De groep van professor Wei Xiong, van het Wuhan National Laboratory for Optoelectronics aan de Huazhong University of Science and Technology, stelt een baanbrekende hogesnelheidslithografietechniek voor multi-fotonenpolymerisatie voor met een recordhoge 3D-printsnelheid van 7,6 × 10 ⁷ voxel s ⁻¹ , wat bijna een orde van grootte hoger is dan eerdere scanning multiphoton lithography (MPL).

Gepubliceerd in International Journal of Extreme Manufacturing (IJEM ), print deze technologie, gebaseerd op akoesto-optisch scannen met ruimtelijke schakeling (AOSS), niet alleen complexe 3D-micronanostructuren met een nauwkeurigheid van 212 nm, maar bereikt ook een ongekende 3D-printsnelheid van 7,6 × 10 ⁷ voxel/s. Het is alsof een kunstenaar in slechts vijf minuten een zelfportret schildert, waarbij elk ingewikkeld detail, tot aan elke haarlok, levendig tot leven komt.

"Verwerkingssnelheid en verwerkingsnauwkeurigheid zijn belangrijke prestatieparameters voor het evalueren van driedimensionale micro-nano-printtechnologie, en deze technologie presteert in beide aspecten uitstekend", aldus prof. Wei Xiong. "Dit onderzoek biedt een haalbare technische route om in de toekomst op grote schaal nano-3D-printen te realiseren."

De precisieproductie van ingewikkelde en complexe driedimensionale micro-nanostructuren dient als fundamentele hoeksteen voor tal van vooraanstaande disciplines. In het licht van zijn inherente capaciteit voor echte driedimensionale digitale fabricage en verwerkingsresolutie op nanoschaal voorbij de diffractielimiet, is twee-fotonenlithografie (TPL) consequent een brandpunt van onderzoek binnen het veld gebleven.

Het heeft nu uitgebreide toepassingen gevonden in geavanceerde domeinen, waaronder driedimensionaal metamateriaal, micro-optische, micro-elektronische componenten en biomedische technologie.

Ondanks de hoge resolutiemogelijkheden op nanoschaal heeft de beperkte verwerkingssnelheid van TPL echter voortdurend het potentieel ervan beperkt. Het drukken van een eenvoudige munt kan bijvoorbeeld vaak tientallen uren in beslag nemen, een tijdsbestek dat duidelijk ontoereikend is voor industriële productietoepassingen.

Vervolgens begon Jiao met een reeks experimentele onderzoeken en ontdekte uiteindelijk dat de akoestisch-optische deflector (AOD) het middelpunt van het proces was om de afdruksnelheid te verhogen.

Traditionele, op scannen gebaseerde TPL maakt gebruik van mechanische scanmethoden zoals galvanometrische spiegels, maar hun scansnelheid wordt beperkt door traagheid. De akoesto-optische deflector (AOD) kan daarentegen traagheidsvrij akoestisch-optisch scannen bereiken, wat resulteert in een aanzienlijke snelheidsverbetering.

“De beweging van een rijdende auto omvat gewoonlijk opeenvolgende handelingen zoals remmen, keren en vervolgens accelereren, wat inherent een aanzienlijke hoeveelheid tijd in beslag neemt als gevolg van de invloed van traagheid”, aldus Binzhang Jiao (Ph.D. 22), de eerste auteur van het artikel.

Een galvanometer met traagheid is net als een auto, waarbij versnellings- en vertragingsprocessen tijdrovend zijn. Aan de andere kant wordt AOD niet beperkt door traagheid, omdat het voor het scannen afhankelijk is van geluidsgolven. Vergeleken met traditionele mechanische spiegelscanning heeft deze aanpak een vijf tot twintig keer hogere laserscansnelheid opgeleverd.

Jiao heeft met succes een niet-lineaire signaalmodulatietechniek van de AOD ontwikkeld, die ervoor zorgt dat de vlekgrootte de diffractielimiet benadert tijdens akoestisch-optisch scannen met hoge snelheid. Tegelijkertijd heeft de integratie van diffractieve optische elementen (DOE) multifocaal parallel akoestisch-optisch scannen mogelijk gemaakt, waardoor de verwerkingscapaciteit verder wordt verbeterd. De ruimtelijke gebieden van de multifocale vlekken worden onafhankelijk bestuurd door de ruimtelijke optische schakelaar, waardoor de fabricage van niet-periodieke structuren mogelijk wordt.

Ze demonstreerden een Multiphoton Lithography (MPL)-systeem met acht brandpunten, waarmee een voxelgrootte van 212 nm en een voxelafdruksnelheid van 7,6 × 10 ⁷ werden bereikt. voxel/s.

"Meerdere focuspunten kunnen afzonderlijk worden afgedrukt, alsof één persoon acht handen heeft", aldus Jiao. Deze voxel-afdruksnelheid is 8,4 keer sneller dan de snelste mechanisch gescande MPL-methode die in het verleden werd gerapporteerd, en 38 keer sneller dan de snelste diffractief gescande MPL-methode die werd gerapporteerd. In vergelijking met gecommercialiseerde MPL-methoden kan de afdruksnelheid van deze techniek tot 490 keer worden verbeterd.

Hoewel de weg van laboratorium naar fabriek nog een lange weg is, is het team optimistisch over de toekomst van AOSS. "Om het akoesto-optische scanbereik te vergroten, kan de scanhoek van het akoesto-optische scannen in de toekomst worden vergroot. Dienovereenkomstig kunnen een hogere akoesto-optische scansnelheid en een groter aantal brandpunten de doorvoer van AOSS blijven vergroten," zei prof. Wei Xiong.

Meer informatie: Binzhang Jiao Jiao et al., Acousto-optic Scanning Spatial-switching Multiphoton Lithography, International Journal of Extreme Manufacturing (2023). DOI:10.1088/2631-7990/ace0a7

Aangeboden door International Journal of Extreme Manufacturing