Forskere skaber optiske præcisionskomponenter med inkjet-print

Forskere har udviklet en inkjet printteknik, der kan bruges til at printe optiske komponenter såsom bølgeledere. Fordi printmetoden også kan fremstille elektronik og mikrofluidik, det kunne fremme en række forskellige enheder såsom optiske sensorer, der bruges til sundhedsovervågning og lab-on-a-chip enheder, der integrerer og automatiserer flere laboratoriefunktioner på et lille kredsløb, eller chip.

"Inkjet-print er en meget attraktiv metode til fremstilling af optiske komponenter, fordi funktionernes placering og størrelse nemt kan ændres, og der stort set ikke er noget materialespild, sagde Fabian Lütolf, et medlem af forskerholdet ledet af Rolando Ferrini ved CSEM i Schweiz. "Imidlertid, blækkets overfladespænding gør det vanskeligt at udskrive linjer med en bestemt højde, som er nødvendigt for at skabe en bølgeleder."

Inkjet print er en additiv fremstillingsteknik, der bruger små dyser som dem, der findes i desktop inkjet printere til at afsætte et computergenereret mønster af dråber ("blækket") på et substrat for at bygge en struktur. Forskerne opdagede, at deponering af blækket i to trin, snarere end det traditionelle enkelttrin, muliggjort udskrivning af linjer med en bestemt højde og med meget glattere funktioner, end det ellers ville være muligt. De trykte strukturer anses for at have 2,5 dimensioner, fordi selvom de ikke er flade, deres kompleksitet er begrænset sammenlignet med strukturer skabt med traditionel 3D-print.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskerne viser, at deres teknik kan bruges til at printe 2.5D optiske bølgeledere og tapere lavet af akrylpolymer. Udskrivningskonceptet kan også bruges sammen med andre materialer såsom metallisk blæk til fremstilling af elektronik eller saccharoseblandinger til biologisk nedbrydelige anvendelser.

Lütolf påpeger, at selvom print af elektronik allerede bruges kommercielt, udskrivning af mikrofluidik er mere udfordrende og udsat for de samme problemer som bølgeledere. "Det faktum, at vores tilgang kunne tillade komponenter med flere funktionaliteter at blive fremstillet med en enkelt printer, baner vejen mod additiv fremstilling af hele integrerede kredsløb på chips, " sagde Lütolf. "Det betyder, at optiske komponenter kan føjes til fleksibel hybridelektronik, og at optoelektroniske komponenter såsom lyskilder eller detektorer kan integreres i trykte optiske kredsløb."

At gøre et problem til en løsning

På grund af overfladespænding, blæk aflejret på et underlag har tendens til at bule eller flække. Deponering af blækket i to trin gjorde det muligt for forskerne at vende væskens overfladespænding til en fordel. Efter at have afsat en række dråber, blækket trykt i det andet trin søger at minimere dets overfladeenergi ved selv at justere mellem dråberne fra det første tryk. I modsætning til tidligere inkjet-udskrivningsmetoder, forskerne behøvede ikke at præ-mønstre substratet, hvilket øger den tilgængelige designplads og forenkler fremstillingen.

For at udføre den nye teknik, en række dråber kaldet pinning caps udskrives først. Disse sfæriske hætter stifter flydende broer dannet af blækket fra det andet tryk, danner en konfiguration, der immobiliserer blækket og forhindrer dannelsen af ​​buler i den trykte linje. Ud over at lave lige linjer mellem to prikker, teknikken kan bruges til at forbinde tre eller flere kryds for at lave hjørner eller skarpe kanter.

Den nye teknik byder på flere fordele i forhold til klassisk fotolitografi, som typisk bruges til at lave bittesmå komponenter på chips. "Inkjet-udskrivning kræver ikke en fysisk maske som fotolitografi, og det er lettere at forbinde komponenter, sagde Lütolf. hvis du bare hurtigt vil teste en idé eller variere en parameter, additive fremstillingsmetoder såsom inkjet print kræver kun tilpasning af det digitale design."

For at evaluere den nye trykmetode, forskerne skabte en polymerbølgeleder, der var 120 mikron bred og 31 mikron høj med en tilspidsning, der tillod lys fra en ekstern laserkilde at trænge ind i bølgelederen. De målte det optiske tab i bølgelederen til at være 0,19 dB/cm, kun en størrelsesorden højere end de moderne bølgeledere skabt ved hjælp af fotolitografi.

"I avisen, vi rapporterer de første inkjet-printede bølgeledere med tabskarakterisering, " sagde Lütolf. "For de applikationer, vi forestiller os, bølgelederne ville bære lys over korte afstande, og ikke på tværs af hele netværk. Det nuværende tabsniveau kan tolereres for sådanne applikationer."

Ifølge forskerne, de mindst mulige bølgeledere består af en enkelt dråbe blæk, hvis størrelse er begrænset af inkjetprinterens dyse. For den printer, der blev brugt i undersøgelsen, de smalleste bølgeledere ville være i 40-mikron-området med en højde på omkring 10 mikrometer. Typiske industrielle inkjetprintere har også lignende grænser.

"Med vores nuværende kombination af materialer og hardware, det er ikke muligt at lave bølgeledere under 10 mikrometer, som typisk kræves til enkelttilstandsdrift. Men vi er tæt på sagde Lütolf. Der er, imidlertid, ingen grundlæggende fysisk grænse, der ville forhindre os i at udskrive single-mode bølgeledere."

Han tilføjer, at flere grupper har demonstreret udskrivningsevner i submikronområdet med teknikker som elektrohydrodynamisk udskrivning (E-jet). Det burde være muligt at kombinere sådanne instrumenter med den nye inkjet printteknik for at skabe single mode waveguides.

Forskerne arbejder nu på at optimere trykmetoden og blækket for yderligere at sænke mængden af ​​lys tabt af bølgelederen. De arbejder også på at gøre inkjet-processen mere anvendelig til storskala fremstilling og, til sidst, kommerciel implementering.