介觀尺度(10μm-1mm)的3D點(diǎn)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(xué)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(diǎn)陣結(jié)構(gòu)對力、熱、電以及磁場的多功能響應(yīng)提供了機(jī)會(huì)。借助這種結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，多材料3D點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可用于實(shí)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(diǎn)陣或者復(fù)合材料點(diǎn)陣實(shí)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(diǎn)陣需要高溫?zé)Y(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(shí)現(xiàn)介觀尺度3D聚合物點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制備。納米薄膜可以利用表面驅(qū)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)，通過納米薄膜與3D聚合物點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的集成化可以實(shí)現(xiàn)介觀尺度傳感器件的制備。

近日，美國達(dá)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(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(tuán)隊(duì)基于摩方精密(BMF)超高精度光固化3D打印機(jī) microArch S240打印了3D點(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(jìn)導(dǎo)電薄膜在聚合物點(diǎn)陣表面的生長。

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

圖2. 金屬氧化物在3D打印點(diǎn)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(diǎn)陣的電學(xué)性能

圖4. 3D導(dǎo)電點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的傳感性能

3D導(dǎo)電點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)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(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(diǎn)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(qiáng)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，八面體導(dǎo)電點(diǎn)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(jìn)行傳感性能的研究并進(jìn)行驗(yàn)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(qiáng)了傳感器對化學(xué)、熱以及機(jī)械刺激的響應(yīng)。該研究成果表明3D導(dǎo)電點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在植入式生物傳感器、3D集成微機(jī)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。