stringtranslate.com

Многофотонная литография

Модель замка (0,2 мм x 0,3 мм x 0,4 мм), напечатанная на 3D-принтере на кончике карандаша методом многофотонной литографии

Многофотонная литография (также известная как прямая лазерная литография или прямая лазерная запись ) похожа на стандартные методы фотолитографии ; структурирование достигается путем освещения фоторезистов с негативным или позитивным тоном [ жаргон ] светом с четко определенной длиной волны. Главное отличие заключается в отсутствии фотошаблонов . Вместо этого используется двухфотонное поглощение, чтобы вызвать изменение растворимости резиста для соответствующих проявителей. [ жаргон ]

Анимация процесса многофотонной полимеризации

Таким образом, многофотонная литография — это метод создания мелких деталей в светочувствительном материале без использования эксимерных лазеров или фотошаблонов . Этот метод основан на процессе многофотонного поглощения в материале, который прозрачен на длине волны лазера , используемого для создания рисунка. При сканировании и правильной модуляции лазера в фокусном пятне лазера происходит химическое изменение (обычно полимеризация ), которым можно управлять для создания произвольного трехмерного рисунка. Этот метод использовался для быстрого прототипирования структур с мелкими деталями.

Схематическое изображение процесса многофотонной записи [ требуются пояснения ] .

Двухфотонное поглощение (TPA) является процессом третьего порядка по отношению к оптической восприимчивости третьего порядка и процессом второго порядка по отношению к интенсивности света . [ жаргон ] По этой причине это нелинейный процесс на несколько порядков слабее линейного поглощения, [ жаргон ] поэтому для увеличения количества таких редких событий требуются очень высокие интенсивности света. Например, плотно сфокусированные лазерные лучи обеспечивают необходимую интенсивность. Здесь предпочтительны импульсные лазерные источники с шириной импульса около 100 фс [1] , поскольку они обеспечивают высокоинтенсивные импульсы при относительно низкой средней энергии. Чтобы обеспечить 3D-структурирование, источник света должен быть адекватно адаптирован к жидкой фотосмоле, в которой однофотонное поглощение сильно подавлено. [ требуется разъяснение ] Таким образом, TPA необходим для создания сложных геометрий с высоким разрешением и точностью формы. Для достижения наилучших результатов фотосмолы должны быть прозрачными для длины волны возбуждения λ, которая находится в диапазоне 500–1000 нм, и одновременно поглощать в диапазоне λ/2. [2] В результате данный образец относительно сфокусированного лазерного луча может быть отсканирован при изменении растворимости резиста только в ограниченном объеме. Геометрия последнего в основном зависит от изоинтенсивных поверхностей фокуса. Конкретно, те области лазерного луча, которые превышают заданный порог экспозиции светочувствительной среды, определяют основной строительный блок, так называемый воксель . Таким образом, воксели являются наименьшими отдельными объемами отвержденного фотополимера. Они представляют собой основные строительные блоки 3D-печатных объектов. Другими параметрами, которые влияют на фактическую форму воксела, являются лазерная мода и несоответствие показателя преломления между резистом и иммерсионной системой, приводящее к сферической аберрации.

Было обнаружено, что эффекты поляризации в лазерной 3D-нанолитографии могут быть использованы для точной настройки размеров элементов (и соответствующего соотношения сторон) при структурировании фоторезистов. Это доказывает, что поляризация является переменным параметром наряду с мощностью лазера (интенсивностью), скоростью сканирования (длительностью экспозиции), накопленной дозой и т. д.

Кроме того, для оптического быстрого прототипирования можно использовать возобновляемые чистые биосмолы растительного происхождения без дополнительной фотосенсибилизации. [3]

Материалы для многофотонной полимеризации

Материалы, используемые в многофотонной литографии, обычно используются в традиционных методах фотолитографии. Они могут быть в жидко-вязком, гелеобразном или твердом состоянии в зависимости от потребностей производства. Жидкие смолы подразумевают более сложные процессы фиксации образцов на этапе производства, в то время как подготовка самих смол может быть проще и быстрее. Напротив, твердые резисты могут обрабатываться проще, но они требуют сложных и трудоемких процессов. [4] Смола всегда включает в себя преполимер ( мономер ) и, учитывая конечное применение, фотоинициатор . Кроме того, мы можем найти такие ингибиторы полимеризации (полезные для стабилизации смол, как уменьшающие полученный воксель), растворители (которые могут упростить процедуры литья), загустители (так называемые «наполнители» ) и другие добавки (такие как пигменты и т. д.), которые направлены на функционализацию фотополимера.

