《Ultrasonics》：Lateral-mode bulk acoustic wave resonators enabled three-dimensional nanostructure array fabrication
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基于薄层BAW谐振器的三维表面纳米结构定制化制造方法，通过激发横向声学模式实现亚200nm垂直尺寸和5μm间距控制，突破传统SAW和TPP的波长限制，采用光固化材料可在10秒内生成圆形/方形/六边形/八角形等多样化对称图案，为大规模纳米结构复制提供高效方案。
魏伟|赵勋王|刘一鸣|段学新|张梦伦
天津大学精密测量技术与仪器国家重点实验室，中国天津300072
摘要
三维（3D）表面纳米结构的精确制造在先进制造领域仍是一个重大挑战。传统的声学方法受到波长依赖性分辨率的限制，主要局限于二维（2D）图案化。在这里，我们展示了一种基于固体安装谐振器（SMR）增强横向模式的新制造策略，该策略能够实现可定制的、特定区域的周期性3D表面纳米结构制造。通过利用兰姆波传播和声流效应，我们制造出了特征尺寸小于200纳米的表面纳米结构阵列，并将特征间距控制在5微米以内。与传统的表面声波（SAW）方法相比，这种技术通过克服波长带来的限制提高了精度，同时无需复杂的换能器阵列即可快速生成多样化的、可定制的架构。此外，通过调整器件几何形状，可以在不到10秒的时间内制造出具有不同对称性的纳米结构，包括圆形、方形、六边形和八边形。这项工作为大规模复制高保真度纳米结构提供了一种快速、高效且无需掩模的途径，在先进制造、生物医学、微电子学和光子器件领域具有重大潜力。
引言
三维（3D）微纳结构在多种应用中发挥着重要作用，包括生物医学[1]、[2]、柔性传感[3]、微流控[4]和光学器件[5]、[6]。例如，图案化的微结构可以模拟生物组织的微环境，从而调节细胞行为，如粘附、迁移和分化，这对于药物筛选和体外组织模型的开发至关重要[7]、[8]、[9]。在柔性传感中，特别设计的微结构（如圆柱形微柱和金字塔阵列）显著提高了触觉传感器的灵敏度和响应速度[10]、[11]。在光学器件中，通过调整微/纳米阵列的几何形状和空间排列，可以控制光与物质的相互作用，从而实现反射率、散射、透射和吸收等光学特性[6]。目前，微纳结构的制造主要依赖于传统技术，包括光刻、纳米压印光刻和高分辨率3D打印方法（如双光子聚合TPP）。虽然TPP在分辨率（<100纳米）和创建任意3D结构方面树立了标杆，但它通常依赖于串行激光扫描，这限制了大面积图案化的吞吐量[12]。此外，这些传统方法往往受到高成本、物理掩模或逐层组装的阻碍，从而限制了可扩展性和制造效率。
声流技术的出现为微流控和微结构制造提供了一种无模具且高效的方法。特别是表面声波（SAWs），由于其非接触式驱动、高精度和快速响应而得到广泛应用[13]、[14]、[15]、[16]。例如，Mei等人[17]利用驻波SAWs结合UV固化技术在几秒钟内制造出了波浪状和网格状的微结构。通过集成定制设计的PDMS波导来定位声能，成功制造出了具有圆形和三角形几何形状的特定区域微结构[18]、[19]。这种方法进一步应用于增强细胞粘附、迁移和增殖[20]、[21]。尽管有这些优势，基于SAW的技术仍存在固有的局限性：首先，其分辨率受声波波长限制，通常特征尺寸大于10微米，不足以用于纳米级应用；其次，生成复杂图案通常需要多个谐振器的协调操作，并且主要局限于一维或二维（1D/2D）图案。
薄膜体声波（BAW）技术在克服这些限制方面具有独特优势。其工作频率由压电层的厚度决定，可以轻松达到吉赫兹（GHz）范围，从而实现高分辨率的声学驱动。基于GHz范围BAW谐振器的声流平台在多种应用中取得了显著进展，包括微/纳米粒子分选和富集[22]、[23]、[24]、液滴打印[25]、通过细胞超声孔化进行药物输送[26]、[27]、[28]以及固液界面清洁[29]。然而，大多数现有研究集中在厚度模式振动及其相关的声流效应上，而横向振动模式的潜力尚未得到充分探索。
在这项工作中，我们提出并研究了一种创新方法，该方法利用开放液体界面下BAW谐振器的横向模式诱导的声流效应。我们通过设计具有特定几何形状的谐振器来选择性地激发谐振器表面的横向声场分布，从而建立了一种3D表面纳米结构的制造策略。与能够生成任意体积形状的串行3D打印方法不同，所提出的声学方法本质上是为了并行生成周期性表面起伏而设计的。结合光固化材料，我们成功制造出了具有各种对称图案的3D表面纳米结构，实现了小于5微米的结构间距和百纳米级别的垂直（z轴）特征。这种方法能够快速高效地生成表面纳米结构模板，其高保真度和稳健性通过PDMS复制得到了验证。
方法部分
方法
图1(a)展示了基于体声波的3D微阵列制造系统的示意图。核心组件是一个横向增强的固体安装谐振器（LSMR），由一个对称的谐振区域和一个布拉格反射器组成，如图1(b)和1(c)所示。布拉格反射器由周期性材料界面组成，当它们的周期性与入射声波波长匹配时，通过建设性干涉在特定频率下增强反射
结论
在这项研究中，我们开发并展示了一种利用薄膜体声波谐振器的横向模式来制造周期性三维表面纳米结构的新方法。通过对兰姆波传播和声流效应的系统研究，我们实现了小于200纳米的特征尺寸，空间精度优于5微米。与表S1中列出的现有技术相比，虽然光刻、纳米压印光刻（NIL）和TPP在工业上具有应用
作者贡献声明
魏伟：撰写——原始草稿、方法论、研究、数据管理。赵勋王：软件、方法论。刘一鸣：撰写——审稿与编辑。段学新：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理。张梦伦：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
