Новости оптики и фотоники

Стюарт Уиллс

Команда из Технологического института Карлсруэ, Калифорнийского университета в Ирвайне и компании Edwards Lifesciences разработала метод 3D-печати стеклянных микро- и наноструктур, таких как (слева направо) нанорешетка, параболические микролинзы и мультилинзовые микрообъективы, показанные здесь. , при гораздо более низких температурах и гораздо более высоком разрешении, чем в предыдущих схемах нанопечати на стекле. Масштабные линейки: 10 мкм. [Изображение: перепечатано с разрешения Дж. Бауэра и др., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/science.abq3037]

Процесс 3D-печати, называемый двухфотонной полимеризацией (TPP), также известный как прямое лазерное письмо, позволил создать впечатляющие и сложные наноразмерные структуры. Но на сегодняшний день большая часть волшебства этой техники была воплощена в пластике с использованием специализированных, удобных для печати полимерных смол.

Ученые и инженеры-оптики хотели бы использовать гибкость TPP для создания наноразмерных структур произвольной формы из самого проверенного временем оптического материала — кварцевого стекла. Но хотя некоторые схемы нанопечати на стекле появились в исследовательских лабораториях, они обычно требуют спекания наночастиц кремнезема при температуре более 1100 °C. Это слишком круто, чтобы его можно было использовать в ряде важных приложений, таких как прямое осаждение на полупроводниковые чипы. Более того, такие процессы, основанные на спекании, приводят к получению элементов с недостаточным разрешением для приложений видимого света.

Теперь исследовательская группа под руководством Йенса Бауэра из Технологического института Карлсруэ (KIT), Германия, как сообщается, разработала другой подход к 3D-нанопечати оптического стекла очень высокого качества с высоким разрешением, который снижает необходимые температуры обработки. примерно на 500 °C (Science, doi: 10.1126/science.abq3037). Более низкая температура открывает перспективу 3D-печати жестких, прозрачных стеклянных оптических структур произвольной формы непосредственно на полупроводниковых чипах с разрешением, необходимым для нанофотоники видимого света.

«Чего мы достигаем благодаря этому, — рассказал Бауэр OPN, — так это того, что мы действительно можем производить это высококачественное неорганическое стекло с тем же уровнем пригодности для печати и простотой использования, который люди, использующие TPP, знают из коммерческих стандартных полимерных смол. ."

Нелинейный процесс TPP основан на воздействии на фотоактивную смолу, химически настроенную на сшивку в полимерные цепи при одновременном двухфотонном поглощении, строго сфокусированными фемтосекундными лазерными импульсами. Система позволяет создавать твердые структуры микрометрового и даже нанометрового масштаба, а ее гибкость позволяет печатать наноразмерные оптические структуры произвольной формы непосредственно на микрочипах. Но эти структуры, как правило, создаются из полимера, материала с очень изменчивыми оптическими и механическими свойствами, не обладающего экологической стабильностью и прочностью стекла.

Гибкость TPP-печати позволила печатать наноразмерные оптические структуры произвольной формы непосредственно на микрочипах, но эти структуры обычно пишутся из полимеров, а не из стекла.

Усилия по расширению гибкости TPP-печати на наноразмерные структуры оптического стекла обычно опирались на «нагруженные частицами» полимерные связующие смолы в качестве сырья. Как следует из названия, эти связующие включают наночастицы кремнезема, суспендированные в фотоотверждаемой смоле. При лазерном воздействии и двухфотонном поглощении смоляное связующее полимеризуется и сшивает наночастицы диоксида кремния. Сшитые частицы затем сплавляются вместе в стекло на заключительном этапе спекания — при температурах порядка 1100–1300 °C, — при котором также удаляется полимерное связующее.

Система спекания, несомненно, способна создавать изысканные стеклянные микроструктуры, напечатанные на 3D-принтере. Но требуемые температуры лежат выше точек плавления ключевых полупроводниковых материалов, таких как германий и фосфид индия, не говоря уже о температурах плавления большинства металлов, которые важны в электронных схемах. Это означает, что TPP-печать, основанная на смолах с содержанием частиц, непрактична для прямого изготовления наноразмерного оптического стекла на кристалле.