《Optics & Laser Technology》：3D printing of mesoscale structures using high viscosity copper nanoparticle ink through laser-induced forward transfer
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•利用纳秒级激光脉冲，通过激光诱导正向转移技术，以纳米粒子墨水为原料制备出中等尺寸的3D铜柱结构。•激光能量密度以及供体与受体之间的间隙决定了传输模式是从接触式转为非接触式。•结合局部加热的接触式与非接触式传输方式，可有效制备出高长径比的稳定铜柱结构。引言随着微电子、微传感器、柔
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利用纳秒级激光脉冲，通过激光诱导正向转移技术，以纳米粒子墨水为原料制备出中等尺寸的3D铜柱结构。
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激光能量密度以及供体与受体之间的间隙决定了传输模式是从接触式转为非接触式。
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结合局部加热的接触式与非接触式传输方式，可有效制备出高长径比的稳定铜柱结构。
引言
随着微电子、微传感器、柔性电子、可穿戴系统、生物医学植入物以及微机电系统（MEMS）的快速发展，人们对能够高精度地制造微观尺度（1–100微米）和中等尺度（100微米–10毫米）结构、具备材料多样性且能与功能器件兼容的制造方法的需求日益增加。传统的微加工技术，如光刻、丝网印刷和模板印刷，都需要使用掩模，这会增加小批量生产时的成本[1]。而喷墨打印、气溶胶喷射打印和电液动力打印等直接书写技术则受限于低粘度墨水，还存在喷嘴堵塞、纳米粒子聚结以及难以打印直径过大的粒子等问题[2]、[3]。激光诱导正向转移技术（LIFT）作为一种强大且多功能的直接书写方法，能够实现高通量、无喷嘴的多种材料沉积。该技术通过激光脉冲驱动物质喷射，实现无需掩模的局部转移，可精确控制三维单元体的几何形状、横向特征尺寸以及沉积位置。它已被成功应用于金属、半结晶聚合物、电介质、半导体、有机导体、聚合物复合材料乃至生物材料等领域，展现了其在新兴技术中的广泛应用前景[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。此外，LIFT技术具有高度的灵活性，根据供体膜的物理状态以及是否存在吸收层或牺牲层，可通过气泡/蒸汽驱动转移、泡状辅助转移、熔融喷射转移和固体像素转移等多种机制实现物质转移[1]、[6]。通常情况下，供体层或吸收层会吸收激光产生的热能，从而引发局部快速加热，进而产生热膨胀、压力或气泡形成，进而产生实现物质转移所需的热机械力。对于液体膜而言，与基于喷墨的系统不同，LIFT技术不受粘度或表面张力的限制，能够处理从几厘泊到1000厘泊以上的各种粘度范围的物质，包括那些含有极高浓度纳米粒子且溶剂含量极低的浆料[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。
在适用于LIFT技术的材料中，铜因其低电阻率和高的热导率，在微电子封装、微观互连、射频器件以及柔性电路中发挥着重要作用，而LIFT技术也被证明是一种极具潜力的加工方法。已有研究在常温条件下利用LIFT技术实现了高粘度铜纳米墨水的转移，可用于多种微电子应用场景[18]、[19]、[20]。最近，LIFT技术还被证实是打印三维金属结构的有效方法，尤其适用于微观和中等尺寸的结构[21]、[22]。许多文献中采用溅射、蒸发或其他沉积方法在基底上制备薄金属膜，再通过LIFT技术构建三维结构[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。这类金属膜的厚度通常在数百纳米左右，更适合用于微观、高分辨率的组件。而中等尺寸的组件则需要更大的材料体积，因此高粘度金属墨水更适于用来制造三维结构。尽管已有少量研究展示了使用高粘度金属墨水制备三维结构的情况[28]、[29]，但由于这类墨水具有非牛顿流体特性，即剪切变稀行为，其流变学特性十分复杂，因此仍然难以制备出高长径比的结构[15]、[30]。时间分辨阴影图和建模研究表明，供体膜内的蒸汽气泡动态对粘度梯度、温度上升以及溶剂蒸发速率极为敏感[30]、[31]、[32]。当供体膜干燥不均匀时，气泡核化会变得不稳定，从而导致碎片化现象。同样，含溶剂过多的供体膜可能会导致气泡过度膨胀，进而产生二次液滴并发生飞溅。在多层沉积过程中，这些问题会更为突出。此外，要实现可控的多层沉积，还需要精确调控每层沉积材料的流动性。第一层沉积材料与基底之间的相互作用，以及后续层与之前沉积材料之间的相互作用，都会显著影响所打印结构的尺寸精度。另外，精确控制不断变化的供体与受体之间的间隙，对于在整个沉积过程中保持稳定的传输条件至关重要。为了利用高粘度纳米墨水稳定地沉积材料，形成多层、高长径比的中等尺寸三维结构，还需要进一步深入理解激光诱导的传输动力学。
在本研究中，研究人员利用LIFT技术，以高粘度铜纳米墨水为原料制备出了三维结构。根据加工条件，即激光能量密度以及基底与工件之间的间隙，研究发现存在接触式和非接触式两种物质传输模式。文章分析了这两种模式在多层沉积过程中面临的挑战，并提出了一种结合接触式与非接触式传输模式的混合LIFT策略，为制备适用于微电子互连及先进封装应用的高长径比铜柱结构奠定了基础。
章节摘要
研究方法
LIFT技术通过一系列步骤实现，包括激光照射、物质喷射，以及随后在接收基底上的沉积（见图1）。在这一过程中，脉冲激光束会被引导并聚焦穿过透明的供体基底，而在该基底的背面则涂覆有由物质储层构成的薄膜。
当激光照射到供体基底上时，入射的激光能量会在薄膜与基底之间的界面处被选择性吸收，从而在该区域引发快速的局部加热
激光功率与供体-受体间隙的优化
激光功率以及供体与受体之间的间隙是控制LIFT工艺的关键参数。图4(a)展示了在不同间隙距离和激光脉冲能量下，单个点物质转移的光学显微镜图像，而图4(b)则显示了相应的可打印性分布图。在较低的脉冲能量（<0.4毫焦）下，所有供体-受体间隙处均未观察到物质转移现象。在该能量范围内，激光产生的热量不足以使蒸汽脱离
结论
本研究证明了利用纳秒级脉冲激光的LIFT技术，可以制备出中等尺寸的三维铜柱结构。根据激光能量密度以及供体与受体之间的间隙，研究确定了接触式和非接触式两种传输模式。在接触式模式下，虽然观察到了较强的层间粘附力和密集的三维单元体形成，但由于受体端的快速散热，有时会导致供体膜过早干燥，进而引发问题
作者贡献说明
N Gunasekar：负责原文撰写——初稿编写、可视化处理、研究方法设计、实验分析、正式数据分析以及数据整理工作。Anurup Datta：负责原文撰写——审阅与编辑、项目监督、资源协调、项目管理工作、资金申请以及概念构思。
资助情况
开展这项研究所得的资金支持来自印度政府的科学与工程研究委员会（SERB）、科技部（DST），资助编号为SRG/2022/000733；同时也得到了海得拉巴印度理工学院提供的启动资金，编号为SG 125。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
作者衷心感谢海得拉巴印度理工学院的Mahesh Ganesan教授以及SATHI中心在流变学测量方面给予的帮助。
N Gunasekar|Anurup Datta
