Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с прямого лазерного письма )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Castle (0,2 мм x 0,3 мм x 0,4 мм) [1] 3D-печать на кончике карандаша с помощью многофотонной литографии. Фото Питера Грубера

Многофотонная литография (также известная как прямая лазерная литография или прямая лазерная запись ) полимерных шаблонов известна уже много лет [ временные рамки? ] С помощью фотонного кристалла сообщества. Подобно стандартным методам фотолитографии , структурирование достигается путем освещения фоторезистов отрицательного или положительного тона светом четко определенной длины волны. Однако принципиальное отличие заключается в том, что не используются прицельные сетки . Вместо этого используется двухфотонное поглощение, чтобы вызвать резкое изменение растворимости резиста для соответствующих проявителей.

Следовательно, многофотонная литография - это метод создания мелких деталей на светочувствительном материале без использования сложных оптических систем 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 периодического или непериодического рисунка. Этот метод использовался для быстрого прототипирования структур с мелкими деталями.

Схематическое изображение процесса многофотонной записи .

Двухфотонное поглощение - это третий порядок по оптической восприимчивости третьего порядка и процесс второго порядка по интенсивности света.. По этой причине это нелинейный процесс, который на несколько порядков слабее линейного поглощения, поэтому для увеличения числа таких редких событий требуется очень высокая интенсивность света. Например, сильно сфокусированные лазерные лучи обеспечивают необходимую интенсивность. Здесь предпочтительны импульсные лазерные источники, так как они доставляют импульсы высокой интенсивности при относительно низкой средней энергии. Чтобы обеспечить возможность трехмерного структурирования, источник света должен быть адекватно адаптирован к фоторезисту, так как однофотонное поглощение сильно подавляется, а двухфотонное поглощение благоприятно. Это условие выполняется тогда и только тогда, когда резист является очень прозрачным для выходной длины волны лазерного излучения λ и одновременно поглощает при λ / 2. В результате данный образец относительно сфокусированного лазерного луча можно сканировать при изменении резиста ».s растворимость только в ограниченном объеме. Геометрия последних в основном зависит от изоинтенсивных поверхностей фокуса. Конкретно те области лазерного луча, которые превышают заданный порог экспонирования светочувствительной среды, определяют основной строительный блок, так называемыйвоксель . Другими параметрами, которые влияют на фактическую форму вокселя, являются мода лазера и несоответствие показателей преломления между резистом и иммерсионной системой, приводящее к сферической аберрации.

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

Недавно было показано, что сочетание сверхбыстрой лазерной 3D-нанолитографии с последующей термообработкой позволяет добиться аддитивного производства 3D-стеклокерамики. [2] Кроме того, возобновляемые чистые биорезины растительного происхождения без дополнительной фотосенсибилизации можно использовать для оптического быстрого прототипирования. [3]

Материалы для многофотонной полимеризации [ править ]

Материалы, используемые в многофотонной литографии, обычно используются в традиционных методах фотолитографии. Они могут быть в жидко-вязком, гелеобразном или твердом состоянии, в зависимости от потребности производства. Жидкие резисты предполагают более сложные процессы фиксации образца на этапе изготовления, в то время как приготовление самих смол может быть проще и быстрее. С твердыми резистами, напротив, обращаться проще, но они требуют сложных и трудоемких процессов. [4] Фотополимеры всегда включают форполимер ( мономер ) и, с учетом конечного применения, фотоинициатор в качестве катализатора реакции полимеризации. Кроме того, мы можем найти такие ингибиторы полимеризации(полезны для стабилизации смол, уменьшая получаемый воксель), растворителей (которые могут упростить процедуры литья), загустителей (так называемые «наполнители» ) и других добавок (как пигменты и т. д.), которые стремятся функционализировать фотополимер.

