Сверхбыстрая лазерная 3D-литография

Сверхбыстрая лазерная 3D-литография

Сверхбыстрая лазерная 3D-литография, основанная на нелинейных взаимодействиях света и вещества, также известная как многофотонная литография (MPL), предлагает много интересного. В частности, становятся доступными высокая точность быстрого прототипирования и гибкие возможности аддитивного производства. Оборудование для 3D-печати на основе MPL коммерчески уже доступно. Однако до настоящего момента нет всестороннего понимания факторов, определяющих пространственное разрешение, точность, производительность, повторяемость и стандартизированные методы метрологии. Всё это требуется для точной характеристики производимых 3D-объектов и функций таких объектов.

Исследования сверхбыстрой лазерной 3D-литографии

Сегодня активно исследуются механизмы фотовозбуждения, пространственный контроль (фотомодифицированные объёмы), а также разнообразие обрабатываемых материалов. Сложность области исследования подчеркивается ограниченным пониманием и фрагментарными знаниями относительно светового возбуждения и реакции материала. На текущий момент исследованиями предоставлены только конкретные данные о фотовозбуждении, химической модификации и характеристике материалов экспериментальных данных.

Рассмотрим механизмы фотополимеризации в крайне ограниченных пространственных и временных условиях, где помимо возбуждения и сшивки учитываются параметры:

  • диффузия,
  • накопление температуры,
  • конечное количество молекул мономера.

Именно эти параметры начинают приобретать решающее значение. Вместе с тем, рассмотрим и ключевые параметры:

  • фотовозбуждение,
  • кинетика полимеризации,
  • свойства аддитивно изготовленных материалов в наномасштабе в 3D.

Скорее всего, интерес представляют и перспективы будущих исследований, а также новые применения технологии, что также будет рассмотрено.

Сверхбыстрая лазерная 3D-литография состояние и требования

Свет — эффективный источник энергии, пригодный для науки и промышленности. Обусловлено это тем, что свет вполне допустимо использовать для создания контролируемых взаимодействий в самых разных материалах. Соответственно, когерентное лазерное излучение также видится полезным.

Здесь доступна фокусировка до мелких размеров. Будучи монохроматическим, когерентное лазерное излучение позволяет индуцировать чётко определённые взаимодействия. Таковые необходимы, к примеру, для областей:

  • спектроскопии,
  • микроскопии,
  • обработки материалов.

Современные сотовые телефоны обеспечивают передачу света на CMOS-пиксели размером в десятки микрометров. Стандартные объективы микроскопов способны фокусировать свет на длине волны в сотни нанометров, обеспечивая взаимодействие с разными объектами.

Сверхбыстрая лазерная 3D-литография + базовые принципы
Сверхбыстрая лазерная 3D-литография принцип прямой записи: а — фотомодификация в области высокой интенсивности; b — получение фотомодифицированных образцов непрерывным перемещением образца (фокального пятна) в трёхмерном пространстве; c — удаление неэкспонированной смолы (вымывание) влажной химической обработкой; d — извлечение твёрдых самостоятельных микроструктур

Кроме того, современные электронные устройства собираются на основе серийно выпускаемых чипов, наделённых характеристиками менее 10 нм, изготовленными с использованием источников глубокого УФ-излучения.

Современные лазеры с ультракороткими импульсами дают высокий уровень надёжности. Такие лазеры представляют уже обычный инструмент прецизионного трехмерного микро-/нано-изготовления. Буквально за фемтосекунды осуществляется передача больших импульсов энергии, что позволяет индуцировать и наблюдать за реакциями в этом временном диапазоне.

Пространственная и временная концентрация света

В настоящее время в современных оптических лабораториях обычно используется, как пространственная, так и временная концентрация света. Технология используется для различных модификаций материалов и конструкций, включая обработку материалов и быстрое прототипирование.

Сверхбыстрая лазерная 3D-литография, основанная на нелинейном взаимодействии света с веществом, известна как двухфотонная полимеризация (2PP, TPP, MPL — многофотонная литография). Как инструмент прямого лазерного письма (LDW — Laser Direct Writing) технология предлагает непревзойденную точность и гибкость в аддитивном производстве.

