介觀(guān)尺度(10μm-1mm)的3D點(diǎn)陣結構為新應用領(lǐng)域提供了最佳的幾何結構，例如輕質(zhì)力學(xué)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(diǎn)陣結構對力、熱、電以及磁場(chǎng)的多功能響應提供了機會(huì )。借助這種結構優(yōu)勢，多材料3D點(diǎn)陣結構可用于實(shí)現器件的多功能性。由于傳統微加工技術(shù)在復雜三維結構制造方面的局限性，而3D打印技術(shù)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(shù)制備了金屬點(diǎn)陣或者復合材料點(diǎn)陣實(shí)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(diǎn)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(shù)具有超高的精度，可以實(shí)現介觀(guān)尺度3D聚合物點(diǎn)陣結構的制備。納米薄膜可以利用表面驅動(dòng)的靜電對化學(xué)吸附和物理吸附的敏感性而被用于化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域。因此，基于PμSL技術(shù)，通過(guò)納米薄膜與3D聚合物點(diǎn)陣結構的集成化可以實(shí)現介觀(guān)尺度傳感器件的制備。

近日，美國達特茅斯學(xué)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(diǎn)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(shù)先在聚合物點(diǎn)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(shí)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(jìn)導電薄膜在聚合物點(diǎn)陣表面的生長(cháng)。

圖1. 基于PμSL 技術(shù)制備的3D導電點(diǎn)陣結構

圖2. 金屬氧化物在3D打印點(diǎn)陣結構上的生長(cháng)

圖3. 金屬氧化物包覆的3D打印八面體點(diǎn)陣的電學(xué)性能

圖4. 3D導電點(diǎn)陣結構的傳感性能

3D導電點(diǎn)陣結構電學(xué)性能的測試表明金屬氧化物薄膜厚度、3D網(wǎng)絡(luò )結構以及生長(cháng)溫度等均可影響結構的導電性能；同2D結構相比，3D導電點(diǎn)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(fā)現，八面體導電點(diǎn)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(tài)傳感器進(jìn)行傳感性能的研究并進(jìn)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(xué)、熱以及機械刺激的響應。該研究成果表明3D導電點(diǎn)陣結構在植入式生物傳感器、3D集成微機電系統等介觀(guān)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(fā)表在Cell Reports Physical Science上。