Многофотонная литография

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

Многофотонная литография (также известная как прямая лазерная литография или прямое лазерное письмо ) аналогична стандартным методам фотолитографии ; структурирование достигается путем освещения негативного или позитивного тона. фоторезист под действием света четко определенной длины волны. Основное отличие – отказ от фотомасок . Вместо этого используется двухфотонное поглощение, чтобы вызвать изменение растворимости резиста для соответствующих проявителей.

Анимация процесса многофотонной полимеризации

Следовательно, многофотонная литография — это метод создания мелких деталей в светочувствительном материале без использования эксимерных лазеров или фотомасок . Этот метод основан на процессе многофотонного поглощения в материале, прозрачном для длины волны лазера, используемого для создания рисунка. Путем сканирования и правильной модуляции лазера в фокусе лазера происходит химическое изменение (обычно полимеризация ), которым можно управлять для создания произвольного трехмерного рисунка. Этот метод использовался для быстрого прототипирования структур с тонкими характеристиками.

Схематическое изображение многофотонной записи. процесс.

Двухфотонное поглощение (ДФА) является третьим порядком по отношению к оптической восприимчивости третьего порядка. $\chi ^{(3)}$ и процесс второго порядка по интенсивности света . По этой причине это нелинейный процесс на несколько порядков слабее линейного поглощения, таким образом, для увеличения количества таких редких событий требуется очень высокая интенсивность света. Например, плотно сфокусированные лазерные лучи обеспечивают необходимую интенсивность. Здесь импульсные лазерные источники с длительностью импульса около 100 фс являются предпочтительными, поскольку они дают импульсы высокой интенсивности, выделяя при этом относительно низкую среднюю энергию. Чтобы обеспечить трехмерное структурирование, источник света должен быть адекватно адаптирован к жидкому фоторезину, поскольку поглощение одиночных фотонов сильно подавлено. Таким образом, TPA необходим для создания сложных геометрических фигур с высоким разрешением и точностью формы. Для достижения наилучших результатов фоторезины должны быть прозрачны для длины волны возбуждения λ, которая находится в диапазоне 500–1000 нм, и одновременно поглощать в диапазоне λ/2. В результате данный образец относительно сфокусированного лазерного луча можно сканировать с изменением растворимости резиста только в ограниченном объеме. Геометрия последнего в основном зависит от изоинтенсивности поверхностей фокуса. Конкретно, те области лазерного луча, которые превышают заданный порог воздействия светочувствительной среды, определяют основной строительный блок, так называемый воксель . Таким образом, воксели представляют собой мельчайшие отдельные объемы отвержденного фотополимера. Они представляют собой основные строительные блоки объектов, напечатанных на 3D-принтере. Другими параметрами, которые влияют на фактическую форму воксела, являются режим 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 рядом с мощностью лазера (интенсивностью), скоростью сканирования (длительностью воздействия), накопленной дозой и т. д.

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

Материалы для многофотонной полимеризации

Материалы, используемые в многофотонной литографии, обычно используются в традиционных методах фотолитографии. Их можно найти в жидко-вязком, гелеобразном или твердом состоянии, в зависимости от производственных потребностей. Жидкие смолы подразумевают более сложные процессы фиксации образцов на этапе изготовления, тогда как приготовление самих смол может быть проще и быстрее. Напротив, с твердыми резистами обращаться проще, но они требуют сложных и трудоемких процессов. Смола всегда включает в себя форполимер ( мономер ) и, с учетом конечного применения, фотоинициатор . Кроме того, мы можем найти такие ингибиторы полимеризации (полезные для стабилизации смол, одновременно уменьшающие количество получаемых вокселей), растворители (которые могут упростить процедуры литья), загустители (так называемые «наполнители» ) и другие добавки (например, пигменты и т. д.), которые направлены на функционализировать фотополимер.

Акрилаты

Акрилаты . являются наиболее распространенными компонентами смол Их можно найти во многих традиционных процессах фотолитографии, которые подразумевают радикальную реакцию . Они широко распространены 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 дают немного большую усадку по сравнению с эпоксидными смолами , но их возможность быстрого повторения позволяет точно соответствовать дизайну. Более того, акрилаты повышают удобство использования, поскольку устраняют необходимость в центрифугировании или этапах обжига во время обработки. Наконец, этапы полимеризации происходят быстрее, чем у других типов фотополимеров. Метакрилаты широко распространены благодаря своей биосовместимости. Большинство материалов для двухфотонной полимеризации поставляются компаниями, которые также поставляют принтеры. Тем не менее, существуют смолы сторонних производителей, например ORMOCER, наряду с многочисленными смолами собственного производства. 

Эпоксидные смолы

Это наиболее часто используемые смолы в МЭМС и микрофлюидных областях. Они используют катионную полимеризацию . Одной из самых известных эпоксидных смол является СУ-8 . что позволяет наносить тонкие пленки (до 500 мкм) и полимеризовать структуры с высоким аспектным соотношением . Мы можем найти множество других эпоксидных смол, таких как: SCR-701, широко используемая в микродвижущихся объектах, и SCR-500.