Акрилаты [ править ]

В акрилатах являются наиболее распределенными компонентами смолы. Их можно найти во многих традиционных процессах фотолитографии, которые подразумевают радикальную реакцию . Они широко распространены и коммерчески доступны в широком спектре продуктов, имеющих различные свойства и состав. Основные преимущества этого вида резистов заключаются в превосходных механических свойствах и пониженной усадочной способности. Наконец, стадии полимеризации быстрее, чем у других типов фотополимеров. [4] Акриловые гибридные органические / неорганические резисты в значительной степени распространены благодаря своей биосовместимости и структурным характеристикам, наиболее известными из них являются семейство материалов OMOCER на керамической основе и кремний-керамическое покрытие SZ2080. [5]Последний нашел широкое применение в биологических и фотонных областях благодаря настраиваемой оптической способности (например, показателю преломления ), просто изменяя соотношение неорганических фаз. [6]

Эпоксидные смолы [ править ]

Это наиболее используемые смолы в МЭМС и микрофлюидных областях. Они используют катионную полимеризацию . Одним из наиболее известных эпоксидной смолы SU-8 , [7] , который позволяет осаждения тонких пленок (до 500 мкм) и полимеризацию структур с высоким соотношением сторон . Мы можем найти множество других эпоксидных смол, таких как: SCR-701, широко применяемый в микродвижущихся объектах [8], и SCR-500.

Приложения [ править ]

В настоящее время существует несколько областей применения для Микроструктурированных устройств, сделанных многофотонной полимеризацией, такие как: регенеративная медицина , биоинженерия , micromechanic , микрофлюидальная , атомно - силовой микроскопия , оптика и телекоммуникаций науки .

Регенеративная медицина и биомедицинская инженерия [ править ]

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 для контроля и кондиционирования, механическим и химическим образом, основные сигналы в культурах клеток in vitro : миграция, адгезия, пролиферация и дифференциация. Возможность изготавливать структуры, имеющие размер элемента меньше размера клеток, резко улучшила область механобиологии, давая возможность комбинировать механические сигналы непосредственно в микросреде клетки. [9] Их окончательное применение варьируется от поддержания стволовости мезенхимальных стволовых клеток взрослых, таких как каркас NICHOID [10], который имитирует in vitro физиологическую нишу, к поколению инженерных каркасов миграции.

Микромеханика и микрофлюид [ править ]

Многофотонная полимеризация может быть подходящей для реализации микроразмерных активных (в виде насосов) или пассивных (в качестве фильтров) устройств, которые можно комбинировать с Lab-on-a-chip.. Эти устройства могут широко использоваться в сочетании с микроканалами с преимуществом полимеризации в предварительно запечатанных каналах. Что касается фильтров, их можно использовать для отделения плазмы от эритроцитов, для разделения популяций клеток (по отношению к единичным размерам клеток) 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, основанными на 2D-столбах. Во-первых, 3D-фильтр имеет повышенную механическую стойкость к напряжениям сдвига, что обеспечивает более высокий коэффициент пустотности и, следовательно, более эффективную работу. Во-вторых, трехмерный пористый фильтр может эффективно фильтровать элементы в форме диска, не уменьшая размер пор до минимального размера ячейки. С учетом встроенных микронасосов их можно полимеризовать как двухлопастные независимые роторы,ограничены в канале собственным валом, чтобы избежать нежелательного вращения. Такие системы просто активируются с помощью фокусированной лазерной системы непрерывного действия.[8]

Атомно-силовая микроскопия [ править ]

На сегодняшний день микронаконечники для атомно-силовой микроскопии реализуются стандартными методами фотолитографии 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 сгибания наконечников. Многофотонную литографию можно использовать для создания прототипов и модификации, что позволяет избежать сложного протокола изготовления.

