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Un equipo del Instituto de Tecnología de Karlsruhe, la Universidad de California Irvine y Edwards Lifesciences ha desarrollado un método para imprimir en 3D micro y nanoestructuras de vidrio, como (de izquierda a derecha) la nanored, las microlentes parabólicas y el microobjetivo multilente que se muestra aquí , a temperaturas mucho más bajas y resoluciones mucho más altas que con los esquemas anteriores de nanoimpresión de vidrio. Barras de escala: 10 µm. [Imagen: Reimpreso con autorización de J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/ciencia.abq3037]

El proceso de impresión 3D llamado polimerización de dos fotones (TPP), también conocido como escritura láser directa, ha permitido algunas estructuras a nanoescala espectaculares e intrincadas. Pero hasta la fecha, gran parte de la magia de la técnica se ha realizado en plástico, utilizando resinas poliméricas especializadas y fáciles de imprimir.

A los científicos e ingenieros ópticos les encantaría utilizar la flexibilidad de TPP para crear estructuras a nanoescala de forma libre en el material óptico más probado, el vidrio de sílice. Pero aunque han surgido algunos esquemas de nanoimpresión de vidrio de los laboratorios de investigación, comúnmente han requerido la sinterización de nanopartículas de sílice a temperaturas de más de 1100 °C. Eso es demasiado tostado para ser útil en una variedad de aplicaciones importantes, como la deposición directa en chips semiconductores. Además, estos procesos basados ​​en la sinterización dan como resultado características con resolución insuficiente para aplicaciones de luz visible.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por Jens Bauer en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), Alemania, ha desarrollado un enfoque diferente para la nanoimpresión 3D de vidrio óptico de muy alta calidad y alta resolución, uno que reduce drásticamente las temperaturas de procesamiento requeridas. por unos 500 °C (Science, doi: 10.1126/science.abq3037). La temperatura más baja abre la posibilidad de imprimir en 3D estructuras ópticas de vidrio resistentes, transparentes y de forma libre directamente en chips semiconductores, con las resoluciones requeridas para la nanofotónica de luz visible.

"Lo que logramos con esto", dijo Bauer a OPN, "es que realmente podemos fabricar este vidrio inorgánico de alta calidad con el mismo nivel de imprimibilidad y facilidad de uso que las personas que usan TPP conocen de las resinas poliméricas estándar comerciales. ."

El proceso no lineal de TPP funciona mediante la exposición de una resina fotoactiva, químicamente sintonizada para reticularse en cadenas de polímeros en la absorción simultánea de dos fotones, a pulsos láser de femtosegundos estrechamente enfocados. El sistema permite la creación de estructuras sólidas a escalas micrométricas e incluso nanométricas, y su flexibilidad ha permitido la impresión de estructuras ópticas a nanoescala de forma libre directamente en microchips. Pero esas estructuras generalmente se han escrito en polímero, un material con propiedades ópticas y mecánicas muy variables, y sin la estabilidad ambiental y la dureza del vidrio.

La flexibilidad de la impresión TPP ha permitido la impresión de estructuras ópticas a nanoescala de forma libre directamente en microchips, pero esas estructuras generalmente se han escrito en polímeros, no en vidrio.

Los esfuerzos para extender la flexibilidad de la impresión TPP a estructuras de vidrio óptico a nanoescala generalmente se han basado en resinas aglutinantes de polímeros "cargadas con partículas" como materia prima. Como su nombre lo indica, estos aglutinantes incluyen nanopartículas de sílice suspendidas en una resina fotocurable. Con la exposición al láser y la absorción de dos fotones, el aglutinante de resina polimeriza y reticula las nanopartículas de sílice. Las partículas reticuladas luego se fusionan en vidrio en un paso final de sinterización, a temperaturas del orden de 1100 a 1300 °C, que también elimina el aglutinante de polímero.

Sin duda, el sistema de sinterización puede crear exquisitas microestructuras de vidrio impresas en 3D. Pero las temperaturas requeridas se encuentran por encima de los puntos de fusión de los materiales semiconductores clave, como el germanio y el fosfuro de indio, sin mencionar las de la mayoría de los metales que son importantes en los circuitos electrónicos. Eso significa que la impresión TPP que se basa en resinas cargadas de partículas no es práctica para la fabricación directa en chip de vidrio óptico a nanoescala.

