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介觀尺度(10μm-1mm)的3D點陣結(jié)構(gòu)為新應(yīng)用領(lǐng)域提供了最佳的幾何結(jié)構(gòu)，例如輕質(zhì)力學超材料、生物打印組織支架等。其周期性、多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為調(diào)諧3D點陣結(jié)構(gòu)對力、熱、電以及磁場的多功能響應(yīng)提供了機會。借助這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，多材料3D點陣結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)器件的多功能性。由于傳統(tǒng)微加工技術(shù)在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)制造方面的局限性，而3D打印技術(shù)在制備復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)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(shù)制備了金屬點陣或者復(fù)合材料點陣實現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jié)處理，工藝比較繁瑣。面投影微立體光刻(PμSL) 3D打印技術(shù)具有超高的精度，可以實現(xiàn)介觀尺度3D聚合物點陣結(jié)構(gòu)的制備。納米薄膜可以利用表面驅(qū)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(lǐng)域。因此，基于PμSL技術(shù)，通過納米薄膜與3D聚合物點陣結(jié)構(gòu)的集成化可以實現(xiàn)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(shù)結(jié)合原子層沉積技術(shù)(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(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)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(shù)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(dǎo)體(SnO2，ZnO : Al)和半導(dǎo)體(ZnO)的金屬氧化物薄膜材料，從而實現(xiàn)3D打印聚合物到多功能3D電子器件的轉(zhuǎn)變(圖2)。其中，Al2O3晶種層可以促進導(dǎo)電薄膜在聚合物點陣表面的生長。

圖1. 基于PμSL 技術(shù)制備的3D導(dǎo)電點陣結(jié)構(gòu)

圖2. 金屬氧化物在3D打印點陣結(jié)構(gòu)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(dǎo)電點陣結(jié)構(gòu)的傳感性能

3D導(dǎo)電點陣結(jié)構(gòu)電學性能的測試表明金屬氧化物薄膜厚度、3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及生長溫度等均可影響結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能；同2D結(jié)構(gòu)相比，3D導(dǎo)電點陣結(jié)構(gòu)具有更大的比表面積，為電流傳導(dǎo)提供更多的平行通道，因此，該結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性能明顯增強。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，八面體導(dǎo)電點陣具有高比表面積、高理論預(yù)測電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，因此研究者將其用于多模態(tài)傳感器進行傳感性能的研究并進行驗證。結(jié)果表明3D幾何結(jié)構(gòu)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(yīng)。該研究成果表明3D導(dǎo)電點陣結(jié)構(gòu)在植入式生物傳感器、3D集成微機電系統(tǒng)等介觀尺度器件方面具有巨大的應(yīng)用潛力，以“Transforming 3D-printed mesostructures into multimodal sensors with nanoscale conductive metal oxides"為題發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。