Ömtåliga strukturer tryckta av materialforskare vid Rice University som ses i mikroskopbilder. Sintring förvandlar dem till antingen glas eller cristobalit. Kredit:Nanomaterials, Nanomechanics and Nanodevices Lab
Att väva invecklade, mikroskopiska mönster av kristall eller glas är nu möjligt tack vare ingenjörer vid Rice University.
Rismaterialforskare skapar nanostrukturer av kiseldioxid med en sofistikerad 3D-skrivare, och demonstrerar en metod för att göra mikroskaliga elektroniska, mekaniska och fotoniska enheter från botten och upp. Produkterna kan dopas och deras kristallstrukturer kan anpassas för olika applikationer.
Studien ledd av Jun Lou, professor i materialvetenskap och nanoteknik vid George R. Brown School of Engineering, visas i Nature Materials .
Elektronikindustrin bygger på kisel, det grundläggande halvledande substratet för mikroprocessorer i årtionden. Rice-studien tar upp begränsningarna av top-down-tillverkning genom att vända processen på huvudet.
"Det är väldigt svårt att göra komplicerade, tredimensionella geometrier med traditionella fotolitografitekniker," sa Lou. "Det är inte heller särskilt "grönt" eftersom det kräver mycket kemikalier och många steg. Och även med all den ansträngningen är vissa strukturer omöjliga att göra med de metoderna.
"I princip kan vi skriva ut godtyckliga 3D-former, vilket kan vara mycket intressant för att göra exotiska fotoniska enheter," sa han. "Det är vad vi försöker visa."
En utskuren schematisk visar den tvåfotonaktiverade utskriftsprocessen för kiseldioxidstrukturer med en upplösning under 200 nanometer. Kredit:Nanomaterials, Nanomechanics and Nanodevices Lab
Labbet använder en tvåfotonpolymerisationsprocess för att skriva ut strukturer med linjer som bara är flera hundra nanometer breda, mindre än ljusets våglängd. Lasrar "skriver" linjerna genom att få bläcket att absorbera två fotoner, vilket initierar friradikalpolymerisation av materialet.
"Normal polymerisation involverar polymermonomerer och fotoinitiatorer, molekyler som absorberar ljus och genererar fria radikaler", säger Rice doktorand och medförfattare Boyu Zhang om processen som vanligtvis använder ultraviolett ljus i 3D-utskrift och för att härda beläggningar och i dentala tillämpningar.
"I vår process absorberar fotoinitiatorerna två fotoner samtidigt, vilket kräver mycket energi," sa han. "Bara en mycket liten topp av denna energi orsakar polymerisation, och det i endast ett mycket litet utrymme. Det är därför den här processen tillåter oss att gå bortom ljusets diffraktionsgräns."
Tryckprocessen krävde att Rice lab utvecklade ett unikt bläck. Zhang och co-lead författaren Xiewen Wen, en risalumn, skapade hartser som innehöll nanosfärer av kiseldioxid dopade med polyetylenglykol för att göra dem lösliga.
Efter tryckning stelnar strukturen genom högtemperatursintring, vilket eliminerar all polymer från produkten, vilket lämnar amorft glas eller polykristallin kristobalit. "När det värms upp går materialet genom faser från glas till kristall, och ju högre temperatur desto mer ordnade blir kristallerna", sa Lou.
Laboratoriet visade också dopning av materialet med olika sällsynta jordartsmetallsalter för att göra produkterna fotoluminescerande, en viktig egenskap för optiska applikationer. Labbets nästa mål är att förfina processen för att uppnå en upplösning på under 10 nanometer.
Medförfattare till artikeln är Rice biträdande forskningsprofessor Hua Guo, forskarna Guanhui Gao och Xiang Zhang, alumn Yushun Zhao och doktorander Qiyi Fang och Christine Nguyen; Rice alumn Fan Ye från Tsinghua University, Peking; University of Houston alumn Shuai Yue, nu postdoktor vid den kinesiska vetenskapsakademin; och Jiming Bao, professor i el- och datorteknik vid University of Houston. + Utforska vidare
