Snelheid combineren met ongelooflijke precisie, een team van onderzoekers heeft een manier ontwikkeld om een ​​beeldsonde op nanoschaal af te drukken op de punt van een glasvezel zo dun als een mensenhaar, het versnellen van de productie van het veelbelovende nieuwe apparaat van meerdere per maand naar meerdere per dag.

De high-throughput fabricagetechniek opent de deur voor de wijdverbreide acceptatie van deze en andere nano-optische structuren, die licht samenknijpen en manipuleren op manieren die niet haalbaar zijn met conventionele optica. Nano-optica kan worden gebruikt voor beeldvorming, voelen, en spectroscopie, en zou wetenschappers kunnen helpen zonnecellen te verbeteren, betere medicijnen ontwerpen, en snellere halfgeleiders maken. Een groot obstakel voor het commerciële gebruik van de technologie, echter, is het tijdrovende productieproces.

De nieuwe fabricagemethode, genaamd fiber nano-imprinting, zou dit knelpunt kunnen loskoppelen. Het is ontwikkeld door wetenschappers van de Molecular Foundry, gevestigd in het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), in samenwerking met wetenschappers van Hayward, Het in Californië gevestigde aBeam Technologies. Hun onderzoek wordt op 10 mei online gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten .

Hun werk bouwt voort op de Campanile-sonde, die vier jaar geleden werd ontwikkeld door wetenschappers van Molecular Foundry. Het is taps toelopend, vierzijdige vorm lijkt op de top van de klokkentoren van Campanile op de campus van UC Berkeley. De sonde is gemonteerd aan het uiteinde van een optische vezel, en focust een intense lichtstraal op een veel kleinere plek dan mogelijk is met de huidige optica. Dit maakt spectroscopische beeldvorming mogelijk met een resolutie die 100 keer groter is dan conventionele spectroscopie, die alleen de gemiddelde chemische samenstelling van een materiaal in kaart brengt.

In tegenstelling tot, de Campanile-sonde kan de samenstelling van nanodeeltjes en andere materialen molecuul per molecuul in beeld brengen. Wetenschappers kunnen het gebruiken om een ​​nanodraad te onderzoeken op minuscule defecten, bijvoorbeeld, wat leidt tot nieuwe manieren om nanodraden te verbeteren voor gebruik in efficiëntere zonnecellen.

Maar het fabriceren van Campanile-sondes is deels wetenschap en deels kunst geweest. Hetzelfde geldt voor andere nano-optische apparaten, zoals microscopische lenzen en bundelsplitsers, die een lichtstraal in meerdere splitst. Deze apparaten vereisen het frezen van een 3D-vorm met sub-100 nanometer schaalkenmerken op de punt van een piekerige vezel, wat veel lastiger is dan het fabriceren van een nanostructuur op een plat oppervlak zoals een wafer.

"Toen we voor het eerst de Campanile-sonde maakten, we hebben het gebeeldhouwd met een ionenstraal zoals Michelangelo. Het duurde ongeveer een maand, " zegt Stefano Cabrini, directeur van de Nanofabrication Facility bij de Molecular Foundry. "Dat tempo is oké voor onderzoekstoepassingen, maar het ontbreken van een massaproductiemethode heeft het bredere gebruik van nano-optische apparaten belemmerd."

Dat is waar fiber nano-imprinting binnenkomt. De eerste stap is de meest tijdrovende:wetenschappers maken een mal met de precieze afmetingen van het nano-optische apparaat dat ze willen printen. Voor de Campanile-sonde, dit betekent een mal van de nanoschaalkenmerken van de sonde, inclusief de vier zijden en de lichtemitterende 70 nanometer brede opening aan de top van de piramide.

"Deze mal kan een paar weken duren om te maken, maar we hebben er maar één nodig, en dan kunnen we beginnen met printen, " legt Keiko Munechika van aBeam Technologies uit, die samenwerkte met de Molecular Foundry om het fabricageproces te ontwikkelen als onderdeel van het Small Business Technology Transfer-programma van het Department of Energy. Verschillende andere wetenschappers van aBeam Technologies hebben aan dit werk bijgedragen, waaronder Alexander Koshelev. Het bedrijf commercialiseert nu verschillende op glasvezel gebaseerde nano-optische apparaten (zie aanvullende informatie).

Nadat de mal is gemaakt, het is op naar de races. De mal wordt gevuld met een speciale hars en vervolgens bovenop een optische vezel geplaatst. Infrarood licht wordt door de vezel gestuurd, waarmee de wetenschappers de exacte uitlijning van de mal ten opzichte van de vezel kunnen meten. Als alles klopt, UV-licht wordt door de vezel gestuurd, waardoor de hars hard wordt. Een laatste metallisatiestap bedekt de zijkanten van de sonde met goudlagen. Het resultaat is een snel geprinte - niet zorgvuldig gebeeldhouwde - Campanile-sonde.

"We kunnen dit keer op keer doen en om de paar minuten een sonde maken, ', zegt Munechika.

Er zijn verschillende voordelen aan het snellere productietempo. Campanile-sondes zijn kwetsbaar, en nu is het mogelijk om onderzoekers een batch te geven voor het geval er een breekt. Bovendien is het gemakkelijker om nano-optische apparaten te optimaliseren als wetenschappers feedback kunnen geven over de prestaties van een apparaat, en een verbeterde batch wordt snel ontwikkeld voor verdere tests. De fabricagetechniek kan ook worden toegepast op elk nano-optisch apparaat, en is tot nu toe gebruikt om Fresnel-lenzen en bundelsplitsers te maken naast de Campanile-sonde.

"In plaats van een uniek apparaat zoals Michelangelo te boetseren, we nemen nu het originele meesterwerk, maak er een afdruk van, en maak snel veel replica's achter elkaar, " zegt Cabrini. "Het is een nieuwe mogelijkheid die de Molecular Foundry kan bieden aan de wetenschappelijke gemeenschap."