Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

X-foton 3D nanolithografie

3D-resolutie bridge (RB) printen en lijnanalyse. (a) Illustratie van voorgecompenseerde GDD-pulsen die zich voortplanten naar het doel van NA = 1,4. Nadat ze het doel hebben gepasseerd, τ =100 fs bij elke λ; (b) Illustratie van de RB-methode. De opgehangen lijnen met één voxelbreedte zijn gefotopolymeriseerd tussen steunpilaren, waarbij elke rij een verschillende lichtintensiteit heeft; (c) SEM-afbeelding van het gehele RB-object met lijnen en steunpilaren. De witte schaalbalk in de rechteronderhoek is 20 µm; (d) Schema dat de berekende nef weergeeft voor gebruikt excitatielicht en hun rangschikking over gemeten absorptiespectra van fotosensibiliseerde SZ2080. Grijze verticale pijlen visualiseren een aantal fotonen voor de overgang van grond naar geëxciteerde toestand. Credit:Virtuele en fysieke prototypes (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324

Multiphoton lithografie (MPL) is een techniek die gebruik maakt van ultrakorte laserpulsen om complexe driedimensionale (3D) structuren op micro- en nanoschaal te creëren. Het is gebaseerd op het principe van multiphoton-absorptie (MPA), dat optreedt wanneer twee of meer fotonen tegelijkertijd door een molecuul worden geabsorbeerd, wat resulteert in een niet-lineair optisch proces.



Door de laserstraal te focusseren op een lichtgevoelig materiaal, zoals een fotoresist of een prepolymeer, induceert de multifotonabsorptie een plaatselijke chemische reactie die de eigenschappen van het materiaal verandert. Door de laserstraal te scannen en/of het monster in drie dimensies te vertalen, kan de gewenste vorm met hoge resolutie en nauwkeurigheid worden vervaardigd, zonder enige geometrische beperkingen. Dit maakt de realisatie van laser 3D-nanoprinten als additieve productietechniek mogelijk.

MPL heeft al veel toepassingen op gebieden als micro-optica, nanofotonische apparaten, metamaterialen, geïntegreerde chips en weefselmanipulatie. Het kan structuren creëren die onmogelijk of moeilijk te realiseren zijn met conventionele lithografische methoden, zoals gebogen oppervlakken, holle structuren en functionele gradiënten. Het kan ook de vervaardiging mogelijk maken van nieuwe materialen met op maat gemaakte optische, mechanische en biologische eigenschappen.

Ondanks dat de MPL-opstellingen in de handel verkrijgbaar zijn, is het begrip van fotofysische en fotochemische mechanismen nog steeds controversieel, aangezien de meest voorkomende laserbronnen een golflengte van 800 nm hebben, terwijl andere populaire laserbronnen van 515 nm of 1064 nm ook geschikt bleken te zijn. /P>

De enige en meest populaire theorie van twee-fotonenabsorptie kan echter niet worden toegepast om alle verschillende experimentele omstandigheden en de geproduceerde uitkomst te verklaren. Deze kwestie is belangrijk voor de verdere ontwikkeling van de laserbronnen en de constructie van 3D-nanoprintmachines met hoge doorvoer, gericht op industriële eisen.

Experimenten en bevindingen

We hebben MPL bestudeerd, ook algemeen bekend als twee-fotonenpolymerisatie (2PP) of eenvoudigweg laser-3D-nanoprinten, met behulp van een in golflengte afstembare femtoseconde-laser. We ontdekten dat we elke kleur van het spectrum van 500 tot 1200 nm met een vaste pulsbreedte van 100 fs konden gebruiken om een ​​samenspel van fotofysische mechanismen te bereiken dat delicater is dan alleen fotopolymerisatie met twee fotonen.

We hebben de effectieve volgorde van absorptie beoordeeld, dat wil zeggen de X-fotonabsorptie, evenals optimale blootstellingsomstandigheden voor fotosensibiliseerd en zuiver SZ2080-prepolymeer. We ontdekten dat de afstembaarheid van de golflengte een grote invloed had op het dynamische fabricagevenster (DFW), wat bij optimalisatie resulteerde in een tienvoudige toename.

Bovendien hebben we een niet-triviale energieafzetting waargenomen door X-foton-absorptie met een begin van een sterke laterale toename van de grootte bij langere golflengten en legden we uit dat dit te wijten was aan het bereiken van epsilon-near-zero (ENZ)-omstandigheden. Een dergelijke controle over de voxel-beeldverhouding en, bijgevolg, het gefotopolymeriseerde volume, kan de efficiëntie van 3D-nanoprinten vergroten.

