在微米或亚微米精度方面，仍然是一个巨大的挑战。传统的微加工技术，如光刻和电子束光刻，通常只能制造二维结构，并且需要后处理步骤来揭示最终的金属结构，而这些技术在制造三维结构时则显得力不从心。尽管增材制造技术能够制造三维结构，但大多数增材制造技术主要针对300 GHz以下的毫米级组件，或者仅创建模板，随后需要填充所需的金属并进行去除。在纳米和微米尺度上，虽然一些制造技术能够实现3D金属结构的制造，但它们无法覆盖所需的较大面积或体积。
Waller教授的团队采用了一种基于激光诱导光还原的直接激光写入（DLW）技术，结合了多重曝光和基底功能化的策略，成功实现了在几乎任何基底上以高达1 cm/s的速度制造三维银微结构。这一方法的核心在于使用了一种新型的光敏悬浮液，该悬浮液能够有效地将银离子还原为银原子，并通过种子助力的光还原过程加速结构的形成。研究中，团队首先通过高激光功率制造种子层，然后在后续层中降低激光功率，以此来提高制造速度。每个点的曝光次数达到8次，从而实现了高达10,000 μm/s的有效扫描速度，这比以往的报告快了两个数量级。
通过这种新方法，研究团队使用Nanoscribe的Photonics Professional GT II成功制造了多种具有特征光谱特性的样品组件，包括在1.25 THz和20 THz下工作的光子组件。研究表明，所制造的银微结构具有优异的导电性，电阻率为3.0 × 10⁻⁸ Ωm，接近于块状银的电阻率（1.6 × 10⁻⁸ Ωm），这为功能性组件的制造奠定了基础。
尽管取得了显著进展，研究团队在多重曝光过程中仍面临一些挑战，例如结构的弯曲和脱落问题。这些问题主要源于加热和收缩的不平衡，影响了最终结构的稳定性。此外，尽管制造速度大幅提升，但与聚合物结构的直接激光写入相比，金属结构的制造速度仍然慢了一个数量级。研究团队还发现，微爆炸现象在某些基底上会影响结构的形成，因此在处理不同基底时需要进行适当的预处理，以确保良好的附着力和结构稳定性。
展望未来，这项研究为中红外和远红外波段的光子组件制造提供了新的思路和方法。随着技术的不断优化，预计将能够在更广泛的应用领域中实现高效的金属微结构制造。此外，研究团队计划进一步探索不同材料和基底的组合，以扩展该技术的适用性和功能性。通过不断改进光敏悬浮液和激光写入策略，未来有望实现更高的制造速度和更复杂的三维结构。
总之，Waller教授及其团队的研究为金属微结构的快速制造开辟了新的途径，具有重要的学术价值和应用前景。随着对该技术的深入研究和发展，未来有望在光子学、传感器和其他高科技领域中发挥更大的作用。这项研究不仅展示了直接激光写入技术在金属微结构制造中的潜力，也为未来的研究提供了新的方向，推动了纳米光子学和增材制造领域的发展。
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https://doi.org/10.1515/nanoph-2022-0604
