Forskare har utvecklat en teknik för bläckstråleskrivare som kan användas för att skriva ut optiska komponenter som vågledare. Eftersom tryckmetoden också kan tillverka elektronik och mikrofluidik, det kan främja en mängd olika enheter som optiska sensorer som används för hälsoövervakning och lab-on-a-chip-enheter som integrerar och automatiserar flera laboratoriefunktioner på en liten krets, eller chip.

"Bläckstråleskrivare är en mycket attraktiv metod för att tillverka optiska komponenter eftersom positionerna och storlekarna på funktioner enkelt kan ändras och det finns praktiskt taget inget materialavfall, "sa Fabian Lütolf, medlem i forskargruppen som leds av Rolando Ferrini vid CSEM i Schweiz. "Dock, bläckspänningen gör det svårt att skriva ut linjer med en specifik höjd, vilket är nödvändigt för att skapa en vågledare. "

Bläckstråleskrivare är en additiv tillverkningsteknik som använder små munstycken som de som finns i skrivare för bläckstråleskrivare för att lägga ett datorgenerat droppmönster ("bläcket") på ett underlag för att bygga en struktur. Forskarna upptäckte att deponering av bläcket i två steg, snarare än det traditionella enda steget, möjliggjort utskrift av linjer med en specifik höjd och med mycket mjukare funktioner än vad som annars skulle vara möjligt. De tryckta strukturerna anses ha 2,5 dimensioner eftersom även om de inte är platta, deras komplexitet är begränsad jämfört med strukturer som skapats med traditionell 3D -utskrift.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskarna visar att deras teknik kan användas för att skriva ut 2,5D optiska vågledare och avsmalningar av akrylpolymer. Utskriftskonceptet kan också användas med andra material, t.ex. metalliskt bläck för att tillverka elektronik eller sackarosblandningar för biologiskt nedbrytbara applikationer.

Lütolf påpekar att även om tryckning av elektronik redan används kommersiellt, att skriva ut mikrofluidik är mer utmanande och utsatt för samma problem som vågledare. "Det faktum att vårt tillvägagångssätt kan göra det möjligt att tillverka komponenter med flera funktioner med en enda skrivare banar väg för additiv tillverkning av hela integrerade kretsar på chips, "sa Lütolf." Detta innebär att optiska komponenter kan läggas till flexibel hybridelektronik och att optoelektroniska komponenter som ljuskällor eller detektorer kan integreras i tryckta optiska kretsar. "

Förvandla ett problem till en lösning

På grund av ytspänning, bläck som deponeras på ett underlag tenderar att bukta ut eller splittras. Genom att deponera bläcket i två steg kunde forskarna vända vätskans ytspänning till en fördel. Efter deponering av en serie droppar, bläcket som skrivs ut i det andra steget försöker minimera dess ytenergi genom att självjustera mellan dropparna från det första trycket. Till skillnad från tidigare metoder för bläckstråleskrivare, forskarna behövde inte förmönstra substratet, vilket ökar tillgängligt designutrymme och förenklar tillverkningen.

För att genomföra den nya tekniken, en serie droppar som kallas klämlock skrivs först ut. Dessa sfäriska lock stiftar vätskebryggor som bildas av bläcket från det andra trycket, bilda en konfiguration som immobiliserar bläcket och förhindrar bildandet av utbuktningar i den tryckta linjen. Förutom att göra raka linjer mellan två prickar, tekniken kan användas för att ansluta tre eller flera korsningar för att göra hörn eller vassa kanter.

Den nya tekniken erbjuder flera fördelar jämfört med klassisk fotolitografi, som vanligtvis används för att göra små komponenter på chips. "Bläckstråleskrivning kräver inte en fysisk mask som fotolitografi och det är lättare att ansluta komponenter, "sa Lütolf." Också, om du bara snabbt vill testa en idé eller variera en parameter, additiva tillverkningsmetoder som bläckstråleskrivare kräver bara anpassning av den digitala designen. "

För att utvärdera den nya utskriftsmetoden, forskarna skapade en polymervågledare som var 120 mikron bred och 31 mikron hög med en avsmalning som tillät ljus från en extern laserkälla att komma in i vågledaren. De mätte den optiska förlusten i vågledaren till 0,19 dB/cm, endast en storleksordning högre än de senaste vågledarna som skapats med hjälp av fotolitografi.

"I tidningen, vi rapporterar de första bläckstråleskrivna vågledarna med förlustkarakterisering, "sa Lütolf." För de applikationer vi tänker oss, vågledarna skulle bära ljus för korta sträckor, och inte över hela nätverk. Den nuvarande förlustnivån kan tolereras för sådana applikationer. "

Enligt forskarna, de minsta möjliga vågledarna består av en enda droppe bläck, vars storlek begränsas av bläckstråleskrivarens munstycke. För skrivaren som används i studien, de smalaste vågledarna skulle ligga i 40-mikronområdet med en höjd av cirka 10 mikrometer. Typiska industriella bläckstråleskrivare har också liknande gränser.

"Med vår nuvarande kombination av material och hårdvara, det är inte möjligt att göra vågledare under 10 mikrometer, som vanligtvis krävs för enkelmoddrift. Men vi är nära, "sa Lütolf." Det finns, dock, ingen grundläggande fysisk gräns som skulle hindra oss från att skriva ut vågledare med enkla lägen. "

Han tillägger att flera grupper har visat utskriftsmöjligheter i submikronområdet med tekniker som elektrohydrodynamisk utskrift (E-jet). Det borde vara möjligt att kombinera sådana instrument med den nya bläckstråleskrivningstekniken för att skapa vågledare i ett enda läge.

Forskarna arbetar nu med att optimera utskriftsmetoden och bläcket för att ytterligare sänka mängden ljus som förloras av vågledaren. De arbetar också med att göra bläckstråleprocessen mer tillämplig för storskalig tillverkning och, så småningom, kommersiellt genomförande.