Onderzoekers hebben een inkjetprinttechniek ontwikkeld waarmee optische componenten zoals golfgeleiders kunnen worden geprint. Omdat de printbenadering ook elektronica en microfluïdica kan fabriceren, het zou een verscheidenheid aan apparaten kunnen bevorderen, zoals optische sensoren die worden gebruikt voor gezondheidsbewaking en lab-on-a-chip-apparaten die meerdere laboratoriumfuncties integreren en automatiseren op een klein circuit, of chippen.

"Inkjetprinten is een zeer aantrekkelijke methode voor het vervaardigen van optische componenten, omdat de posities en afmetingen van functies eenvoudig kunnen worden gewijzigd en er vrijwel geen materiaalverspilling is. " zei Fabian Lütolf, een lid van het onderzoeksteam onder leiding van Rolando Ferrini bij CSEM in Zwitserland. "Echter, de oppervlaktespanning van de inkten maakt het moeilijk om lijnen met een bepaalde hoogte te printen, die nodig is om een ​​golfgeleider te maken."

Inkjetprinten is een additieve fabricagetechniek waarbij gebruik wordt gemaakt van kleine spuitmondjes zoals die in desktop-inkjetprinters worden aangetroffen om een ​​computergegenereerd patroon van druppels (de "inkt") op een substraat te deponeren om een ​​structuur te bouwen. De onderzoekers ontdekten dat het deponeren van de inkt in twee stappen, in plaats van de traditionele enkele stap, maakte het mogelijk om lijnen met een specifieke hoogte en met veel vloeiendere functies af te drukken dan anders mogelijk zou zijn. De gedrukte structuren worden geacht 2,5 afmetingen te hebben omdat ze, hoewel ze niet vlak zijn, hun complexiteit is beperkt in vergelijking met structuren die zijn gemaakt met traditioneel 3D-printen.

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers laten zien dat hun techniek kan worden gebruikt om 2.5D optische golfgeleiders en taps toelopende delen van acrylpolymeer te printen. Het printconcept kan ook worden gebruikt met andere materialen zoals metaalinkten om elektronica of sucrosemengsels te maken voor biologisch afbreekbare toepassingen.

Lütolf wijst erop dat hoewel het printen van elektronica al commercieel wordt gebruikt, het printen van microfluidica is uitdagender en vatbaar voor dezelfde problemen als golfgeleiders. "Het feit dat onze aanpak het mogelijk zou kunnen maken om componenten met meerdere functionaliteiten te fabriceren met een enkele printer, maakt de weg vrij voor additieve fabricage van volledige geïntegreerde schakelingen op chips, "zei Lütolf. "Dit betekent dat optische componenten kunnen worden toegevoegd aan flexibele hybride elektronica en dat opto-elektronische componenten zoals lichtbronnen of detectoren kunnen worden geïntegreerd in gedrukte optische circuits."

Van een probleem een ​​oplossing maken

Door oppervlaktespanning, inkten die op een substraat worden afgezet, hebben de neiging uit te puilen of te splijten. Door de inkt in twee stappen te deponeren, konden de onderzoekers de oppervlaktespanning van de vloeistof in een voordeel omzetten. Na het afzetten van een reeks druppeltjes, de inkt die in de tweede stap wordt afgedrukt, probeert zijn oppervlakte-energie te minimaliseren door zichzelf uit te lijnen tussen de druppeltjes van de eerste afdruk. In tegenstelling tot eerdere benaderingen van inkjetprinten, de onderzoekers hoefden het substraat niet voor te tekenen, wat de beschikbare ontwerpruimte vergroot en de fabricage vereenvoudigt.

Om de nieuwe techniek uit te voeren, een reeks druppeltjes genaamd pinning caps worden eerst afgedrukt. Deze bolvormige doppen spelden vloeibare bruggen gevormd door de inkt van de tweede afdruk, het vormen van een configuratie die de inkt immobiliseert en de vorming van uitstulpingen in de gedrukte lijn voorkomt. Naast het maken van rechte lijnen tussen twee punten, de techniek kan worden gebruikt om drie of meer kruisingen te verbinden om hoeken of scherpe randen te maken.

De nieuwe techniek biedt verschillende voordelen ten opzichte van klassieke fotolithografie, die meestal wordt gebruikt om kleine componenten op chips te maken. "Inkjetprinten vereist geen fysiek masker zoals fotolithografie en het is gemakkelijker om componenten aan te sluiten, "zei Lütolf. "Ook, als je gewoon snel een idee wilt testen of een parameter wilt variëren, Additieve fabricagemethoden zoals inkjetprinten vereisen alleen een aanpassing van het digitale ontwerp."

Om de nieuwe afdrukmethode te evalueren, de onderzoekers creëerden een polymeer golfgeleider die 120 micron breed en 31 micron hoog was met een tapsheid waardoor licht van een externe laserbron de golfgeleider kon binnendringen. Ze maten het optische verlies in de golfgeleider op 0,19 dB/cm, slechts een orde van grootte hoger dan de state-of-the-art golfgeleiders die zijn gemaakt met behulp van fotolithografie.

"In de krant, we rapporteren de eerste inkjet-geprinte golfgeleiders met verlieskarakterisering, " zei Lütolf. "Voor de toepassingen die we voor ogen hebben, de golfgeleiders zouden licht dragen voor korte afstanden, en niet over hele netwerken. Het huidige niveau van verliezen kan worden getolereerd voor dergelijke toepassingen."

Volgens de onderzoekers is de kleinst mogelijke golfgeleiders bestaan ​​uit een enkele druppel inkt, waarvan de grootte wordt beperkt door het mondstuk van de inkjetprinter. Voor de printer die in het onderzoek is gebruikt, de smalste golfgeleiders zouden in het bereik van 40 micron liggen met een hoogte van ongeveer 10 micrometer. Typische industriële inkjetprinters hebben ook vergelijkbare limieten.

"Met onze huidige combinatie van materialen en hardware, het is niet mogelijk om golfgeleiders kleiner dan 10 micrometer te maken, zoals typisch vereist voor gebruik in één modus. Maar we zijn dichtbij "zei Lütolf. "Er is, echter, geen fundamentele fysieke limiet die ons zou beletten single-mode golfgeleiders af te drukken."

Hij voegt eraan toe dat verschillende groepen printcapaciteiten in het submicronbereik hebben aangetoond met technieken zoals elektrohydrodynamisch printen (E-jet). Het moet mogelijk zijn om dergelijke instrumenten te combineren met de nieuwe inkjetprinttechniek om single mode golfgeleiders te creëren.

De onderzoekers werken nu aan het optimaliseren van de printmethode en de inkt om de hoeveelheid licht die verloren gaat door de golfgeleider verder te verminderen. Ze werken er ook aan om het inkjetproces meer toepasbaar te maken voor grootschalige fabricage en, eventueel, commerciële uitvoering.