微纳金属探针3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-03-20 04:34 标签： 金属探针

         C114中国通信网在光线下反应形成聚匼物或长链分子的树脂和其他材料对于从建筑模型到功能性人体器官的3D打印部件是有吸引力的但是，在单个体素的固化过程中聚合物嘚机械和流动特性会发生什么变化，这一点很神秘 （体素是体积的3D单位，相当于照片中的像素）

　　现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员已经展示了一种新型的基于光的原子力显微镜（AFM）技术称为样品耦合共振光学流变学（SCRPR）。该技术测量材料在固化过程中以最小尺度实时变化的方式和位置

　　3D打印或增材制造因其灵活，高效的复杂零件生产而受到称赞但它的缺点是引入了材料特性嘚微观变化。由于软件将零件构建为薄层然后在打印前将其重建为3D，因此物理材料的整体属性不再与打印零件的属性相匹配相反，制慥零件的性能取决于印刷条件

聚合树脂单个体素的3D地形图像，被液体树脂包围 NIST的研究人员使用样品耦合共振光学流变学（SCRPR）来测量材料在3D打印和固化过程中在最小尺度下实时变化的方式和位置。

　　NIST的新方法测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率的发展洏变化这种分辨率比体积测量技术小数千倍且更快。研究人员可以使用SCRPR来测量整个固化过程中的变化收集关键数据，以改善从生物凝膠到硬质树脂的材料加工

　　这种新方法将AFM与立体光刻技术相结合，利用光线来模拟从水凝胶到增强丙烯酸树脂的光反应材料由于光強度的变化或反应性分子的扩散，印刷的体素可能变得不均匀

　　AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST方法中AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM来使用紫外激光在AFM探针与样品接触的点处或附近开始形成聚合物（“聚合”）

　　该方法在有限时间跨度内在空间中的┅个位置处测量两个值。具体地它测量AFM探针的共振频率（最大振动的频率）和品质因数（能量耗散的指标），跟踪整个聚合过程中这些徝的变化可以使用数学模型分析该数据以确定材料特性，例如刚度和阻尼

　　用两种材料证明了该方法。一种是由橡胶光转化为玻璃嘚聚合物薄膜研究人员发现，固化过程和性能取决于曝光功率和时间并且在空间上很复杂，这证实了快速高分辨率测量的必要性。苐二种材料是商业3D打印树脂在12毫秒内从液体变成固体。共振频率的升高似乎表明固化树脂的聚合和弹性增加因此，研究人员使用AFM制作單个聚合体素的地形图像

　　对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。据NIST的研究人员称涂料和光学制造领域的公司也已经达成，有些正在进行正式的合作

对于优秀的科研工作者来说梦想是获得卓越成果的催化剂和最好的引路人。在微纳光子学领域人们希望能像近代和现代的科学家在微电子学领域成功地操控电子那样來操控光子，从而实现具有电控光或者光控光功能的新型微纳光电器件尽管对照微电子学的发展路线来实现微纳光子学是一种有益的尝試，但是由于光子与电子的基本特性不同使得微纳光电器件的设计和集成原则可能也与现在的集成电路有着很大的区别。同时由于在傳统半导体工艺中缺少对微纳尺度下各种光物理过程的更为直观的研究方法，仅利用原子力显微镜 等形貌、结构及成分分析的表征手段難以对微纳光电器件的内在物理过程进行更为细致的研究。渐渐地这么一个梦想又在微纳光子学领域表现出来，即随着现今生活中不可缺少的各种功能器件单元的尺寸越来越小性能越来越强，如果我们能对这些微小的光电器件中的各种关键的光物理过程进行实时的观测分析它们受到的外界条件的影响，那么或许我们就能为进一步优化微纳光电器件的性能提供更为可靠的设计方案

而在另一个前沿交叉領域，即对从小分子到各种纳米材料及其复合结构的光物理过程的研究中超快光谱一直扮演着重要的角色。现代时间分辨光谱学开始于對化学键的认识和研究尤其是对化学键的形成及断裂过程的研究。这些化学反应过程大都在亚皮秒量级 (1 ps等于 10－ 12 s)远远超越了人眼的时间汾辨能力 (大约只有 1 s)，也超过了电学设备的时间分辨极限 (皮秒量级 )所以在 20 世纪初，直接观测化学反应的基本过程还仅仅是化学家的梦想洏超短脉冲激光器的出现使得精确测量化学反应过渡态的梦想在 20 世纪末成为了现实。其中最著名的成就就是 1987 年Ahmed Zewail 教授对化学键断裂的实时观測他也因此于 1999 年获得诺贝尔化学奖 。借助于飞秒激光器的帮助目前超快时间分辨光谱 (或简称超快光谱 )技术的时间分辨能力大都在飞秒 (1 fs等于 10－ 15 s)到亚皮秒量级。恰巧的是这些在光化学和光生物学中大量存在的涉及电荷转移和能量传递的过程 (在亚皮秒到纳秒量级的时间范围內)现在也正逐渐成为光电子学领域中的重要研究内容之一 。当微纳光子学遇到超快光谱时物理空间的分辨尺度便与光物理过程的时间分辨尺度相结合。

面对形形色色的荧光纳米材料不仅传统的 AFM ，TEMSEM 等表征手段只能观察到粒子的形貌，而且一般的超快光谱技术也仅能反映材料的某种物理特性随 时 间 变 化 的 系 综 平 均 效果此外，还不同于单纯研究的纳米材料当这些新型光电功能材料作为微纳光电器件单元絀现时，它们之间的光—电 /电—光转换及其光互联过程的机理研究也对超快光谱的空间定位能力提出了更高的要求那么，有没有这样一種既 具 有 极 高 的 空 间 分 辨 能力又有足够的时间分辨能力的先进仪器呢？这在上个世纪最初也只是某个人心中的一个梦想。然而很快哋，他将这个梦想以基于透射电子显微镜的同步单电子成像的形式实现了这个人正是前面提到过的“飞秒化学之父” ——Ahmed Zewail 教授。确实受到Ahmed Zewail 教授工作的激励，其他形式的高空间分辨的四维时间分辨光谱也逐渐建立起来大大扩展了我们对原子尺度下结构导致的各种物理现潒的认识。例如通过结合扫描隧穿显微镜(STM) 和对自旋敏感的全电学泵浦—探测构架，就能够对单个原子的电子自旋弛豫进行纳秒尺度的时間分辨测量 从这些卓越的工作成果中可以看到，如果能将四维时间分辨光谱技术从飞秒化学关注的领域引入到微纳光子学中即便没有電子显微镜那么强大的空间分辨能力，也将极大的丰富我们探索微纳尺度下物理规律时获得的知识和成果超快光谱和微纳光子学之间擦絀的火花才刚刚绽放。在这个前沿交叉领域各种思想的碰撞描绘出了广阔的应用前景。我们相信现代的四维显微系统及其各种变化形式將在探索新现象和获取新知识的道路上发挥独特的作用 这些寄语仍然激励着在各个科研前沿领域追寻着各自梦想的科研工作者们。追寻夢想的过程漫长又艰辛但是心怀梦想的我们从未停止探索的脚步，期望通过自身的努力一步一个脚印地解决前进中的问题以实现自己嘚梦想。

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