Neuigkeiten zu Optik und Photonik

Stewart Wills

Ein Team am Karlsruher Institut für Technologie, der University of California Irvine und Edwards Lifesciences hat eine Methode zum 3D-Drucken von Mikro- und Nanostrukturen aus Glas entwickelt, wie zum Beispiel (von links nach rechts) das hier gezeigte Nanogitter, die parabolischen Mikrolinsen und das Mehrlinsen-Mikroobjektiv , bei weitaus niedrigeren Temperaturen und weitaus höheren Auflösungen als bei früheren Glas-Nanodruckverfahren. Maßstabsbalken: 10 µm. [Bild: Nachdruck mit Genehmigung von J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/science.abq3037]

Der 3D-Druckprozess namens Zwei-Photonen-Polymerisation (TPP) – auch als direktes Laserschreiben bekannt – hat einige spektakuläre und komplizierte nanoskalige Strukturen ermöglicht. Doch bis heute wurde ein Großteil der Magie dieser Technik in Kunststoff umgesetzt, wobei spezielle, druckfreundliche Polymerharze zum Einsatz kamen.

Optikwissenschaftler und Ingenieure würden gerne die Flexibilität von TPP nutzen, um Freiformstrukturen im Nanomaßstab in dem bewährtesten optischen Material, Quarzglas, zu schaffen. Doch obwohl einige Glas-Nanodrucksysteme aus Forschungslaboren hervorgegangen sind, erforderten sie üblicherweise das Sintern von Silica-Nanopartikeln bei Temperaturen von mehr als 1100 °C. Das ist viel zu lecker, um für eine Reihe wichtiger Anwendungen nützlich zu sein, beispielsweise für die direkte Abscheidung auf Halbleiterchips. Darüber hinaus führen solche sinterbasierten Prozesse zu Strukturen mit unzureichender Auflösung für Anwendungen mit sichtbarem Licht.

Nun hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Jens Bauer am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Berichten zufolge einen anderen Ansatz für den 3D-Nanodruck von sehr hochwertigem, hochauflösendem optischem Glas entwickelt – einen, der die erforderlichen Verarbeitungstemperaturen drastisch senkt um etwa 500 °C (Science, doi: 10.1126/science.abq3037). Die niedrigere Temperatur eröffnet die Aussicht auf den 3D-Druck robuster, transparenter und frei geformter optischer Glasstrukturen direkt auf Halbleiterchips mit den für die Nanophotonik mit sichtbarem Licht erforderlichen Auflösungen.

„Was wir damit erreichen“, sagte Bauer gegenüber OPN, „ist, dass wir tatsächlich in der Lage sind, dieses hochwertige, anorganische Glas mit dem gleichen Maß an Bedruckbarkeit und Benutzerfreundlichkeit herzustellen, das Menschen, die TPP verwenden, von kommerziellen Standard-Polymerharzen kennen.“ ."

Der nichtlineare Prozess von TPP funktioniert, indem ein photoaktives Harz, das chemisch so abgestimmt ist, dass es bei gleichzeitiger Zwei-Photonen-Absorption zu Polymerketten vernetzt, eng fokussierten Femtosekunden-Laserimpulsen ausgesetzt wird. Das System ermöglicht die Schaffung fester Strukturen im Mikrometer- und sogar Nanometermaßstab – und seine Flexibilität hat das Drucken freigeformter optischer Strukturen im Nanomaßstab direkt auf Mikrochips ermöglicht. Aber diese Strukturen wurden im Allgemeinen aus Polymer geschrieben, einem Material mit sehr unterschiedlichen optischen und mechanischen Eigenschaften und ohne die Umweltstabilität und Zähigkeit von Glas.

Die Flexibilität des TPP-Drucks hat das Drucken von freien optischen Strukturen im Nanomaßstab direkt auf Mikrochips ermöglicht – diese Strukturen wurden jedoch im Allgemeinen in Polymeren und nicht in Glas geschrieben.

Bemühungen, die Flexibilität des TPP-Drucks auf nanoskalige optische Glasstrukturen auszudehnen, stützten sich im Allgemeinen auf „partikelbeladene“ Polymerbindeharze als Rohmaterial. Wie der Name schon sagt, bestehen diese Bindemittel aus Siliciumdioxid-Nanopartikeln, die in einem lichthärtbaren Harz suspendiert sind. Bei Laserbelichtung und Zwei-Photonen-Absorption polymerisiert und vernetzt das Harzbindemittel die Silica-Nanopartikel. Die vernetzten Partikel werden dann in einem abschließenden Sinterschritt – bei Temperaturen in der Größenordnung von 1100–1300 °C – zu Glas verschmolzen, wodurch auch der Polymerbinder ausgetrieben wird.

Das Sintersystem kann zweifellos einige exquisite 3D-gedruckte Glasmikrostrukturen herstellen. Die erforderlichen Temperaturen liegen jedoch über den Schmelzpunkten wichtiger Halbleitermaterialien wie Germanium und Indiumphosphid – ganz zu schweigen von denen der meisten Metalle, die in elektronischen Schaltkreisen wichtig sind. Das bedeutet, dass der TPP-Druck, der auf partikelbeladenen Harzen basiert, für die direkte On-Chip-Herstellung von optischem Glas im Nanomaßstab unpraktisch ist.

