Nanoskala gitter flyder fra 3D-printer

At væve indviklede, mikroskopiske mønstre af krystal eller glas er nu muligt takket være ingeniører ved Rice University.

Forskere af rismaterialer skaber nanostrukturer af silica med en sofistikeret 3D-printer, der demonstrerer en metode til at lave mikroskala elektroniske, mekaniske og fotoniske enheder fra bunden og op. Produkterne kan dopes og deres krystalstrukturer tunes til forskellige anvendelser.

Undersøgelsen ledet af Jun Lou, professor i materialevidenskab og nanoteknik ved George R. Brown School of Engineering, vises i Nature Materials .

Elektronikindustrien er bygget på silicium, det grundlæggende halvledende substrat for mikroprocessorer i årtier. Rice-undersøgelsen adresserer begrænsningerne ved top-down-fremstilling ved at vende processen på hovedet.

"Det er meget svært at lave komplicerede, tredimensionelle geometrier med traditionelle fotolitografiske teknikker," sagde Lou. "Det er heller ikke særlig "grønt", fordi det kræver en masse kemikalier og mange trin. Og selv med al den indsats, er nogle strukturer umulige at lave med de metoder.

"I princippet kan vi printe vilkårlige 3D-former, som kunne være meget interessante til fremstilling af eksotiske fotoniske enheder," sagde han. "Det er det, vi prøver at demonstrere."

Laboratoriet bruger en to-foton polymerisationsproces til at printe strukturer med linjer, der kun er flere hundrede nanometer brede, mindre end lysets bølgelængde. Lasere "skriver" linjerne ved at få blækket til at absorbere to fotoner, hvilket starter fri-radikal polymerisation af materialet.

"Normal polymerisation involverer polymermonomerer og fotoinitiatorer, molekyler, der absorberer lys og genererer frie radikaler," sagde Rice-studerende og medforfatter Boyu Zhang om processen, der almindeligvis bruger ultraviolet lys i 3D-print og til at hærde belægninger og i dentale applikationer.

"I vores proces absorberer fotoinitiatorerne to fotoner på samme tid, hvilket kræver meget energi," sagde han. "Kun en meget lille top af denne energi forårsager polymerisering, og det i kun et meget lille rum. Det er derfor, denne proces giver os mulighed for at gå ud over lysets diffraktionsgrænse."

Udskrivningsprocessen krævede, at Rice-laboratoriet udviklede en unik blæk. Zhang og co-lead forfatter Xiewen Wen, en Rice-alumne, skabte harpikser indeholdende nanosfærer af siliciumdioxid dopet med polyethylenglycol for at gøre dem opløselige.

Efter udskrivning er strukturen størknet gennem højtemperatursintring, hvilket fjerner al polymeren fra produktet og efterlader amorft glas eller polykrystallinsk cristobalit. "Når det opvarmes, går materialet gennem faser fra glas til krystal, og jo højere temperatur, jo mere ordnede bliver krystallerne," sagde Lou.

Laboratoriet demonstrerede også doping af materialet med forskellige sjældne jordarters salte for at gøre produkterne fotoluminescerende, en vigtig egenskab til optiske applikationer. Laboratoriets næste mål er at forfine processen for at opnå en opløsning på under 10 nanometer.

Medforfattere til papiret er Rice assisterende forskningsprofessor Hua Guo, forskerne Guanhui Gao og Xiang Zhang, alumnen Yushun Zhao og kandidatstuderende Qiyi Fang og Christine Nguyen; Ris alumnus Fan Ye fra Tsinghua University, Beijing; University of Houston alumnus Shuai Yue, nu postdoc-forsker ved det kinesiske videnskabsakademi; og Jiming Bao, professor i elektro- og computerteknik ved University of Houston. + Udforsk yderligere

Team bruger laser-induceret grafenproces til at skabe mikronskalamønstre i fotoresist