Energiedepositie in de focus. (a) Gaussiaanse intensiteitsverdeling en de axiale doorsnede ervan. ( b ) Evolutie van de laterale voxelgrootte met onthulde trends in globale helling γ-verandering. De pasvorm verkregen nef orderparameterwaarden worden weergegeven op de overeenkomstige regels. De inzetstukken van Airy-patronen zijn op schaal uitgezet met λ. SEM-beelden van lijnen geproduceerd bij 500 en 1200 nm met lage vermogens (onder de diffractielimiet) worden weergegeven. Credit:Virtuele en fysieke prototypes (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324

We onderzochten ook de evolutie van het gepolymeriseerde volume tijdens direct laserschrijven (DLW) via verschillende energieafgiftemechanismen:één-/twee-/drie-fotonabsorptie, lawine-ionisatie en thermische diffusie leidend tot gecontroleerde fotopolymerisatie. We hebben aangetoond dat 3D-nanolithografie met ultrakorte pulsen in een breed zichtbaar tot bijna-IR-spectraal bereik van 400–1.200 nm verloopt via multifoton-excitatie, gedefinieerd door de effectieve volgorde van absorptie. Ons onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Virtual and Physical Prototyping .

Openbaring

We merkten op dat de laterale voxelgrootte afweek van de analytische curve en een duidelijk stapvormig begin had dat het meest tot uiting kwam bij langere golflengten en een hoger vermogen. We schreven dit toe aan de vorming van ENZ-toestanden in het brandpuntsgebied, waardoor een groter deel van de invallende lichtintensiteit werd geabsorbeerd, wat een grote laterale dwarsdoorsnede van een gefotopolymeriseerde enkele voxel opleverde (afgeleide vormlijnfunctie).

We hebben onze aanpak gevalideerd in een SZ2080 als modelmateriaal en gesuggereerd dat het haalbaar zou moeten zijn met andere wijdverbreide materialen zoals commerciële IP-fotoharsen, PETA en andere verknoopbare materialen. We demonstreerden de toepassingen van deze techniek op verschillende gebieden, zoals micro-optica, nanofotonische apparaten, metamaterialen, geïntegreerde chips en weefselmanipulatie.

We presenteerden enkele voorbeelden van gecontroleerde brekingsindex, hoge transparantie en veerkrachtige, evenals actieve micro-optische componenten die mogelijk worden gemaakt door X-fotonlithografie in combinatie met calcinatie en afzetting van atomaire lagen. Deze prestaties hebben onmiddellijke toepassingen bij het waarnemen onder zware omstandigheden, in de open ruimte en bij onbemande luchtvaartuigen (UAV).

Impact

In perspectief hebben we nog steeds diepgaander onderzoek nodig naar het mechanisme van warmteaccumulatie, dat afhankelijk is van de scansnelheid en laserherhalingssnelheid, evenals van de brandpuntsafstand. De afstembare golflengte, samen met pulschirp, duur en burst-moduswerking, die een standaard aan het worden is in commerciële fs-laserbronnen, kan voor verdere verbeteringen zorgen.

Gezien de trend van de afgelopen twintig jaar waarin de wet van Moore is opgeschaald, waarbij het gemiddelde fs-laservermogen elke twee jaar verdubbelt, zullen toepassingen met hoge doorvoer profiteren van parameter-geoptimaliseerde 3D-nanoprinting.

Dit verhaal maakt deel uit van Science X Dialog, waar onderzoekers bevindingen uit hun gepubliceerde onderzoeksartikelen kunnen rapporteren. Bezoek deze pagina voor informatie over ScienceX Dialog en hoe u kunt deelnemen.

Meer informatie: Edvinas Skliutas et al, X-photon laser direct write 3D nanolithography, Virtuele en fysieke prototypes (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324

Mangirdas Malinauskas verdedigde zijn Ph.D. in 2010 aan de Universiteit van Vilnius, Laser Research Center - "Laser Fabrication of Functional 3D Polymeric Micro/Nanostructures", supervisor prof. R. Gadonas. Tijdens zijn carrière heeft hij stages gelopen bij LZH (Prof. B.N. Chichkov) en IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). In 2019–2022 was hij een speciaal benoemde professor aan het Tokyo Institute of Technology (Japan), groep van prof. J. Morikawa. Momenteel onderzoekt hij de fundamenten van laser 3D micro-/nano-structurering van verknoopbare materialen voor toepassingen in micro-optica, nano-optica (fotonica) en biogeneeskunde aan de VU LRC. Laboratoriumfinanciering wordt verkregen via nationale, Europese en wereldwijde (NAVO, Amerikaanse leger) regelingen. In 2022 was hij Optica Fellow.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Onderzoekers ontdekken toxine dat bacteriën op ongekende manieren doodt
  2. Cellulaire ademhaling in ontkiemende zaden
  3. Twee studies vinden dat stress cellen herprogrammeert
  4. Hoe bergstromen klimaatverandering signaleren
  5. Vroegwaarschuwingssysteem voor veranderingen in het milieu:nieuwe dierenlabels met camera's en AI volledige eerste vlucht
  6. Het ochtendkoor horen:Okina was een nieuw akoestisch monitoringnetwerk
  7. Model voorspelt hoe E. coli-bacteriën zich aanpassen onder stress
  8. Waarom likken en kauwen katten kattenkruid? Onderzoekers vinden een antwoord
  9. Verschillende soorten enzymen

Wetenschap