Además, el tamaño finito de las partículas que se sinterizan juntas impone dimensiones características mínimas (así como una rugosidad superficial inherente) que limitan la resolución de impresión. Eso es un inconveniente, ya que la resolución de las estructuras impresas en 3D utilizando aglutinantes cargados de partículas tiende a ser demasiado gruesa para aplicaciones en longitudes de onda visibles.

Para solucionar estos inconvenientes, Bauer, junto con colegas de la Universidad de California Irvine y Edwards Lifesciences, Irvine, CA, EE. UU., se centraron en la química de la resina. En lugar de utilizar una suspensión de nanopartículas de sílice, el equipo desarrolló una receta para una resina líquida construida alrededor de las llamadas moléculas de silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS). Estas son moléculas orgánicas-inorgánicas híbridas que incluyen pequeñas moléculas de sílice en forma de jaula, decoradas con grupos funcionales orgánicos para crear una estructura de monómero.

Vista esquemática del proceso, desde la síntesis de moléculas POSS (izquierda) a través de la impresión TPP (centro) hasta el paso final de tratamiento térmico a 650 °C (derecha). [Imagen: Reimpreso con autorización de J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/science.abq3037] [Ampliar imagen]

Para diseñar su monómero POSS, el equipo funcionalizó las jaulas moleculares inorgánicas con grupos acrílicos orgánicos en las esquinas, para permitir la reticulación de las jaulas de sílice en una red continua y unida. Agregaron un fotoiniciador a la resina POSS para iniciar la reticulación de los monómeros en la exposición de dos fotones. Y la receta del equipo también añade a la resina oligómeros acrílicos altamente flexibles y flotantes. Este último ingrediente, dice Bauer, facilita aún más el entrecruzamiento y "nos permitió lograr una calidad de impresión muy alta", a pesar de trabajar con "moléculas POSS bastante rígidas a las que no les gusta entrecruzarse tan fácilmente".

Finalmente, una vez que se forma la nanoestructura reticulada totalmente impresa en 3D, se calienta en el aire a una temperatura de 650 °C. Este último paso elimina los componentes orgánicos y completa la unión de las jaulas de sílice POSS inorgánicas para formar una micro o nanoestructura de vidrio continua.

La temperatura requerida es la mitad de lo que se necesita para los enfoques que se basan en la sinterización de nanopartículas. Eso, dijo Bauer, se debe a que los grupos de sílice individuales son muy pequeños, "solo un puñado de átomos". El proceso TPP empaqueta esos grupos moleculares muy juntos, manteniendo las temperaturas de fusión requeridas mucho más bajas que las requeridas para la sinterización de partículas de sílice (relativamente grandes).

Bauer y sus colegas usaron su resina POSS para imprimir con TPP una variedad de estructuras ópticas a nanoescala, incluidos cristales fotónicos de "pila de leña" con características independientes de 97 nm, matrices de microlentes parabólicas y un microobjetivo multilente que incluye elementos de Fresnel nanoestructurados. La flexibilidad que ofrece la impresión TPP también permitió a los investigadores construir microópticas de vidrio de forma libre que muestran un "rendimiento óptico excelente", según el documento, y que tienen tamaños de características mínimos y una rugosidad superficial lo suficientemente pequeña como para habilitar dispositivos nanofotónicos de luz visible.

"Esto realmente allana el camino para la fabricación en chip", dijo Bauer a OPN.

Los investigadores escriben que su sistema de temperatura más baja "lleva la síntesis de forma libre de vidrio de sílice por debajo de los puntos de fusión de los materiales esenciales para la tecnología de microsistemas" y, por lo tanto, "representa un avance que permite la evolución de la impresión 3D en chip de materia transparente". para incluir "sílice fundida resistente de grado óptico". Bauer le dijo a OPN que cree que el sistema tiene "una amplia gama de aplicaciones microópticas y fotónicas", en particular para los sistemas que pueden enfrentar entornos químicos, térmicos u otros hostiles donde las estructuras de polímero impresas en 3D podrían no resistir.

"Esto realmente allana el camino para la fabricación en chip", dijo Bauer a OPN. "Para prácticamente cualquier chip que pueda soportar 650 °C, será posible imprimir micro y nanoestructuras de vidrio transparente de alta calidad directamente en el chip".

Fecha de publicación: 02 de junio de 2023