Акрилаты

Акрилаты являются наиболее диффузными компонентами смолы. Их можно найти во многих традиционных процессах фотолитографии, которые подразумевают радикальную реакцию . Они в значительной степени диффузны и коммерчески доступны в широком ассортименте продуктов , имеющих различные свойства и состав. Основные преимущества этого вида жидких смол заключаются в превосходных механических свойствах и высокой реакционной способности. Акрилаты демонстрируют немного большую усадку по сравнению с эпоксидными смолами , но их быстрая итерационная способность позволяет обеспечить близкое соответствие дизайну. Более того, акрилаты предлагают повышенное удобство использования, поскольку они устраняют необходимость в нанесении покрытия методом центрифугирования или этапах выпекания  во время обработки. Наконец, этапы полимеризации происходят быстрее, чем у других видов фотополимеров. [4] Метакрилаты в значительной степени диффузны из-за их биосовместимости. Большинство материалов для двухфотонной полимеризации поставляются компаниями, которые также поставляют принтеры. Тем не менее, существуют сторонние смолы, такие как ORMOCER, [5] наряду с многочисленными самодельными смолами. 

Эпоксидные смолы

Это наиболее используемые смолы в областях МЭМС и микрофлюидики . Они используют катионную полимеризацию . Одной из самых известных эпоксидных смол является SU-8 , [6] , которая позволяет наносить тонкие пленки (до 500 мкм) и полимеризовать структуры с высоким соотношением сторон . Мы можем найти много других эпоксидных смол, таких как: SCR-701, в основном используемая в микродвижущихся объектах, [7] и SCR-500.

Неорганическое стекло/керамика

Неорганическое стекло и керамика обладают лучшей термической и химической стабильностью, чем фотополимеры, а также обладают повышенной долговечностью благодаря высокой стойкости к коррозии, деградации и износу. [8] Поэтому в последние годы наблюдается постоянный интерес к разработке смол и методов, которые позволяют использовать многофотонную литографию для 3D-печати стекол и керамики. Было показано, что с помощью гибридных неорганических-органических смол и высокотемпературной термической обработки можно добиться 3D-печати стеклокерамики с субмикрометровым разрешением. [9] [10] Недавно также была показана многофотонная литография полностью неорганической смолы для 3D-печати стекол без использования термической обработки, [11] что позволяет 3D-печать стеклянной микрооптики на кончиках оптических волокон без повреждения оптического волокна. [12]

Приложения

В настоящее время существует несколько областей применения микроструктурированных устройств, изготовленных методом многофотонной полимеризации, таких как: регенеративная медицина , биомедицинская инженерия , микромеханика , микрофлюидика , атомно-силовая микроскопия , оптика и телекоммуникационная наука.

Регенеративная медицина и биомедицинская инженерия

С появлением биосовместимых фотополимеров (таких как SZ2080 и OMOCER) на сегодняшний день многие каркасы были реализованы с помощью многофотонной литографии. Они различаются по ключевым параметрам, таким как геометрия, пористость и размер, чтобы контролировать и обуславливать механическим и химическим способом основные сигналы в клеточных культурах in vitro : миграцию, адгезию, пролиферацию и дифференциацию. Возможность изготовления структур с размером элемента, меньшим, чем размер клеток, значительно улучшила область механобиологии, предоставив возможность объединять механические сигналы непосредственно в микросреду клеток. [13] Их конечное применение варьируется от поддержания стволовости во взрослых мезенхимальных стволовых клетках, таких как каркас NICHOID [14], который имитирует in vitro физиологическую нишу, до создания каркасов, созданных с помощью миграционной инженерии.

Микромеханика и микрофлюидика

Многофотонная полимеризация может быть подходящей для реализации микроразмерных активных (как насосы) или пассивных (как фильтры) устройств, которые могут быть объединены с Lab-on-a-chip . Эти устройства могут широко использоваться в сочетании с микроканалами с преимуществом полимеризации в предварительно запечатанных каналах. Рассматривая фильтры, их можно использовать для отделения плазмы от эритроцитов, для разделения популяций клеток (по отношению к размеру одной клетки) или в основном для фильтрации растворов от примесей и мусора. Пористый 3D-фильтр, который может быть изготовлен только по технологии 2PP, предлагает два ключевых преимущества по сравнению с фильтрами на основе 2D-столбов. Во-первых, 3D-фильтр имеет повышенную механическую устойчивость к сдвиговым напряжениям , что обеспечивает более высокий коэффициент пустотности и, следовательно, более эффективную работу. Во-вторых, 3D-пористый фильтр может эффективно фильтровать дискообразные элементы, не уменьшая размер пор до минимального размера клетки. Рассматривая интегрированные микронасосы, их можно полимеризовать как двухлопастные независимые роторы, ограниченные в канале собственным валом, чтобы избежать нежелательных вращений. Такие системы просто активируются с помощью сфокусированной системы непрерывного лазера. [7]

