Метод аддитивного производства из кварцевого стекла при помощи лазерной литографии был разработан в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) и вызвал настоящий ажиотаж. Команде ученых во главе с Йенсом Бауэром удалось изготовить различные конструкции нанометрового размера из кварцевого стекла в процессе 3D печати. Главная особенность технологии заключается в том, что она не требует спекания материала. Кроме того, она позволяет печатать объекты из стекла непосредственно на полупроводниковых чипах. Новый процесс 3D печати открывает множество интересных и перспективных возможностей для высокотехнологичных приложений, фотоники и микрооптики.
При работе над этим проектом исследователи из Института нанотехнологий KIT (INT) активно сотрудничали со специалистами Гейдельбергского университета. Ученые объединились, чтобы создать так называемый “кластер передового опыта” 3D Matter Made to Order. Объединенная группа поставила своей целью достижение более высокого уровня процессов аддитивного производства. Глава INT доктор Йенс Бауэр и его исследовательская группа в сотрудничестве с учеными из Калифорнийского университета в Ирвине и медицинской технологической компании Edwards Lifesciences в Ирвине преуспели в том, чтобы сделать решающий шаг к достижению поставленных целей.
До недавнего времени спекание считалось неотъемлемым этапом аддитивного производства из кварцевого стекла. Однако спекание кремниевых наночастиц требует нагрева материала до 1100 С, что не подходит для разработки ряда высокотехнологичных изделий – например, чипов полупроводников. В таком случае применение 3D печати из стекла для изготовления микросистем становится невозможным, что считалось важным недостатком технологии. Изобретенный исследователями INT метод позволяет печатать стеклянные объекты при вдвое меньшей температуре.
Особенности и применение лазерной литографии
Для реализации изобретенной ими технологии ученые самостоятельно разработали специальный материал – гибридную органо-неорганическую полимерную смолу. Это жидкое вещество содержит полиэдрические олигомерные молекулы силсесквиоксана (POSS). Оно включает крошечные молекулы кремнезема в форме клетки, к которым прикреплены органические функциональные группы. При изготовлении объектов из POSS-смолы специалисты задействовали литографию с погружением в лазер (DiLL). Этот метод на основе SLA предполагает печать изделия сверху вниз. После формирования органо-неорганической наноструктуры ее нагревают до 650°C в трубчатой печи. Такая процедура вытесняет органические компоненты базовой смолы и связывает неорганические компоненты POSS-смолы.
На следующем этапе постобработки напечатанные объекты помещают в изопропанол-спиртовую ванну на 20 минут, чтобы растворить оставшуюся на них жидкую смолу. Результатом процесса является полная и непрерывная микро- или наноразмерная структура плавленого кварца. Так как POSS-смола сама по себе представляет кремний-кислородную молекулярную сеть, то благодаря инновационного способа 3D печати из нее получаются изделия из чистого кварца, изготовленные без спекания при умеренной температуре. Сниженная температура печати позволяет создавать стеклянные конструкции оптического класса в произвольной форме высокой прочности с необходимым для нанофотоники видимого света разрешением. И особенно важно то, что метод лазерной типографии дает возможность делать это прямо на полупроводниковых чипах.
Команда разработчиков протестировала на нескольких объектах и успешно изготовила ряд миниатюрных объектов. В том числе фотонные кристаллы автономных пучков, параболические микролинзы и многолинзовый микрообъектив с нано-элементами. Все полученные конструкции выполнены из оптически безупречного прозрачного стекла, имеющего достойные механические качества и высокое разрешение. Объекты из плавленого кварцевого стекла имеют отменную стойкость к воздействию химических веществ и высокой температуры.
Также они обеспечивают четырехкратное увеличение разрешения, что позволяет использовать нанофотонику в видимом свете. Характеристики полученных изделий открывают широкие перспективы для их эксплуатации в разных сферах. А сама лазерная литография из POSS-смолы задает новый стандарт для микро- и нано-3D печати неорганических твердых тел.