Darüber hinaus erfordert die endliche Größe der zusammengesinterten Partikel minimale Strukturabmessungen (sowie eine inhärente Oberflächenrauheit), die die Druckauflösung begrenzen. Das ist ein Nachteil, da die Auflösung von 3D-gedruckten Strukturen mit partikelbeladenen Bindemitteln für Anwendungen im sichtbaren Wellenlängenbereich tendenziell um ein Haar zu grob ist.

Um diese Nachteile zu umgehen, konzentrierte sich Bauer zusammen mit Kollegen an der University of California Irvine und Edwards Lifesciences, Irvine, Kalifornien, USA, auf die Harzchemie. Anstatt eine Suspension von Silica-Nanopartikeln zu verwenden, entwickelte das Team ein Rezept für ein flüssiges Harz, das um sogenannte polyedrische oligomere Silsesquioxan-Moleküle (POSS) herum aufgebaut ist. Hierbei handelt es sich um hybride organisch-anorganische Moleküle, die winzige käfigartige Siliciumdioxidmoleküle umfassen, die mit organischen funktionellen Gruppen dekoriert sind, um eine Monomerstruktur zu erzeugen.

Schematische Darstellung des Prozesses, von der Synthese der POSS-Moleküle (links) über den TPP-Druck (Mitte) bis zum abschließenden Wärmebehandlungsschritt bei 650 °C (rechts). [Bild: Nachdruck mit Genehmigung von J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/science.abq3037] [Bild vergrößern]

Zur Herstellung seines POSS-Monomers funktionalisierte das Team die anorganischen molekularen Käfige mit organischen Acrylgruppen an den Ecken, um eine Vernetzung der Silica-Käfige in einem engmaschigen, kontinuierlichen Netzwerk zu ermöglichen. Sie fügten dem POSS-Harz einen Photoinitator hinzu, um die Vernetzung der Monomere bei der Zwei-Photonen-Belichtung zu starten. Und das Rezept des Teams versetzt das Harz auch mit hochflexiblen, frei schwebenden Acryloligomeren. Dieser letzte Inhaltsstoff, sagt Bauer, erleichtert die Vernetzung weiter und „ermöglichte es uns, eine sehr hohe Druckqualität zu erzielen“, obwohl wir mit „ziemlich starren POSS-Molekülen arbeiteten, die sich nicht so leicht vernetzen möchten“.

Sobald die vollständig 3D-gedruckte, vernetzte Nanostruktur gebildet ist, wird sie schließlich an der Luft auf eine Temperatur von 650 °C erhitzt. Dieser letzte Schritt vertreibt die organischen Komponenten und vervollständigt die Verknüpfung der anorganischen POSS-Silikatkäfige, um eine kontinuierliche Mikro- oder Nanostruktur aus Glas zu bilden.

Die erforderliche Temperatur ist halb so hoch wie bei Ansätzen, die auf dem Sintern von Nanopartikeln basieren. Das liegt laut Bauer daran, dass die einzelnen Siliciumdioxid-Cluster sehr klein sind – „nur eine Handvoll Atome“. Der TPP-Prozess packt diese Molekülcluster sehr dicht zusammen und hält die erforderlichen Schmelztemperaturen weitaus niedriger als die, die für das Sintern von (vergleichsweise großen) Siliciumdioxidpartikeln erforderlich sind.

Bauer und seine Kollegen nutzten ihr POSS-Harz zum TPP-Drucken verschiedener nanoskaliger optischer Strukturen – darunter photonische „Woodpile“-Kristalle mit freistehenden 97-nm-Strukturen, Anordnungen parabolischer Mikrolinsen und ein Mikroobjektiv mit mehreren Linsen und nanostrukturierten Fresnel-Elementen. Die durch den TPP-Druck gebotene Flexibilität ermöglichte es den Forschern auch, Freiform-Mikrooptiken aus Glas zu bauen, die laut dem Papier eine „hervorragende optische Leistung“ aufweisen und deren minimale Strukturgrößen und Oberflächenrauheit klein genug sind, um nanophotonische Geräte mit sichtbarem Licht zu ermöglichen.

„Das ebnet wirklich den Weg zur On-Chip-Fertigung“, sagte Bauer gegenüber OPN.

Die Forscher schreiben, dass ihr Niedertemperatursystem „die Freiformsynthese von Quarzglas unter die Schmelzpunkte wesentlicher Materialien für die Mikrosystemtechnik bringt“ und damit „einen Durchbruch darstellt, der die Entwicklung des On-Chip-3D-Drucks transparenter Materie ermöglicht“. um „elastisches Quarzglas in optischer Qualität“ aufzunehmen. Bauer erklärte gegenüber OPN, dass das System seiner Meinung nach „ein breites Spektrum mikrooptischer und photonischer Anwendungen“ bietet – insbesondere für Systeme, die rauen chemischen, thermischen oder anderen Umgebungen ausgesetzt sein könnten, in denen 3D-gedruckte Polymerstrukturen möglicherweise nicht standhalten.

„Das ebnet wirklich den Weg zur On-Chip-Fertigung“, sagte Bauer gegenüber OPN. „Für praktisch jeden Chip, der 650 °C aushält, wird es möglich sein, hochwertige Mikro- und Nanostrukturen aus klarem Glas direkt auf den Chip zu drucken.“

Veröffentlichungsdatum: 02. Juni 2023