Неорганическое стекло/керамика

Неорганическое стекло и керамика обладают лучшей термической и химической стабильностью, чем фотополимеры, а также обеспечивают повышенную долговечность благодаря высокой устойчивости к коррозии, деградации и износу. Поэтому в последние годы существует постоянный интерес к разработке смол и технологий, позволяющих использовать многофотонную литографию для 3D-печати очков и керамики. Было продемонстрировано, что с помощью гибридных неорганических и органических смол и высокотемпературной термической обработки можно добиться 3D-печати стеклокерамики с субмикронным разрешением. Недавно также была продемонстрирована многофотонная литография полностью неорганической смолы для 3D-печати очков без термической обработки. возможность 3D-печати стеклянной микрооптики на концах оптических волокон без повреждения оптического волокна.

Приложения

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

Регенеративная медицина и биомедицинская инженерия

С появлением биосовместимых фотополимеров (таких как SZ2080 и OMOCER) на сегодняшний день многие каркасы созданы с помощью многофотонной литографии. Они различаются по ключевым параметрам, таким как геометрия, пористость и размеры, что позволяет контролировать и кондиционировать механическим и химическим образом фундаментальные сигналы в культурах клеток in vitro : миграцию, адгезию, пролиферацию и дифференцировку. Возможность изготавливать структуры, размер которых меньше размера клеток, значительно улучшила область механобиологии, предоставив возможность комбинировать механические сигналы непосредственно с микроокружением клеток. Их конечное применение варьируется от поддержания стволовости взрослых мезенхимальных стволовых клеток, например, в каркасе NICHOID. который имитирует in vitro физиологическую нишу, с образованием сконструированных каркасов для миграции.

Микромеханика и микрофлюидика

Многофотонная полимеризация может быть полезна для создания микроразмерных активных (как насосы) или пассивных (как фильтры) устройств, которые можно комбинировать с «лабораторией на чипе» . Эти устройства могут широко использоваться в сочетании с микроканалами с преимуществом полимеризации в предварительно запечатанных каналах. Что касается фильтров, то 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, имеет два ключевых преимущества по сравнению с фильтрами на основе 2D-столбиков. Во-первых, 3D-фильтр обладает повышенной механической устойчивостью к сдвиговым напряжениям , что обеспечивает более высокий коэффициент пустотности и, следовательно, более эффективную работу. Во-вторых, пористый 3D-фильтр может эффективно фильтровать элементы в форме диска, не уменьшая размер пор до минимального размера ячейки. Что касается встроенных микронасосов, их можно полимеризовать как двухлопастные независимые роторы, заключенные в канал собственным валом, чтобы избежать нежелательного вращения. Такие системы просто активируются с помощью фокальной лазерной системы непрерывного действия.

Атомно-силовая микроскопия

На сегодняшний день микронаконечники для 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 изгиба наконечников. Многофотонную литографию можно использовать для прототипирования и модификации, что позволяет избежать сложного протокола изготовления.

Оптика

Благодаря возможности создания плоских 3D-структур многофотонная полимеризация позволяет создавать оптические компоненты для оптических волноводов . резонаторы , фотонные кристаллы , и линза.

Ссылки

• Дойбель М., фон Фрейманн Г., Вегенер М., Перейра С., Буш К., Сукулис С.М. (2004). «Прямая лазерная запись трехмерных фотонно-кристаллических шаблонов для телекоммуникаций». Природные материалы . 3 (7): 444–7. Бибкод : 2004NatMa...3..444D . дои : 10.1038/nmat1155 . ПМИД   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 волн» . Оптика Экспресс . 15 (6): 3426–36. Бибкод : 2007OExpr..15.3426H . дои : 10.1364/OE.15.003426 . hdl : 1853/45269 . ПМИД   19532584 .
• Рекстите С., Йонавичюс Т., Гайлявичюс Д., Малинаускас М., Мизейкис В., Гамалы Э.Г., Юодказис С. (2016). «Наномасштабная точность 3D-полимеризации посредством контроля поляризации». Передовые оптические материалы . 4 (8): 1209–14. arXiv : 1603.06748 . Бибкод : 2016arXiv160306748R . дои : 10.1002/adom.201600155 . S2CID   101498388 .
• Гайлявичюс Д., Падолските В., Миколюнайте Л., Шакирзановас С., Юодказис С., Малинаускас М. (10 декабря 2018 г.). «Аддитивное производство 3D-стеклокерамики до наноразмерного разрешения». Наномасштабные горизонты . 4 (3): 647–651. Бибкод : 2019NanoH...4..647G . дои : 10.1039/C8NH00293B . S2CID   53988738 .
• Лебедевайте М, Остраускайте Я, Склютас Э, Малинаускас М (2019). «Смолы, не содержащие фотоинициаторов, состоящие из мономеров растительного происхождения, для оптической μ-3D-печати термореактивных материалов» . Полимеры . 11 (1): 116. дои : 10.3390/polym11010116 . ПМК   6401862 . ПМИД   30960100 .

Внешние ссылки

• Наноскульптуры — первая наночеловеческая форма. Скульптура художника Джонти Гурвица с использованием многофотонной литографии, ноябрь 2014 г.