Impressão em ponte de resolução 3D (RB) e análise de linha. (a) Ilustração de pulsos pré-compensados de GDD propagando-se para o objetivo de NA = 1,4. Depois de passarem no objetivo, τ =100 fs em cada λ; (b) Ilustração do método RB. As linhas suspensas de largura de voxel único são fotopolimerizadas entre pilares de sustentação, cada fileira com intensidade de luz diferente; (c) Imagem SEM de todo o objeto RB com linhas e pilares de sustentação. A barra de escala branca no canto inferior direito é 20 µm; (d) Esquema representando nef calculado para luz de excitação usada e seu arranjo sobre espectros de absorbância medidos de SZ2080 fotossensibilizado. As setas verticais cinzas visualizam um número de fótons para a transição do estado terra-para-excitado. Crédito:Prototipagem Virtual e Física (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324 A litografia multifotônica (MPL) é uma técnica que usa pulsos de laser ultracurtos para criar estruturas tridimensionais (3D) complexas em micro e nanoescala. Baseia-se no princípio da absorção multifotônica (MPA), que ocorre quando dois ou mais fótons são absorvidos simultaneamente por uma molécula, resultando em um processo óptico não linear.
Ao focar o feixe de laser em um material fotossensível, como um fotorresistente ou um pré-polímero, a absorção multifotônica induz uma reação química localizada que altera as propriedades do material. Ao escanear o feixe de laser e/ou traduzir a amostra em três dimensões, o formato desejado pode ser fabricado com alta resolução e precisão, sem quaisquer restrições geométricas. Isso permite a realização da nanoimpressão 3D a laser como uma técnica de fabricação aditiva.
O MPL já tem muitas aplicações em áreas como microóptica, dispositivos nanofotônicos, metamateriais, chips integrados e engenharia de tecidos. Ele pode criar estruturas que são impossíveis ou difíceis de serem alcançadas pelos métodos convencionais de litografia, como superfícies curvas, estruturas ocas e gradientes funcionais. Também pode permitir a fabricação de novos materiais com propriedades ópticas, mecânicas e biológicas personalizadas.
Apesar das configurações de MPL estarem disponíveis comercialmente, a compreensão dos mecanismos fotofísicos e fotoquímicos ainda é controversa, já que as fontes de laser mais comuns são escolhidas com comprimento de onda de 800 nm, enquanto outras populares de 515 nm ou 1.064 nm também se mostraram adequadas.
No entanto, a teoria única e mais popular da absorção de dois fótons não pode ser aplicada para explicar todas as diferentes condições experimentais e o resultado produzido. Esta questão é importante para o desenvolvimento das fontes de laser e a construção de máquinas de nanoimpressão 3D de alto rendimento orientadas para as demandas industriais.
Experiência e descobertas
Estudamos MPL, também amplamente conhecido como polimerização de dois fótons (2PP) ou simplesmente nanoimpressão 3D a laser, usando um laser de femtossegundo com comprimento de onda ajustável. Descobrimos que poderíamos usar qualquer cor do espectro de 500 a 1.200 nm com uma largura de pulso fixa de 100 fs para obter uma interação de mecanismos fotofísicos mais delicados do que apenas a fotopolimerização de dois fótons.
Avaliamos a ordem efetiva de absorção, ou seja, a absorção do fóton X, bem como as condições ideais de exposição para o pré-polímero SZ2080 fotossensibilizado e puro. Descobrimos que a sintonização do comprimento de onda influenciou muito a janela dinâmica de fabricação (DFW), resultando em um aumento de 10 vezes quando otimizada.
Além disso, observamos uma deposição de energia não trivial pela absorção de fótons X com o início de um forte aumento de tamanho lateral em comprimentos de onda mais longos e explicamos que isso se devia ao alcance de condições épsilon próximas de zero (ENZ). Tal controle sobre a proporção do voxel e, consequentemente, o volume fotopolimerizado, pode aumentar a eficiência da nanoimpressão 3D.
