基于PμSL3D打印的導電點陣結構用于多模態傳感器

介觀尺度(10μm-1mm)的3D點陣結構為新應用領域提供了最佳的幾何結構，例如輕質力學超材料、生物打印組織支架等。其周期性、多孔的內部結構為調諧3D點陣結構對力、熱、電以及磁場的多功能響應提供了機會。借助這種結構優勢，多材料3D點陣結構可用于實現器件的多功能性。由于傳統微加工技術在復雜三維結構制造方面的局限性，而3D打印技術在制備復雜三維結構方面可較好的克服這一局限性。目前，研究人員基于擠壓成型、立體光刻(SLA)等3D打印技術制備了金屬點陣或者復合材料點陣實現結構的功能化。但是這些方法打印分辨率比較低，擠壓成型制備的點陣需要高溫燒結處理，工藝比較繁瑣。面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術具有超高的精度，可以實現介觀尺度3D聚合物點陣結構的制備。納米薄膜可以利用表面驅動的靜電對化學吸附和物理吸附的敏感性而被用于化學和生物傳感領域。因此，基于PμSL技術，通過納米薄膜與3D聚合物點陣結構的集成化可以實現介觀尺度傳感器件的制備。

近日，美國達特茅斯學院William J. Scheideler課題組基于面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術結合原子層沉積技術(ALD)制備了多功能3D電子傳感器。該團隊基于摩方精密(BMF)超高精度光固化3D打印機 microArch S240打印了3D點陣結構，結構表面光滑，有利于電子薄膜的均勻沉積(圖1)。采用原子層沉積技術先在聚合物點陣表面低溫沉積一層Al₂O₃晶種層，然后再均勻沉積一層導體(SnO₂，ZnO : Al)和半導體(ZnO)的金屬氧化物薄膜材料，從而實現3D打印聚合物到多功能3D電子器件的轉變(圖2)。其中，Al₂O₃晶種層可以促進導電薄膜在聚合物點陣表面的生長。

圖1. 基于PμSL 技術制備的3D導電點陣結構

圖2. 金屬氧化物在3D打印點陣結構上的生長

圖3. 金屬氧化物包覆的3D打印八面體點陣的電學性能

圖4. 3D導電點陣結構的傳感性能

3D導電點陣結構電學性能的測試表明金屬氧化物薄膜厚度、3D網絡結構以及生長溫度等均可影響結構的導電性能；同2D結構相比，3D導電點陣結構具有更大的比表面積，為電流傳導提供更多的平行通道，因此，該結構的導電性能明顯增強。研究結果發現，八面體導電點陣具有高比表面積、高理論預測電導率和熱導率，因此研究者將其用于多模態傳感器進行傳感性能的研究并進行驗證。結果表明3D幾何結構不僅提高了傳感器的靈敏度，而且增強了傳感器對化學、熱以及機械刺激的響應。該研究成果表明3D導電點陣結構在植入式生物傳感器、3D集成微機電系統等介觀尺度器件方面具有巨大的應用潛力，以“Transforming 3D-printed mesostructures into multimodal sensors with nanoscale conductive metal oxides"為題發表在Cell Reports Physical Science上。