X-фотонная 3D-нанолитография

 Многофотонная литография (MPL) — это метод, использующий ультракороткие лазерные импульсы для создания сложных трехмерных (3D) структур на микро- и наноуровне. Он основан на принципе многофотонного поглощения (МФА), который возникает, когда два или более фотонов одновременно поглощаются молекулой, что приводит к нелинейному оптическому процессу.

3D-печать мостов (RB) и анализ линий. (а) Иллюстрация предварительно скомпенсированных импульсов GDD, распространяющихся к цели NA = 1,4. После прохождения цели τ = 100 фс на каждом λ; (б) Иллюстрация метода RB. Подвесные линии шириной в один воксель фотополимеризуются между опорными столбами, причем каждый ряд имеет разную интенсивность света; (в) СЭМ-изображение всего объекта RB с линиями и опорными столбами. Белая шкала в правом нижнем углу составляет 20 мкм; ( d ) Схема, представляющая расчетный коэффициент nef для использованного возбуждающего света и их расположение по измеренным спектрам поглощения фотосенсибилизированного SZ2080. Серые вертикальные стрелки визуализируют количество фотонов для перехода из основного состояния в возбужденное. (Фото: phys.org)

Фокусируя лазерный луч на светочувствительном материале, таком как фоторезист или преполимер, многофотонное поглощение вызывает локализованную химическую реакцию, которая изменяет свойства материала. Сканируя лазерный луч и/или перемещая образец в трех измерениях, можно изготовить желаемую форму с высоким разрешением и точностью без каких-либо геометрических ограничений. Это позволяет реализовать лазерную 3D-нанопечать как технологию аддитивного производства.

MPL уже имеет множество применений в таких областях, как микрооптика, нанофотонные устройства, метаматериалы, интегрированные чипы и тканевая инженерия. С его помощью можно создавать структуры, которые невозможно или трудно достичь обычными методами литографии, например, изогнутые поверхности, полые структуры и функциональные градиенты. Это также может позволить создавать новые материалы с индивидуальными оптическими, механическими и биологическими свойствами.

Несмотря на то, что установки MPL коммерчески доступны, понимание фотофизических и фотохимических механизмов все еще остается спорным, поскольку наиболее распространенные лазерные источники выбраны с длиной волны 800 нм, в то время как другие популярные источники с длиной волны 515 нм или 1064 нм также оказались подходящими.

Однако единая и наиболее популярная теория двухфотонного поглощения не может быть применена для объяснения всех различных экспериментальных условий и полученных результатов. Этот вопрос важен для дальнейшего развития лазерных источников и создания высокопроизводительных машин для 3D-нанопечати, ориентированных на промышленные нужды.

Эксперимент и выводы

Мы изучали MPL, также широко известную как двухфотонная полимеризация (2PP) или просто лазерная 3D-нанопечать, с использованием фемтосекундного лазера с перестраиваемой длиной волны. Мы обнаружили, что можем использовать любой цвет спектра от 500 до 1200 нм с фиксированной длительностью импульса 100 фс, чтобы добиться взаимодействия фотофизических механизмов, более тонкого, чем просто двухфотонная фотополимеризация.

Мы оценили эффективный порядок поглощения, то есть поглощение Х-фотонов, а также оптимальные условия воздействия фотосенсибилизированного и чистого преполимера SZ2080. Мы обнаружили, что возможность настройки длины волны сильно влияет на динамическое окно изготовления (DFW), что приводит к 10-кратному увеличению при оптимизации.

Более того, мы наблюдали нетривиальное выделение энергии за счет поглощения X-фотонов с началом сильного увеличения поперечного размера на более длинных волнах и объяснили, что это произошло из-за достижения условий, близких к нулю (ENZ). Такой контроль над соотношением сторон вокселей и, следовательно, фотополимеризованным объемом может повысить эффективность 3D-нанопечати.

Мы также исследовали эволюцию полимеризованного объема во время прямой лазерной записи (DLW) с помощью различных механизмов доставки энергии: одно-/двух-/трехфотонного поглощения, лавинной ионизации и термодиффузии, приводящей к контролируемой фотополимеризации. Мы показали, что 3D-нанолитография ультракороткими импульсами в широком спектральном диапазоне от видимого до ближнего ИК (400–1200 нм) осуществляется посредством многофотонного возбуждения, определяемого эффективным порядком поглощения. Наше исследование опубликовано в журнале Virtual and Physical Prototyping.

Откровение

Мы отметили, что размер латерального вокселя отклонялся от аналитической кривой и имел отчетливое ступенчатое начало, наиболее выраженное при более длинных волнах и большей мощности. Мы объяснили это образованием состояния ENZ в фокальной области, которое привело к поглощению большей части интенсивности падающего света, в результате чего образовалось большое поперечное сечение фотополимеризованного одиночного вокселя (выведенная особенность линии формы).

Мы проверили наш подход на SZ2080 в качестве модельного материала и предположили, что он может быть применим с другими широко распространенными материалами, такими как коммерческие фотополимеры IP, PETA и другие сшиваемые материалы. Мы продемонстрировали применение этого метода в различных областях, таких как микрооптика, нанофотонные устройства, метаматериалы, интегрированные чипы и тканевая инженерия.

Мы представили несколько примеров контролируемого показателя преломления, высокой прозрачности и упругости, а также активных микрооптических компонентов, которые становятся возможными с помощью рентгеновской фотонной литографии в сочетании с кальцинированием и осаждением атомных слоев. Эти достижения имеют непосредственное применение при зондировании в суровых условиях, на открытом пространстве, в том числе при помощи беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Влияние

В перспективе нам все еще необходимы более глубокие исследования механизма накопления тепла, который зависит от скорости сканирования и частоты повторения лазера, а также от размера фокусного пятна. Перестраиваемая длина волны вместе с чирпом импульса, длительностью и пакетным режимом работы, которая становится стандартом в коммерческих источниках fs-лазеров, может обеспечить дальнейшие улучшения.

Учитывая тенденцию последних 20 лет масштабирования по закону Мура со средней мощностью fs-лазера, удваивающейся каждые два года, высокопроизводительные приложения выиграют от 3D-нанопечати с оптимизированными параметрами.

Эта история является частью Science X Dialog, где исследователи могут сообщать о результатах своих опубликованных исследовательских статей. Посетите эту страницу, чтобы получить информацию о ScienceX Dialog и о том, как принять в нем участие.

Источник