Оптика [ править ]

Благодаря способности создавать трехмерные планарные структуры, многофотонная полимеризация позволяет создавать оптические компоненты для оптических волноводов , [4] резонаторов , [11] фотонных кристаллов , [12] и линз. [13]

Ссылки [ править ]

  • Деубель М., фон Фрейманн Г., Вегенер М., Перейра С., Буш К., Сукулис С.М. (2004). «Прямая лазерная запись трехмерных фотонно-кристаллических шаблонов для телекоммуникаций». Материалы природы . 3 (7): 444–7. Bibcode : 2004NatMa ... 3..444D . DOI : 10.1038 / nmat1155 . PMID  15195083 . S2CID  14877877 .
  • Хаске В., Чен В.В., Хейлз Дж. М., Донг В., Барлоу С., Мардер С. Р., Перри Дж. В. (2007). «Размеры элементов 65 нм с использованием трехмерной многофотонной литографии в видимом диапазоне длин волн» . Оптика Экспресс . 15 (6): 3426–36. Bibcode : 2007OExpr..15.3426H . DOI : 10,1364 / OE.15.003426 . PMID  19532584 .
  • Рекстите С., Йонавичюс Т., Гайлевичюс Д., Малинаускас М., Мизейкис В., Гамалы Э. Г., Юодказис С. (2016). «Наноразмерная точность 3D-полимеризации с помощью управления поляризацией». Современные оптические материалы . 4 (8): 1209–14. arXiv : 1603.06748 . Bibcode : 2016arXiv160306748R . DOI : 10.1002 / adom.201600155 . S2CID  101498388 .
  • Гайлевичюс Д., Падольските В., Миколюнайте Л., Шакирзановас С., Юодказис С., Малинаускас М. (10 декабря 2018 г.). «Аддитивное производство 3D стеклокерамики до наноразмерного разрешения». Наноразмерные горизонты . 4 (3): 647–651. DOI : 10.1039 / C8NH00293B .
  • Лебедевайте M, Остраускайте J, Склютас E, Малинаускас M (2019). "Смолы, не содержащие фотоинициаторов, на основе мономеров растительного происхождения для оптической µ-3D печати термореактивных материалов" . Полимеры . 11 (1): 116. DOI : 10,3390 / polym11010116 . PMC  6401862 . PMID  30960100 .
  1. ^ "Технологии аддитивного производства: многофотонная литография" .
  2. ^ Gailevičius Дарий; Падольските, Виктория; Миколюнайте, Лина; Шакирзановас, Симас; Юодказис, Саулиус; Малинаускас, Мангирдас (2019). «Аддитивное производство 3D стеклокерамики до наноразмерного разрешения». Наноразмерные горизонты . 4 (3): 647–651. Bibcode : 2019NanoH ... 4..647G . DOI : 10.1039 / C8NH00293B .
  3. ^ Лебедевайте, Мигле; Остраускайте, Джолита; Склютас, Эдвинас; Малинаускас, Мангирдас (2019). "Смолы, не содержащие фотоинициаторов, на основе мономеров растительного происхождения для оптической µ-3D печати термореактивных материалов" . Полимеры . 11 (1): 116. DOI : 10,3390 / polym11010116 . PMC 6401862 . PMID 30960100 .  
  4. ^ a b c LaFratta, Christopher N .; Фуркас, Джон Т .; Бальдачини, Томмазо; Фаррер, Ричард А. (20 августа 2007 г.). «Изготовление многофотонов». Angewandte Chemie International Edition . 46 (33): 6238–6258. DOI : 10.1002 / anie.200603995 . PMID 17654468 . 
  5. ^ Овсяников, Александр; Виртль, Жак; Чичков, Борис; Убаха, Мохамед; МакКрейт, Брайан; Сакеллари, Иоанна; Гиакумаки, Анастасия; Грей, Дэвид; Вамвакаки, ​​Мария (25 ноября 2008 г.). «Гибридный светочувствительный материал со сверхнизкой усадкой для микротехнологии с двухфотонной полимеризацией». САУ Нано . 2 (11): 2257–2262. DOI : 10.1021 / nn800451w . ISSN 1936-0851 . PMID 19206391 .  
