광학 및 포토닉스 뉴스

스튜어트 윌스

Karlsruhe Institute of Technology, University of California Irvine 및 Edwards Lifesciences의 팀은 여기에 표시된 나노 격자, 포물선 마이크로 렌즈 및 다중 렌즈 미세 대물렌즈(왼쪽에서 오른쪽으로)와 같은 유리 미세 및 나노 구조를 3D 프린팅하는 방법을 개발했습니다. , 이전 유리 나노 프린팅 방식보다 온도는 훨씬 낮고 해상도는 훨씬 높습니다. 스케일 바: 10μm. [이미지: J. Bauer et al., Science 380, 960(2023)의 허가를 받아 재인쇄됨; 도이: 10.1126/science.abq3037]

직접 레이저 쓰기라고도 알려진 2광자 중합(TPP)이라고 불리는 3D 프린팅 공정을 통해 놀랍고 복잡한 나노 크기의 구조가 가능해졌습니다. 그러나 현재까지 이 기술의 마법은 특수하고 인쇄 친화적인 고분자 수지를 사용하여 플라스틱에서 수행되었습니다.

광학 과학자와 엔지니어는 TPP의 유연성을 사용하여 가장 오랫동안 테스트된 광학 재료인 실리카 유리에서 자유형 나노 크기 구조를 만들고 싶어합니다. 그러나 일부 유리 나노프린팅 계획은 연구실에서 등장했지만 일반적으로 1100°C 이상의 온도에서 실리카 나노입자를 소결해야 했습니다. 이는 반도체 칩의 직접 증착과 같은 다양한 중요한 응용 분야에 유용하기에는 너무 까다롭습니다. 더욱이 이러한 소결 기반 공정으로 인해 가시광선 용도에 적합한 해상도가 부족한 기능이 발생합니다.

이제 독일 KIT(Karlsruhe Institute of Technology)의 Jens Bauer가 이끄는 연구팀은 필요한 처리 온도를 낮추는 매우 고품질, 고해상도 광학 유리의 3D 나노프린팅을 위한 다른 접근 방식을 개발했다고 합니다. 약 500°C 정도(Science, doi: 10.1126/science.abq3037). 낮은 온도는 가시광선 나노포토닉스에 필요한 해상도로 반도체 칩에 직접 견고하고 투명하며 자유로운 형태의 유리 광학 구조를 3D 프린팅할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

Bauer는 OPN과의 인터뷰에서 "이것을 통해 우리가 달성한 것은 TPP를 사용하는 사람들이 상업용 표준 고분자 수지에서 알고 있는 것과 동일한 수준의 인쇄성과 사용 용이성을 갖춘 고품질 무기 유리를 만들 수 있다는 것입니다"라고 말했습니다. ."

TPP의 비선형 공정은 동시에 2광자 흡수를 통해 고분자 사슬로 교차결합하도록 화학적으로 조정된 광활성 수지를 단단히 집중된 펨토초 레이저 펄스에 노출시킴으로써 작동합니다. 이 시스템을 사용하면 마이크로미터 및 나노미터 규모의 견고한 구조를 생성할 수 있으며, 그 유연성 덕분에 마이크로칩에 직접 나노크기의 자유로운 광학 구조를 인쇄할 수 있습니다. 그러나 이러한 구조는 일반적으로 광학적, 기계적 특성이 매우 다양하고 유리의 환경 안정성과 인성이 없는 재료인 폴리머로 작성되었습니다.

TPP 인쇄의 유연성으로 인해 마이크로칩에 직접 자유형 나노크기 광학 구조를 인쇄할 수 있었지만 이러한 구조는 일반적으로 유리가 아닌 폴리머로 작성되었습니다.

TPP 인쇄의 유연성을 나노 규모의 광학 유리 구조로 확장하려는 노력은 일반적으로 "입자 탑재" 고분자 바인더 수지를 원료로 사용했습니다. 이름에서 알 수 있듯이 이러한 바인더에는 광경화성 수지에 부유된 실리카 나노입자가 포함되어 있습니다. 레이저 노출 및 2광자 흡수에서 수지 바인더는 실리카 나노입자를 중합하고 가교결합합니다. 그런 다음 가교된 입자는 1100~1300°C 정도의 온도에서 최종 소결 단계에서 함께 융합되어 유리로 만들어지며, 이 단계에서도 폴리머 바인더가 제거됩니다.

소결 시스템은 의심할 여지 없이 절묘한 3D 프린팅 유리 미세 구조를 만들 수 있습니다. 그러나 필요한 온도는 전자 회로에서 중요한 대부분의 금속은 물론 게르마늄, 인듐 인화물과 같은 주요 반도체 재료의 녹는점보다 높습니다. 이는 입자가 탑재된 수지에 의존하는 TPP 인쇄가 나노크기 광학 유리의 직접 온칩 제조에 비현실적이라는 것을 의미합니다.