Kombinera hastighet med otrolig precision, ett team av forskare har utvecklat ett sätt att skriva ut en bildsond i nanoskala på spetsen av en glasfiber så tunn som ett människohår, påskynda produktionen av den lovande nya enheten från flera per månad till flera per dag.

Tekniken för tillverkning av hög genomströmning öppnar dörren för den utbredda användningen av denna och andra nanooptiska strukturer, som klämmer och manipulerar ljus på sätt som är ouppnåeliga med konventionell optik. Nanooptik har potential att användas för avbildning, avkänning, och spektroskopi, och kan hjälpa forskare att förbättra solceller, designa bättre läkemedel, och gör snabbare halvledare. Ett stort hinder för teknikens kommersiella användning, dock, är dess tidskrävande produktionsprocess.

Den nya tillverkningsmetoden, kallas fiber nanoimprinting, kunde koppla bort denna flaskhals. Det utvecklades av forskare vid Molecular Foundry, ligger vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), i samarbete med forskare från Hayward, Kalifornien-baserade aBeam Technologies. Deras forskning rapporteras online den 10 maj i tidskriften Vetenskapliga rapporter .

Deras arbete bygger på Campanile-sonden, som utvecklades av forskare från Molecular Foundry för fyra år sedan. Den är avsmalnande, Fyrsidig form liknar toppen av Campanile-klocktornet på UC Berkeleys campus. Sonden är monterad i änden av en optisk fiber, och fokuserar en intensiv ljusstråle på en mycket mindre plats än vad som är möjligt med nuvarande optik. Detta möjliggör spektroskopisk avbildning med en upplösning som är 100 gånger högre än konventionell spektroskopi, som bara kartlägger den genomsnittliga kemiska sammansättningen av ett material.

I kontrast, Campanile-sonden kan avbilda sammansättningen molekyl för molekyl av nanopartiklar och andra material. Forskare kan använda den för att undersöka en nanotråd för små defekter, till exempel, leder till nya sätt att förbättra nanotrådar för användning i effektivare solceller.

Men att tillverka Campanile-sonder har dels varit vetenskap och dels konst. Detsamma gäller andra nano-optiska enheter, såsom mikroskopiska linser och stråldelare, som delar upp en ljusstråle i flera. Dessa enheter kräver fräsning av en 3-D-form med funktioner under 100 nanometersskala på spetsen av en trasig fiber, vilket är mycket svårare än att tillverka en nanostruktur på en plan yta som en wafer.

"När vi först gjorde Campanile-sonden, vi skulpterade den med en jonstråle som Michelangelo. Det tog ungefär en månad, " säger Stefano Cabrini, chef för Nanofabrication Facility på Molecular Foundry. "Denna takt är OK för forskningstillämpningar, men avsaknaden av en masstillverkningsmetod har hämmat den bredare användningen av nanooptiska enheter."

Det är där fiber nanoimprinting kommer in. Dess första steg är det mest tidskrävande:Forskare skapar en form med exakta mått på den nanooptiska enhet de vill skriva ut. För Campanile-sonden, detta betyder en form av sondens nanoskala egenskaper, inklusive de fyra sidorna och det ljusemitterande 70 nanometer breda gapet på pyramidens topp.

"Den här formen kan ta några veckor att göra, men vi behöver bara en, och sedan kan vi börja skriva ut, " förklarar Keiko Munechika från aBeam Technologies, som samarbetade med Molecular Foundry för att utveckla tillverkningsprocessen som en del av Department of Energys Small Business Technology Transfer-program. Flera andra aBeam Technologies -forskare bidrog till detta arbete, inklusive Alexander Koshelev. Företaget kommersialiserar nu olika fiberbaserade nanooptiska enheter (se ytterligare information).

Efter att formen har skapats, det är iväg till tävlingarna. Formen fylls med ett speciellt harts och placeras sedan ovanpå en optisk fiber. Infrarött ljus skickas genom fibern, vilket gör det möjligt för forskarna att mäta den exakta inriktningen av formen i förhållande till fibern. Om allt stämmer, UV-ljus skickas genom fibern, som härdar hartset. Ett sista metalliseringssteg täcker sidorna av sonden med guldskikt. Resultatet är en snabbt tryckt – inte minutiöst skulpterad – Campanile-sond.

"Vi kan göra det här om och om igen och göra en undersökning med några minuters mellanrum, säger Munechika.

Det finns flera fördelar med den snabbare produktionstakten. Campanile sonder är ömtåliga, och nu är det möjligt att ge forskare en batch ifall en går sönder. Dessutom är det lättare att optimera nanooptiska enheter om forskare kan ge feedback om en enhets prestanda, och en förbättrad batch utvecklas snabbt för vidare testning. Tillverkningstekniken kan också tillämpas på vilken nanooptisk enhet som helst, och har hittills använts för att skapa Fresnel-linser och stråldelare utöver Campanile-sonden.

"Istället för att skulptera en unik enhet som Michelangelo, vi tar nu det ursprungliga mästerverket, gör avtryck av det, och skapa många repliker i snabb följd, " säger Cabrini. "Det är en ny förmåga som Molecular Foundry kan tillhandahålla vetenskapssamhället."