Multifotonlitografi (MPL) är en teknik som använder ultrakorta laserpulser för att skapa komplexa tredimensionella (3D) strukturer i mikro- och nanoskala. Den är baserad på principen om multifotonabsorption (MPA), som uppstår när två eller flera fotoner samtidigt absorberas av en molekyl, vilket resulterar i en olinjär optisk process.
Genom att fokusera laserstrålen på ett fotokänsligt material, såsom en fotoresist eller en prepolymer, inducerar multifotonabsorptionen en lokaliserad kemisk reaktion som förändrar materialets egenskaper. Genom att skanna laserstrålen och/eller översätta provet i tre dimensioner kan den önskade formen tillverkas med hög upplösning och noggrannhet utan några geometriska begränsningar. Detta möjliggör realiseringen av laser 3D nanoprinting som en additiv tillverkningsteknik.
MPL har redan många tillämpningar inom områden som mikrooptik, nanofotoniska enheter, metamaterial, integrerade chips och vävnadsteknik. Det kan skapa strukturer som är omöjliga eller svåra att uppnå med konventionella litografimetoder, såsom krökta ytor, ihåliga strukturer och funktionella gradienter. Det kan också möjliggöra tillverkning av nya material med skräddarsydda optiska, mekaniska och biologiska egenskaper.
Trots att MPL-uppsättningarna är kommersiellt tillgängliga är förståelsen av fotofysiska och fotokemiska mekanismer fortfarande kontroversiell, eftersom de flesta vanliga laserkällorna har valts till att ha en våglängd på 800 nm medan andra populära på 515 nm eller 1 064 nm också visade sig vara lämpliga.
Den enda och mest populära teorin om två-fotonabsorption kan dock inte användas för att förklara alla olika experimentella förhållanden och det producerade resultatet. Denna fråga är viktig för den fortsatta utvecklingen av laserkällorna och konstruktionen av 3D-nanoprintmaskiner med hög genomströmning som är inriktade på industriella krav.
Vi studerade MPL, även allmänt känd som två-fotonpolymerisation (2PP) eller helt enkelt laser 3D nanoprinting, med hjälp av en våglängdsavstämbar femtosekundlaser. Vi fann att vi kunde använda vilken färg som helst i spektrumet från 500 till 1 200 nm med en fast pulsbredd på 100 fs för att uppnå ett samspel av fotofysiska mekanismer som är mer känsliga än bara tvåfotonfotopolymerisation.
Vi bedömde den effektiva absorptionsordningen, det vill säga X-fotonabsorptionen, såväl som optimala exponeringsförhållanden för fotosensibiliserad och ren SZ2080-prepolymer. Vi upptäckte att avstämningen av våglängden i hög grad påverkade det dynamiska tillverkningsfönstret (DFW), vilket resulterade i en 10-faldig ökning vid optimering.
Dessutom observerade vi en icke-trivial energiavsättning genom X-fotonabsorption med en början av en stark lateral storleksökning vid längre våglängder och förklarade att det berodde på att nå epsilon-nära-noll (ENZ) förhållanden. En sådan kontroll över voxel-breddförhållandet och följaktligen den fotopolymeriserade volymen, kan öka effektiviteten i 3D-nanoprinting.
Vi undersökte också utvecklingen av den polymeriserade volymen under direkt laserskrivning (DLW) via olika energileveransmekanismer:en-/två-/tre-fotonabsorption, lavinjonisering och termisk diffusion som leder till kontrollerad fotopolymerisation. Vi visade att 3D nanolitografi med ultrakorta pulser vid ett brett synligt-till-nära-IR-spektralområde på 400–1 200 nm fortsätter via multifotonexcitation definierad av effektiv absorptionsordning. Vår forskning är publicerad i tidskriften Virtual and Physical Prototyping .
Vi noterade att den laterala voxelstorleken avvek från den analytiska kurvan och hade en distinkt stegliknande start mest uttryckt vid längre våglängder och högre effekt. Vi tillskrev detta till ENZ-tillståndsbildning i fokalområdet som gjorde att en större del av infallande ljusintensitet absorberades, vilket gav ett stort lateralt tvärsnitt av fotopolymeriserad enkel voxel (härledd formlinje).
Vi har validerat vårt tillvägagångssätt i en SZ2080 som modellmaterial och föreslagit att det ska vara genomförbart med andra utbredda material som kommersiella IP-fotohartser, PETA och andra tvärbindningsbara material. Vi demonstrerade tillämpningarna av denna teknik inom olika områden som mikrooptik, nanofotoniska enheter, metamaterial, integrerade chips och vävnadsteknik.
Vi presenterade några exempel på kontrollerat brytningsindex, hög transparens och fjädrande samt aktiva mikrooptiska komponenter som möjliggörs av X-fotonlitografi i kombination med kalcinering och atomskiktsavsättning. Dessa prestationer har omedelbara tillämpningar vid avkänning under svåra förhållanden, öppet utrymme och inklusive obemannade flygfarkoster (UAV).
I perspektiv behöver vi fortfarande djupare undersökningar av mekanismen för värmeackumulering, som är beroende av skanningshastighet och laserrepetitionshastighet, såväl som brännpunktsstorlek. Den avstämbara våglängden, tillsammans med pulschirp, varaktighet och burst-mode-drift, som håller på att bli en standard i kommersiella fs-laserkällor, kan ge ytterligare förbättringar.
Med tanke på trenden under de senaste 20 åren av Moores lagskalning med en genomsnittlig fs-lasereffekt som fördubblas vartannat år, kommer högkapacitetsapplikationerna att dra nytta av parameteroptimerad 3D-nano-utskrift.
Den här historien är en del av Science X Dialog, där forskare kan rapportera resultat från sina publicerade forskningsartiklar. Besök den här sidan för information om ScienceX Dialog och hur du deltar.
Mer information: Edvinas Skliutas et al, X-photon laser direct write 3D nanolitografi, Virtual and Physical Prototyping (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324
Mangirdas Malinauskas försvarade sin doktorsexamen. 2010 vid Vilnius University, Laser Research Center - "Lasertillverkning av funktionella 3D polymera mikro/nanostrukturer", handledare Prof. R. Gadonas. Under sin karriär har han gjort praktik vid LZH (Prof. B.N. Chichkov) och IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). 2019–2022 var han en speciellt utsedd professor vid Tokyo Institute of Technology (Japan), en grupp av prof. J. Morikawa. För närvarande undersöker han grunderna för laser 3D mikro-/nano-strukturering av tvärbindningsbara material för applikationer inom mikrooptik, nanooptik (fotonik) och biomedicin vid VU LRC. Laboratoriefinansiering erhålls via nationella, europeiska och globala (NATO, US Army) system. Han var Optica Fellow 2022.