Атомно-силовая микроскопия

На сегодняшний день микронаконечники атомно-силовой микроскопии реализуются с помощью стандартных фотолитографических методов на твердых материалах, таких как золото, кремний и его производные. Тем не менее, механические свойства таких материалов требуют трудоемких и дорогостоящих производственных процессов для создания или изгибания наконечников. Многофотонная литография может использоваться для прототипирования и модификации, что позволяет избежать сложного протокола изготовления.

Оптика

Благодаря возможности создания трехмерных планарных структур многофотонная полимеризация может использоваться для создания оптических компонентов для оптических волноводов , [4] резонаторов , [15] фотонных кристаллов , [16] и линз. [17]

Ссылки

  1. ^ Хан, Винсент; Майер, Фредерик; Тиль, Михаэль; Вегенер, Мартин (2019-10-01). "3-D Laser Nanoprinting". Optics and Photonics News . 30 (10): 28. Bibcode : 2019OptPN..30...28H. doi : 10.1364/OPN.30.10.000028. ISSN  1047-6938.
  2. ^ Селимис, Александрос; Миронов, Владимир; Фарсари, Мария (2015-01-25). «Прямая лазерная запись: принципы и материалы для 3D-печати скаффолдов». Микроэлектронная инженерия . Прорывы в области микро- и нанотехнологий для электроники, МЭМС и наук о жизни. 132 : 83–89. doi :10.1016/j.mee.2014.10.001. ISSN  0167-9317.
  3. ^ Лебедевайте, Мигле; Остраускайте, Йолита; Склиутас, Эдвинас; Малинаускас, Мангирдас (2019). "Фотоинициаторные свободные смолы, состоящие из мономеров растительного происхождения, для оптической μ-3D-печати термореактивных материалов". Полимеры . 11 (1): 116. doi : 10.3390/polym11010116 . PMC 6401862 . PMID  30960100. 
  4. ^ abc LaFratta, Christopher N.; Fourkas, John T.; Baldacchini, Tommaso; Farrer, Richard A. (2007-08-20). "Multiphoton Fabrication". Angewandte Chemie International Edition . 46 (33): 6238–6258. doi : 10.1002/anie.200603995 . PMID  17654468.
  5. ^ Овсяников, Александр; Виртль, Жак; Чичков, Борис; Убаха, Мохамед; МакКрэйт, Брайан; Сакеллари, Иоанна; Джакумаки, Анастасия; Грей, Дэвид; Вамвакаки, ​​Мария; Фарсари, Мария; Фотакис, Костас (25 ноября 2008 г.). «Гибридный фоточувствительный материал со сверхмалой усадкой для микропроизводства двухфотонной полимеризацией». АСУ Нано . 2 (11): 2257–2262. дои : 10.1021/nn800451w. ISSN  1936-0851. ПМИД  19206391.
  6. ^ Teh, WH; Dürig, U.; Salis, G.; Harbers, R.; Drechsler, U.; Mahrt, RF; Smith, CG; Güntherodt, H.-J. (2004-05-17). "SU-8 для реальной трехмерной субдифракционной двухфотонной микрообработки". Applied Physics Letters . 84 (20): 4095–4097. Bibcode : 2004ApPhL..84.4095T. doi : 10.1063/1.1753059. ISSN  0003-6951.
  7. ^ ab Maruo, Shoji; Inoue, Hiroyuki (2006-10-02). "Оптически управляемый микронасос, произведенный трехмерной двухфотонной микрообработкой". Applied Physics Letters . 89 (14): 144101. Bibcode : 2006ApPhL..89n4101M. doi : 10.1063/1.2358820. hdl : 10131/1316 . ISSN  0003-6951. S2CID  122196673.
  8. ^ Чаудхари, Рагхвендра Пратап; Парамешваран, Читра; Идрис, Мухаммад; Расаки, Аболаджи Сефиу; Лю, Чанъюн; Чэнь, Чжанвэй; Коломбо, Паоло (2022-07-01). «Аддитивное производство керамики на основе полимеров: материалы, технологии, свойства и потенциальные применения». Прогресс в материаловедении . 128 : 100969. doi : 10.1016/j.pmatsci.2022.100969. ISSN  0079-6425.
