X-foton 3D nanolitografi
Multifotonlitografi (MPL) er en teknik, der bruger ultrakorte laserimpulser til at skabe komplekse tredimensionelle (3D) strukturer på mikro- og nanoskala. Det er baseret på princippet om multifotonabsorption (MPA), som opstår, når to eller flere fotoner absorberes samtidigt af et molekyle, hvilket resulterer i en ikke-lineær optisk proces.
Ved at fokusere laserstrålen på et fotofølsomt materiale, såsom en fotoresist eller en præpolymer, inducerer multifotonabsorptionen en lokaliseret kemisk reaktion, der ændrer materialets egenskaber. Ved at scanne laserstrålen og/eller oversætte prøven i tre dimensioner, kan den ønskede form fremstilles med høj opløsning og nøjagtighed uden nogen geometriske begrænsninger. Dette muliggør realisering af laser 3D nanoprinting som en additiv fremstillingsteknik.
MPL har allerede mange applikationer inden for områder som mikrooptik, nanofotoniske enheder, metamaterialer, integrerede chips og vævsteknologi. Det kan skabe strukturer, der er umulige eller vanskelige at opnå ved konventionelle litografimetoder, såsom buede overflader, hule strukturer og funktionelle gradienter. Det kan også muliggøre fremstilling af nye materialer med skræddersyede optiske, mekaniske og biologiske egenskaber.
På trods af at MPL-opsætningerne er kommercielt tilgængelige, er forståelsen af fotofysiske og fotokemiske mekanismer stadig kontroversiel, da de fleste almindelige laserkilder er valgt til at have en bølgelængde på 800 nm, mens andre populære på 515 nm eller 1.064 nm også viste sig at være egnede.
Imidlertid kan den enkelte og mest populære teori om to-fotonabsorption ikke anvendes til at forklare alle de forskellige eksperimentelle forhold og det producerede resultat. Dette spørgsmål er vigtigt for den videre udvikling af laserkilderne og konstruktionen af high-throughput 3D nanoprinting maskiner orienteret til industrielle krav.
Eksperiment og resultater
Vi studerede MPL, også kendt som to-foton polymerisation (2PP) eller blot laser 3D nanoprinting, ved hjælp af en bølgelængde-tunerbar femtosekund laser. Vi fandt ud af, at vi kunne bruge enhver farve i spektret fra 500 til 1.200 nm med en fast pulsbredde på 100 fs for at opnå et samspil mellem fotofysiske mekanismer, der er mere delikat end blot to-foton fotopolymerisering.
Vi vurderede den effektive rækkefølge af absorption, dvs. X-fotonabsorptionen, samt optimale eksponeringsbetingelser for fotosensibiliseret og ren SZ2080 præpolymer. Vi opdagede, at tunbarheden af bølgelængde i høj grad påvirkede det dynamiske fabrikationsvindue (DFW), hvilket resulterede i en 10-dobling, når den er optimeret.
Desuden observerede vi en ikke-triviel energiaflejring ved X-fotonabsorption med en begyndelse af en stærk lateral størrelsesforøgelse ved længere bølgelængder og forklarede, at det skyldtes at nå epsilon-nær-nul (ENZ) betingelser. En sådan kontrol over voxel-formatforholdet og dermed det fotopolymeriserede volumen kan øge effektiviteten af 3D-nanoprint.
Vi undersøgte også udviklingen af det polymeriserede volumen under direkte laserskrivning (DLW) via forskellige energileveringsmekanismer:en-/to-/tre-fotonabsorption, lavineionisering og termisk diffusion, der førte til kontrolleret fotopolymerisering. Vi viste, at 3D-nanolithografi med ultrakorte pulser ved et bredt synligt-til-nær-IR-spektralområde på 400-1.200 nm fortsætter via multifoton-excitation defineret af effektiv absorptionsrækkefølge. Vores forskning er publiceret i tidsskriftet Virtual and Physical Prototyping .