Deposição de energia no foco. (a) Distribuição de intensidade gaussiana e sua seção transversal axial. (b) Evolução lateral do tamanho do voxel com tendências de mudança de inclinação global reveladas. O nef obtido por ajuste os valores dos parâmetros de pedido são mostrados nas linhas correspondentes. As inserções dos padrões Airy são plotadas em escala com λ. Imagens SEM de linhas produzidas em 500 e 1.200 nm com baixas potências (abaixo do limite de difração) são representadas. Crédito:Prototipagem Virtual e Física (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324 Também investigamos a evolução do volume polimerizado durante a escrita direta a laser (DLW) através de diferentes mecanismos de entrega de energia:absorção de um/dois/três fótons, ionização em avalanche e difusão térmica levando à fotopolimerização controlada. Mostramos que a nanolitografia 3D com pulsos ultracurtos em uma ampla faixa espectral do visível ao infravermelho próximo de 400–1.200 nm prossegue por meio de excitação multifotônica definida pela ordem efetiva de absorção. Nossa pesquisa foi publicada na revista
Virtual and Physical Prototyping .
Revelação
Observamos que o tamanho do voxel lateral desviou-se da curva analítica e teve um início distinto em forma de degrau, mais expresso em comprimentos de onda mais longos e maior potência. Atribuímos isso à formação do estado ENZ na região focal que fez com que uma porção maior da intensidade da luz incidente fosse absorvida, produzindo uma grande seção transversal lateral de voxel único fotopolimerizado (característica de linha de forma deduzida).
Validamos nossa abordagem em um SZ2080 como material modelo e sugerimos que deveria ser viável com outros materiais difundidos, como fotoresinas IP comerciais, PETA e outros materiais reticuláveis. Demonstramos as aplicações desta técnica em diversos campos, como microóptica, dispositivos nanofotônicos, metamateriais, chips integrados e engenharia de tecidos.
Apresentamos alguns exemplos de índice de refração controlado, alta transparência e componentes microópticos resilientes, bem como ativos que são habilitados pela litografia de fótons X em combinação com calcinação e deposição de camada atômica. Essas conquistas têm aplicações imediatas na detecção sob condições adversas, em espaços abertos e incluindo veículos aéreos não tripulados (UAV).
Impacto
Em perspectiva, ainda precisamos de investigações mais profundas sobre o mecanismo de acumulação de calor, que depende da velocidade de varredura e da taxa de repetição do laser, bem como do tamanho do ponto focal. O comprimento de onda ajustável, juntamente com o chirp do pulso, a duração e a operação no modo burst, que está se tornando um padrão em fontes comerciais de laser fs, podem fornecer melhorias adicionais.
Considerando a tendência dos últimos 20 anos de escalonamento da lei de Moore, com uma potência média do laser fs dobrando a cada dois anos, as aplicações de alto rendimento se beneficiarão da nanoimpressão 3D com parâmetros otimizados.
Esta história faz parte do Science X Dialog, onde pesquisadores podem relatar descobertas de seus artigos de pesquisa publicados. Visite esta página para obter informações sobre o ScienceX Dialog e como participar. Mais informações: Edvinas Skliutas et al, nanolitografia 3D de gravação direta a laser de fótons X,
Prototipagem Virtual e Física (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324
Mangirdas Malinauskas defendeu seu doutorado. em 2010 na Universidade de Vilnius, Centro de Pesquisa a Laser - "Fabricação a Laser de Micro/Nanoestruturas Poliméricas 3D Funcionais", supervisor Prof. Durante a sua carreira realizou estágios no LZH (Prof. B.N. Chichkov) e no IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). Em 2019–2022 foi professor especialmente nomeado no Instituto de Tecnologia de Tóquio (Japão), grupo do Prof. Atualmente ele investiga os fundamentos da micro/nanoestruturação a laser 3D de materiais reticuláveis para aplicações em microóptica, nanoóptica (fotônica) e biomedicina na VU LRC. O financiamento do laboratório é adquirido através de esquemas nacionais, europeus e mundiais (OTAN, Exército dos EUA). Foi Optica Fellow em 2022.
