增材制造技术（AM）的应用已遍布微型机械、光子晶体、柔性电子、储能装置以及生物工程等诸多领域。在微纳尺度结构制造这一前沿领域，基于激光直写的双光子光刻（TPL）技术凭借其高达250nm的细致分辨率，成为最具潜力的AM手段之一。尽管如此，TPL的生产效率仍受限于其缓慢的打印速度，一般仅为每秒数微米或毫米级，体积打印速率也低于0.1m3/h。
在过去二十年对光敏材料的不断探索中，金属氧化物基光刻胶的问世，为解决深紫外光源与反射镜不匹配的难题提供了解决方案。其中，氧化锆（ZrO2）杂化光刻胶以其敏感度远超传统聚合物光刻胶两个数量级的表现，刷新了深紫外光刻领域的灵敏度新高。ZrO2杂化光刻胶还具备出色的成膜性能，无须与聚合物混合即可使用。更难能可贵的是，其能够达到极小的元件尺寸，这对于高分辨率光刻胶来说至关重要。
当前，双光子光刻是纳米精密增材制造的核心技术。虽然它能够构建纳米级别的精细结构，但对于规模化应用而言，速度仍然是瓶颈。来自浙江大学的匡翠方教授、清华大学的何向明教授以及徐宏教授等科研人员，展示了一种新型的极高灵敏度光刻胶（ZrO2-BTMST），该光刻胶能够实现高达7.77m/s的打印速度，比传统聚合物光刻胶快了3-5个数量级。此外，他们还开发了一款基于多边形激光扫描技术的双光子光刻设备，线性速度可达10m/s，利用ZrO2-BTMST光刻胶在大约33分钟内制作出1cm2的方形光栅。这种光刻胶还能实现38nm的超高精度图案化。这种有机-无机杂化光刻胶的创新设计，极大地推进了TPL技术在微纳增材制造领域的实际应用。
这些突破性的研究成果已在题为《Ultrahigh-printing-speed photoresists for additive manufacturing》的论文中发表于顶级学术期刊《Nature Nanotechnology》。
图1.TPL油浸曝光模式示意图以及BTMST和ZrO2杂化物的结构。
图2.基于多边形激光扫描的TPL使用ZrO2-BTMST光刻胶在780 nm光波长下曝光的图案。
图3.ZrO2-BTMST光刻胶在波长为532 nm的振镜扫描TPL曝光的SEM图像。
图4.BTMST实验表征和DFT计算。
