Forskere udskriver nanoskala billeddannelsessonde på spidsen af ​​optisk fiber

Ved at kombinere hastighed med utrolig præcision, et team af forskere har udviklet en måde at printe en nanoskala billedsonde på spidsen af ​​en glasfiber så tynd som et menneskehår, fremskynde produktionen af ​​den lovende nye enhed fra flere om måneden til flere om dagen.

High-throughput fabrikationsteknikken åbner døren for den udbredte anvendelse af denne og andre nano-optiske strukturer, som klemmer og manipulerer lys på måder, der er uopnåelige med konventionel optik. Nano-optik har potentiale til at blive brugt til billeddannelse, sansning, og spektroskopi, og kunne hjælpe forskere med at forbedre solceller, designe bedre lægemidler, og lav hurtigere halvledere. En stor hindring for teknologiens kommercielle brug, imidlertid, er dens tidskrævende produktionsproces.

Den nye fremstillingsmetode, kaldet fiber nanoimprinting, kunne fjerne denne flaskehals. Det blev udviklet af forskere ved Molecular Foundry, placeret ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbejde med forskere fra Hayward, Californien-baserede aBeam Technologies. Deres forskning er rapporteret online 10. maj i tidsskriftet Videnskabelige rapporter .

Deres arbejde bygger på Campanile-sonden, som blev udviklet af Molecular Foundry-forskere for fire år siden. Den er tilspidset, firesidet form ligner toppen af ​​Campanile-klokketårnet på UC Berkeleys campus. Sonden er monteret for enden af ​​en optisk fiber, og fokuserer en intens lysstråle på et meget mindre sted, end det er muligt med nuværende optik. Dette muliggør spektroskopisk billeddannelse med en opløsning, der er 100 gange større end konventionel spektroskopi, som kun kortlægger den gennemsnitlige kemiske sammensætning af et materiale.

I modsætning, Campanile-sonden kan afbilde molekyle-for-molekyle-sammensætningen af ​​nanopartikler og andre materialer. Forskere kan bruge den til at undersøge en nanotråd for små defekter, for eksempel, fører til nye måder at forbedre nanotråde til brug i mere effektive solceller.

Men at fremstille Campanile-sonder har dels været videnskab og dels kunst. Det samme gælder for andre nano-optiske enheder, såsom mikroskopiske linser og stråledelere, som deler en lysstråle i flere. Disse enheder kræver fræsning af en 3D-form med funktioner på under 100 nanometer skala på spidsen af ​​en tjavset fiber, hvilket er meget vanskeligere end at fremstille en nanostruktur på en flad overflade såsom en wafer.

"Da vi første gang lavede Campanile-sonden, vi skulpturerede den med en ionstråle som Michelangelo. Det tog omkring en måned, " siger Stefano Cabrini, direktør for Nanofabrikationsfaciliteten på Molecular Foundry. "Det tempo er OK for forskningsansøgninger, men manglen på en massefremstillingsmetode har hæmmet den bredere brug af nano-optiske enheder."

Det er her fiber nanoimprinting kommer ind i billedet. Dets første trin er det mest tidskrævende:Forskere skaber en form med de præcise dimensioner af den nano-optiske enhed, de vil udskrive. For Campanile-sonden, dette betyder en form af sondens nanoskala funktioner, inklusive de fire sider og det lysemitterende 70 nanometer brede hul i pyramidens top.

"Denne form kan tage et par uger at lave, men vi mangler kun én, og så kan vi begynde at udskrive, " forklarer Keiko Munechika fra aBeam Technologies, som samarbejdede med Molecular Foundry for at udvikle fremstillingsprocessen som en del af Department of Energy's Small Business Technology Transfer-program. Adskillige andre aBeam Technologies-forskere bidrog til dette arbejde, herunder Alexander Koshelev. Virksomheden kommercialiserer nu forskellige fiberbaserede nano-optiske enheder (se yderligere information).

Efter at formen er lavet, det er afsted til løbene. Formen fyldes med en speciel harpiks og placeres derefter oven på en optisk fiber. Infrarødt lys sendes gennem fiberen, som gør det muligt for forskerne at måle den nøjagtige justering af formen i forhold til fiberen. Hvis alt tjekker ud, UV-lys sendes gennem fiberen, som hærder harpiksen. Et sidste metalliseringstrin belægger sondens sider med guldlag. Resultatet er en hurtigt trykt - ikke omhyggeligt skulptureret - Campanile-sonde.

"Vi kan gøre dette igen og igen og lave en sonde med få minutters mellemrum, " siger Munechika.

Der er flere fordele ved det hurtigere produktionstempo. Campanile sonder er skrøbelige, og nu er det muligt at give forskere en batch, hvis man går i stykker. Derudover er det nemmere at optimere nano-optiske enheder, hvis videnskabsmænd er i stand til at give feedback om en enheds ydeevne, og en forbedret batch udvikles hurtigt til yderligere test. Fremstillingsteknikken kan også anvendes på enhver nano-optisk enhed, og er hidtil blevet brugt til at skabe Fresnel-linser og stråledelere ud over Campanile-sonden.

"I stedet for at skulpturere en enestående enhed som Michelangelo, vi tager nu det originale mesterværk, lave et aftryk af det, og lav mange replikaer i hurtig rækkefølge, " siger Cabrini. "Det er en ny kapacitet, Molecular Foundry kan levere til videnskabssamfundet."