三维银微结构制造：将微电子带到新维度

金属微结构因为其优异的导电特性成为芯片内部功能电子器件的核心关键部件，而且通过特定的三维微结构化设计后的元器件则呈现出与平面金属结构不同的特殊性质，在微机电系统、光电子器件、等离子体材料、柔性电子领域拥有着广泛的应用。

然而，制造出高品质的三维结构仍然具有挑战性，传统的方法首先制备模具，随后通过电镀等方法形成高品质的三维金属结构，但是极慢的生成速率、极其复杂的附加处理步骤与无法片上集成的缺点限制了其在工业大批量方向的发展。

选择性激光或电子束熔融技术、直接墨水书写三维打印技术、电流体动力喷墨打印技术等只适用于某些特定三维结构，不能拓展至所有三维结构的设计，在应用方面具有很高的局限性。

所以，三维金属微结构制备需要更加优异与普适的方法。

图1：三维金属微结构

图源：Nature Reviews Materials（2017年第4期封面）

激光诱导光还原技术（Laser-Induced Photoreduction, LPR），将激光束聚焦到光致抗蚀剂中，在焦点附近通过对激光辐射的多光子吸收来触发光还原反应以提供还原电位。而在光致抗蚀剂中的金属前体被局部还原成中性金属原子，并通过随后的成核、生长和团聚来形成特定的三维金属微结构，该方法最大的特点在于对于任意的三维微结构均适用。

图2：激光诱导光还原示意图

图源：Light: Advanced Manufacturing

图译：撰稿人 Theo

随着技术的不断发展，科学家们已经通过这种方法制备出来了品质优良的二维金/银微结构。但是由于粒子与光相互作用导致金属原子不受控制的生长与团聚，造成三维结构无法按照设计形成；同时反应产物对于形成结构的恶化。这些都是利用激光诱导光还原技术制备高性能三维金属微结构的挑战。

而对于光致抗蚀剂的改进，成为了解决这个问题的一种有效途径。

理想的光致抗蚀剂

当被波长780nm光子激发时，对于相应的反应具有极强的选择性，使得对于反应没有贡献的能量应该很快地从系统中消散以避免不良的副作用。

可以被不断演变生成的金属原子结构置换，并且容易冲洗溶解去除以保障形成三维金属结构的完整性与电学特性。

基于以上考虑，来自德国弗劳恩霍夫协会技术数学与经济数学研究所（ITWM）的研究人员将液体明胶作为基体材料、氯化银溶液作为银前体混合形成光致抗蚀剂。（采用液体明胶作为基体材料与传统聚合物基体材料相比，能够分散和负载大量的金属前体，以保障足够多的金属原子的产生）；

而且，其在反应过程中可以被不断生成的银微结构置换，反应完成后可以很容易地被溶解去除，这种性质对于形成三维银微结构的高纯度、高密度、高导电特性提供了保障。

总之，这种新材料同时承担着还原剂、银前体的粘性溶剂和稳定剂的作用，是一种理想的光致抗蚀剂，可以形成各种任意的三维金属微结构。

图3：三维银微结构示意图

图源：LAM新媒体

该成果以Photosensitive Material Enabling Direct Fabrication of Filigree 3D Silver Microstructures via Laser-Induced Photoreductio为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

研究人员通过制备多种三维银微结构来验证其对于不同类型三维结构的适用性。

针对于具有挑战性的悬伸结构，得益于明胶材料的高粘性为这类结构的实现提供了可能性，采用自顶向下的写入方式则可以制备出高品质的螺旋线、直角悬梁等微结构；

针对于薄壁封闭结构，得益于新材料与逐层写入的优势制备出高精度、高密度、高导电的微型喇叭天线阵列与空心金字塔微结构。最后通过三维螺旋阵列的手性光学响应来表明其在功能电子与光学元件上应用的潜力。