  6. ^ Раймонди, Мануэла Т .; Eaton, Shane M .; Nava, Michele M .; Лагана, Маттео; Серулло, Джулио; Оселлам, Роберто (2012-05-02). «Двухфотонная лазерная полимеризация: от основ до биомедицинского применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине» . Журнал прикладной биоматериалов и биомеханики : 0. дои : 10,5301 / JABB.2012.9249 . ISSN 1722-6899 . 
  7. ^ Тех, WH; Dürig, U .; Salis, G .; Harbers, R .; Drechsler, U .; Махрт, РФ; Смит, CG; Güntherodt, H.-J. (2004-05-17). «СУ-8 для реального трехмерного субдифракционного двухфотонного микротехнологии». Письма по прикладной физике . 84 (20): 4095–4097. Bibcode : 2004ApPhL..84.4095T . DOI : 10.1063 / 1.1753059 . ISSN 0003-6951 . 
  8. ^ а б Маруо, Сёдзи; Иноуэ, Хироюки (02.10.2006). «Микронасос с оптическим приводом, произведенный трехмерным двухфотонным микротехнологиями». Письма по прикладной физике . 89 (14): 144101. Bibcode : 2006ApPhL..89n4101M . DOI : 10.1063 / 1.2358820 . ЛВП : 10131/1316 . ISSN 0003-6951 . 
  9. ^ Вазин, Тандис; Шаффер, Дэвид В. (март 2010 г.). «Инженерные стратегии для имитации ниши стволовых клеток». Тенденции в биотехнологии . 28 (3): 117–124. DOI : 10.1016 / j.tibtech.2009.11.008 . PMID 20042248 . 
  10. ^ Раймонди, Мануэла Т .; Eaton, Shane M .; Лагана, Маттео; Априле, Вероника; Nava, Michele M .; Серулло, Джулио; Оселлам, Роберто (январь 2013 г.). «Трехмерные структурные ниши, созданные с помощью двухфотонной лазерной полимеризации, способствуют самонаведению стволовых клеток». Acta Biomaterialia . 9 (1): 4579–4584. DOI : 10.1016 / j.actbio.2012.08.022 . PMID 22922332 . 
  11. ^ Ли, Чунь-Фанг; Дун, Сиань-Цзы; Джин, Фэн; Джин, Вэй; Чен, Вэй-Цян; Чжао, Чжэнь-Шэн; Дуань, Сюань-Мин (14.08.2007). «Полимерный резонатор с распределенной обратной связью с субмикронными волокнами, изготовленными методом двухфотонной фотополимеризации». Прикладная физика . 89 (1): 145–148. Bibcode : 2007ApPhA..89..145L . DOI : 10.1007 / s00339-007-4181-8 . ISSN 0947-8396 . 
  12. ^ Сун, Хун-Бо; Мацуо, Шигеки; Мисава, Хироаки (8 февраля 1999 г.). «Трехмерные фотонно-кристаллические структуры, полученные с помощью фотополимеризации смолы с двухфотонным поглощением». Письма по прикладной физике . 74 (6): 786–788. Bibcode : 1999ApPhL..74..786S . DOI : 10.1063 / 1.123367 . ISSN 0003-6951 . 
  13. ^ Гиссибл, Тимо; Тиле, Саймон; Херкоммер, Алоис; Гиссен, Харальд (август 2016 г.). «Двухфотонная прямая лазерная запись сверхкомпактных многолинзовых объективов». Природа Фотоника . 10 (8): 554–560. Bibcode : 2016NaPho..10..554G . DOI : 10.1038 / nphoton.2016.121 . ISSN 1749-4885 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Нано-скульптуры , первая форма человека в наномасштабе. Скульптура художника Джонти Гурвица с использованием многофотонной литографии, ноябрь 2014 г. [1]
  1. ^ «Когда наука и искусство создают чудеса наноскульптуры» . Phys.org, Нэнси Овано. 18 ноя 2014.