Åbenbaring
Vi bemærkede, at den laterale voxelstørrelse afveg fra den analytiske kurve og havde en tydelig trinlignende begyndelse mest udtrykt ved længere bølgelængder og højere effekt. Vi tilskrev dette til ENZ-tilstandsdannelse ved fokalområdet, der forårsagede, at en større del af indfaldende lysintensitet blev absorberet, hvilket gav et stort lateralt tværsnit af fotopolymeriseret enkelt voxel (udledt formlinjetræk).
Vi har valideret vores tilgang i en SZ2080 som et modelmateriale og foreslået, at det skulle være levedygtigt med andre udbredte materialer såsom kommercielle IP-fotoharpikser, PETA og andre tværbindelige materialer. Vi demonstrerede anvendelserne af denne teknik på forskellige områder såsom mikrooptik, nanofotoniske enheder, metamaterialer, integrerede chips og vævsteknologi.
Vi præsenterede nogle eksempler på kontrolleret brydningsindeks, høj gennemsigtighed og elastiske såvel som aktive mikro-optiske komponenter, der aktiveres af X-foton litografi i kombination med kalcinering og atomlagsaflejring. Disse præstationer har øjeblikkelig anvendelse i sansning under barske forhold, åben plads og herunder ubemandede luftfartøjer (UAV).
Påvirkning
I perspektiv har vi stadig brug for dybere undersøgelser af mekanismen for varmeakkumulering, som er afhængig af scanningshastighed og lasergentagelseshastighed, såvel som brændpunktsstørrelse. Den indstillelige bølgelængde kan sammen med puls chirp, varighed og burst-mode-drift, som er ved at blive en standard i kommercielle fs-laserkilder, give yderligere forbedringer.
I betragtning af tendensen i de sidste 20 år med Moores lovs skalering med en gennemsnitlig fs-lasereffekt, der fordobles hvert andet år, vil high-throughput applikationerne drage fordel af parameteroptimeret 3D nano-print.
Denne historie er en del af Science X Dialog, hvor forskere kan rapportere resultater fra deres publicerede forskningsartikler. Besøg denne side for at få oplysninger om ScienceX Dialog og hvordan du deltager.
Flere oplysninger: Edvinas Skliutas et al., X-photon laser direct write 3D nanolitografi, Virtual and Physical Prototyping (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324
Mangirdas Malinauskas forsvarede sin ph.d. i 2010 ved Vilnius Universitet, Laser Research Center - "Laserfremstilling af funktionelle 3D polymere mikro/nanostrukturer," vejleder Prof. R. Gadonas. I løbet af sin karriere har han gjort praktikophold hos LZH (Prof. B.N. Chichkov) og IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). I 2019-2022 var han en specielt udnævnt professor ved Tokyo Institute of Technology (Japan), en gruppe af prof. J. Morikawa. I øjeblikket undersøger han det grundlæggende i laser 3D mikro-/nano-strukturering af tværbindbare materialer til applikationer inden for mikro-optik, nano-optik (fotonik) og biomedicin på VU LRC. Laboratoriefinansiering erhverves via nationale, europæiske og verdensomspændende (NATO, US Army) ordninger. Han var Optica Fellow i 2022.
Varme artikler
-
Test af fjernsyn og tablets til grønne skærmeQuantum-dot-holdige tablets og fjernsyn blev skåret i små stykker og derefter anbragt på en simuleret losseplads for at se, om prikkerne ville sive ud i miljøet. Kredit:Yuqiang Bi For at forbedre -
Forskere opdager en ny måde at drive elektriske enheder påUniversity of Alberta-forsker Thomas Thundat og ph.d.-studerende Jun Liu har gjort et stort fremskridt i udviklingen af triboelektriske nan-generatorer. Disse enheder kan omsætte små mængder mekanis -
Enkeltatom-tynd platin er en fantastisk kemisk sensorForskere ved Chalmers Tekniske Universitet, Sverige, sammen med kolleger fra andre universiteter, har opdaget muligheden for at forberede et-atomet tyndt platin til brug som en kemisk sensor. Resultat -
Nanotech filterbelægning giver løfte mod COVID-19Fysikprofessor Seamus Curran har udviklet en belægning designet til at blive brugt på luftfiltre, i stand til at fange luftbårne viruspartikler og fange dem på filterets belægning uden at begrænse luf