  9. ^ Гайлявичюс, Дарий; Падольските, Виктория; Миколюнайте, Лина; Шакирзановас, Симас; Юодказис, Саулюс; Малинаускас, Мангирдас (2019). «Аддитивное производство 3D-стеклокерамики до наноразмерного разрешения». Наномасштабные горизонты . 4 (3): 647–651. Бибкод : 2019NanoH...4..647G. дои : 10.1039/C8NH00293B. S2CID  53988738.
  10. ^ Вэнь, Севэнь; Чжан, Бою; Ван, Вэйпэн; Да, Фан; Юэ, Шуай; Го, Хуа; Гао, Гуаньхуэй; Чжао, Юшунь; Фан, Ции; Нгуен, Кристина; Чжан, Сян; Бао, Цзимин; Робинсон, Джейкоб Т.; Аджаян, Пуликель М.; Лу, Джун (ноябрь 2021 г.). «3D-печатный кремнезем с наноразмерным разрешением». Природные материалы . 20 (11): 1506–1511. Бибкод : 2021NatMa..20.1506W. дои : 10.1038/s41563-021-01111-2. ISSN  1476-4660. ПМИД  34650230.
  11. ^ Хуан, По-Хан; Лааксо, Мику; Эдингер, Пьер; Хартвиг, Оливер; Дюсберг, Георг С.; Лай, Ли-Лун; Майер, Иоахим; Найман, Йохан; Эррандо-Херранц, Карлос; Штемме, Йоран; Гилфасон, Кристинн Б.; Никлаус, Франк (2023-06-07). "Трехмерная печать кварцевого стекла с субмикрометровым разрешением". Nature Communications . 14 (1): 3305. Bibcode :2023NatCo..14.3305H. doi : 10.1038/s41467-023-38996-3 . ISSN  2041-1723. PMC 10244462 . PMID  37280208. 
  12. ^ Лай, Ли-Лун; Хуан, По-Хан; Стемме, Йоран; Никлаус, Франк; Гилфасон, Кристинн Б. (2024-04-23). ​​«3D-печать стеклянной микрооптики с субволновыми характеристиками на оптоволоконных наконечниках». ACS Nano . 18 (16): 10788–10797. doi :10.1021/acsnano.3c11030. ISSN  1936-0851. PMC 11044591 . PMID  38551815. 
  13. ^ Вазин, Тандис; Шаффер, Дэвид В. (март 2010 г.). «Инженерные стратегии для эмуляции ниши стволовых клеток». Тенденции в биотехнологии . 28 (3): 117–124. doi :10.1016/j.tibtech.2009.11.008. PMID  20042248.
  14. ^ Раймонди, Мануэла Т.; Итон, Шейн М.; Лагана, Маттео; Априле, Вероника; Нава, Мишель М.; Черулло, Джулио; Оселламе, Роберто (январь 2013 г.). «Трехмерные структурные ниши, созданные с помощью двухфотонной лазерной полимеризации, способствуют возвращению стволовых клеток». Акта Биоматериалы . 9 (1): 4579–4584. doi : 10.1016/j.actbio.2012.08.022. ПМИД  22922332.
  15. ^ Ли, Чунь-Фан; Дун, Сянь-Цзы; Цзинь, Фэн; Цзинь, Вэй; Чэнь, Вэй-Цян; Чжао, Чжэнь-Шэн; Дуань, Сюань-Мин (14 августа 2007 г.). «Полимерный резонатор с распределенной обратной связью и волокнами субмикрометрового размера, изготовленными методом двухфотонно-индуцированной фотополимеризации». Applied Physics A. 89 ( 1): 145–148. Bibcode : 2007ApPhA..89..145L. doi : 10.1007/s00339-007-4181-8. ISSN  0947-8396. S2CID  94901236.
  16. ^ Сан, Хонг-Бо; Мацуо, Шигеки; Мисава, Хироаки (1999-02-08). «Трехмерные фотонные кристаллические структуры, полученные с помощью двухфотонно-абсорбционной фотополимеризации смолы». Applied Physics Letters . 74 (6): 786–788. Bibcode : 1999ApPhL..74..786S. doi : 10.1063/1.123367. ISSN  0003-6951.
  17. ^ Gissibl, Timo; Thiele, Simon; Herkommer, Alois; Giessen, Harald (август 2016 г.). «Двухфотонная прямая лазерная запись сверхкомпактных многолинзовых объективов». Nature Photonics . 10 (8): 554–560. Bibcode : 2016NaPho..10..554G. doi : 10.1038/nphoton.2016.121. ISSN  1749-4885. S2CID  49191430.

Внешние ссылки

  1. ^ «Когда наука и искусство создают чудеса наноскульптуры». Phys.org, Нэнси Овано. 18 ноября 2014 г.