Het weven van ingewikkelde, microscopisch kleine patronen van kristal of glas is nu mogelijk dankzij ingenieurs van Rice University.

Wetenschappers van rijstmaterialen creëren nanostructuren van silica met een geavanceerde 3D-printer, en demonstreren een methode om elektronische, mechanische en fotonische apparaten op microschaal van onderaf te maken. De producten kunnen worden gedoteerd en hun kristalstructuren kunnen worden afgestemd op verschillende toepassingen.

De studie onder leiding van Jun Lou, een professor in materiaalkunde en nano-engineering aan de George R. Brown School of Engineering, verschijnt in Nature Materials .

De elektronica-industrie is gebouwd op silicium, al tientallen jaren het basishalfgeleidend substraat voor microprocessors. De Rice-studie pakt de beperkingen van top-down productie aan door het proces op zijn kop te zetten.

"Het is erg moeilijk om gecompliceerde, driedimensionale geometrieën te maken met traditionele fotolithografische technieken," zei Lou. "Het is ook niet erg 'groen' omdat het veel chemicaliën en veel stappen vereist. En zelfs met al die moeite zijn sommige structuren onmogelijk met die methoden te maken.

"In principe kunnen we willekeurige 3D-vormen printen, wat heel interessant kan zijn voor het maken van exotische fotonische apparaten", zei hij. "Dat proberen we aan te tonen."

Het lab gebruikt een polymerisatieproces van twee fotonen om structuren te printen met lijnen van slechts enkele honderden nanometers breed, kleiner dan de golflengte van licht. Lasers "schrijven" de lijnen door de inkt ertoe aan te zetten twee fotonen te absorberen, waardoor polymerisatie door vrije radicalen van het materiaal wordt geïnitieerd.

"Normale polymerisatie omvat polymeermonomeren en foto-initiatoren, moleculen die licht absorberen en vrije radicalen genereren", zegt Rice afgestudeerde student en co-hoofdauteur Boyu Zhang van het proces dat gewoonlijk ultraviolet licht gebruikt bij 3D-printen en om coatings en in tandheelkundige toepassingen uit te harden.

"In ons proces absorberen de foto-initiatoren twee fotonen tegelijk, wat veel energie kost", zei hij. "Slechts een zeer kleine piek van deze energie veroorzaakt polymerisatie, en dat in slechts een zeer kleine ruimte. Daarom stelt dit proces ons in staat om voorbij de diffractielimiet van licht te gaan."

Voor het drukproces moest het Rice-lab een unieke inkt ontwikkelen. Zhang en co-hoofdauteur Xiewen Wen, een Rice-alumnus, creëerden harsen met nanobolletjes siliciumdioxide gedoteerd met polyethyleenglycol om ze oplosbaar te maken.

Na het printen wordt de structuur gestold door sinteren bij hoge temperatuur, waardoor al het polymeer uit het product wordt verwijderd, waardoor amorf glas of polykristallijn cristobaliet overblijft. "Bij verhitting gaat het materiaal door fasen van glas naar kristal, en hoe hoger de temperatuur, hoe meer geordend de kristallen worden," zei Lou.

Het lab toonde ook aan dat het materiaal gedoteerd is met verschillende zeldzame aardzouten om de producten fotoluminescerend te maken, een belangrijke eigenschap voor optische toepassingen. Het volgende doel van het lab is om het proces te verfijnen om een ​​resolutie van minder dan 10 nanometer te bereiken.

Co-auteurs van het artikel zijn Rice assistent-onderzoeksprofessor Hua Guo, onderzoekswetenschappers Guanhui Gao en Xiang Zhang, alumnus Yushun Zhao en afgestudeerde studenten Qiyi Fang en Christine Nguyen; Rice-alumnus Fan Ye van Tsinghua University, Beijing; Shuai Yue, alumnus van de Universiteit van Houston, nu postdoctoraal onderzoeker aan de Chinese Academie van Wetenschappen; en Jiming Bao, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Houston. + Verder verkennen

Team gebruikt laser-geïnduceerd grafeenproces om patronen op micronschaal in fotoresist te creëren