Notizie su ottica e fotonica

Stewart Wills

Un team del Karlsruhe Institute of Technology, dell’Università della California Irvine e di Edwards Lifesciences ha sviluppato un metodo per stampare in 3D micro e nanostrutture di vetro, come (da sinistra a destra) il nanoreticolo, le microlenti paraboliche e il microobiettivo multilente mostrato qui , a temperature molto più basse e risoluzioni molto più elevate rispetto ai precedenti schemi di nanostampa del vetro. Barre di scala: 10 µm. [Immagine: ristampata con il permesso di J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/science.abq3037]

Il processo di stampa 3D chiamato polimerizzazione a due fotoni (TPP), noto anche come scrittura laser diretta, ha reso possibili alcune spettacolari e intricate strutture su scala nanometrica. Ma fino ad oggi, gran parte della magia della tecnica è stata eseguita in plastica, utilizzando resine polimeriche specializzate e facili da stampare.

Gli scienziati e gli ingegneri ottici adorerebbero sfruttare la flessibilità del TPP per creare strutture su scala nanometrica a forma libera nel materiale ottico più collaudato nel tempo, il vetro di silice. Ma anche se alcuni schemi di nanostampa del vetro sono emersi dai laboratori di ricerca, comunemente hanno richiesto la sinterizzazione di nanoparticelle di silice a temperature superiori a 1100 °C. È troppo difficile per essere utile in una serie di applicazioni importanti, come la deposizione diretta su chip semiconduttori. Inoltre, tali processi basati sulla sinterizzazione danno luogo a caratteristiche con una risoluzione insufficiente per le applicazioni a luce visibile.

Ora, un gruppo di ricerca guidato da Jens Bauer presso il Karlsruhe Institute of Technology (KIT), in Germania, avrebbe sviluppato un approccio diverso per la nanostampa 3D di vetro ottico di altissima qualità e ad alta risoluzione, che riduce le temperature di lavorazione richieste. di circa 500 °C (Science, doi: 10.1126/science.abq3037). La temperatura più bassa apre la prospettiva della stampa 3D di strutture ottiche in vetro resistenti, trasparenti e a forma libera direttamente su chip semiconduttori, alle risoluzioni richieste per la nanofotonica della luce visibile.

"Ciò che otteniamo con questo", ha detto Bauer a OPN, "è che siamo davvero in grado di realizzare questo vetro inorganico di alta qualità con lo stesso livello di stampabilità e facilità d'uso che le persone che utilizzano TPP conoscono dalle resine polimeriche standard commerciali. ."

Il processo non lineare del TPP funziona esponendo una resina fotoattiva, chimicamente sintonizzata per reticolarsi in catene polimeriche mediante assorbimento simultaneo di due fotoni, a impulsi laser a femtosecondi strettamente focalizzati. Il sistema consente la creazione di strutture solide su scala micrometrica e persino nanometrica e la sua flessibilità ha consentito la stampa di strutture ottiche su scala nanometrica a forma libera direttamente su microchip. Ma quelle strutture sono state generalmente scritte in polimero, un materiale con proprietà ottiche e meccaniche altamente variabili e senza la stabilità ambientale e la tenacità del vetro.

La flessibilità della stampa TPP ha consentito la stampa di strutture ottiche su scala nanometrica a forma libera direttamente su microchip, ma tali strutture sono state generalmente scritte in polimeri, non in vetro.

Gli sforzi per estendere la flessibilità della stampa TPP a strutture di vetro ottico su scala nanometrica si sono generalmente basati su resine leganti polimeriche "caricate con particelle" come materia prima. Come suggerisce il nome, questi leganti includono nanoparticelle di silice sospese in una resina fotoindurente. Durante l'esposizione laser e l'assorbimento di due fotoni, il legante resinoso polimerizza e reticola le nanoparticelle di silice. Le particelle reticolate vengono poi fuse insieme nel vetro in una fase finale di sinterizzazione, a temperature dell'ordine di 1100–1300 °C, che elimina anche il legante polimerico.

Il sistema di sinterizzazione può senza dubbio creare alcune squisite microstrutture di vetro stampate in 3D. Ma le temperature richieste sono superiori ai punti di fusione dei principali materiali semiconduttori come il germanio e il fosfuro di indio, per non parlare di quelli della maggior parte dei metalli importanti nei circuiti elettronici. Ciò significa che la stampa TPP che si basa su resine caricate con particelle non è pratica per la fabbricazione diretta su chip di vetro ottico su scala nanometrica.