Оборудование для 3D-печати на основе многофотонной литографии уже коммерчески доступно. Правда, нет глубокого понимания факторов, определяющих:

пространственное разрешение,

  • точность,
  • производительность,
  • воспроизведение,
  • стандартизированные методы метрологии.

Всё это необходимо для точной характеристики производимых 3D-объектов и сопровождающих функций.

Механизмы фотовозбуждения, пространственный контроль или фотомодифицированные объёмы, а также разнообразие эффективно обрабатываемых материалов все ещё остаются предметом исследований. Сложность области исследований подчеркивается ограниченным текущим пониманием и сильно фрагментированными знаниями о возбуждении светом, реакции материала и результирующей трёхмерной структурной функции в пространственно-временном масштабе.

Фотовозбуждение – механизм взаимодействия световой материи

Фотополимеризация – реакция связывания мономеров и олигомеров, вызванная взаимодействием света с веществом (фактор фотовозбуждения). Операция фотовозбуждения происходит за счёт поглощения фотонов. В зависимости от количества поглощенных фотонов, приходящихся на один акт возбуждения, поглощение следует рассматривать:

  1. Однофотонным (однофотонное поглощение – 1PA),
  2. Многофотонным (2PP или многофотонное поглощение – MPA).

Двухфотонная полимеризация индуцируется одновременным поглощением двух фотонов (двухфотонное поглощение – 2PA).

Сверхбыстрая лазерная 3D-литография + условная схемотехника
Схематическое изображение типичной установки трёхмерной нанополимеризации лабораторного класса: трёхмерный подвижный образец форполимера подвергается воздействию остро сфокусированного луча fs-лазера (2). Настройка параметров импульсного пучка (энергии, длины волны, диаметра) производится в линии доставки пучка (генератор (1), усилитель (4), альтернатор (5). Блоки (3, 6) не обязательны, но увеличивают функциональность системы)

Поглощение, приводящее к переносу электрона в зону проводимости, в дальнейшем протекает за счёт получения энергии от лазерного импульса с переводом электрона в возбуждённое состояние, что также приводит к разрыву химических связей.

Это определяет переход от реакции твёрдого состояния к ионизации, которая определяется свободными электронами или состоянием плазмы (переходом плазмы). Ионизация протекает посредством нелинейных процессов:

  • многофотонная ионизация (MPI — Multi-Photon Ionization),
  • лавинная ионизация (AI — Avalanche Ionization),
  • туннельная ионизация (TI — Tunnel Ionization).
  • Рассмотрим далее вышеупомянутые нелинейные процессы.

Нелинейные взаимодействия света и материи

Приставка «мульти» определяет поглощение более одного фотона. В зависимости от числа поглощенных фотонов, возбуждение электрона валентной зоны сопровождается переходом из основного состояния в состояния с более высокими энергетическими уровнями (MPA).

Не исключается даже ускорение до энергии ионизации в момент выхода из валентной оболочки (MPI). Более того, процессы MPA и MPI могут протекать одновременно как конкурирующие процессы, в том числе с возможным параллельным участием 1ПА.

Точно определить, какова роль каждого из вышеупомянутых явлений, нелегко. Поэтому предположительно только одно из состояний является доминирующим. Другие состояния могут быть незначительными, поскольку происходят в очень разных масштабах эффективности.

Если после возбуждения электрон перешел в синглетное состояние, предположительно имеет место поглощение. Таковое может проходить через виртуальное состояние, когда одновременно поглощаются два или более фотонов, в зависимости от энергетической щели между основным и возбужденным состояниями.

Однако чем выше порядок нелинейного процесса, тем выше требуется временная и пространственная плотность фотонов. Например, 2PA пропорциональна квадрату оптической силы. Обычно для индукции реакции фотополимеризации используют фотоинициаторы.

Фотоинициаторы представляют химические соединения, чувствительные к УФ/видимому свету, которые при поглощении света образуют реактивные компоненты (свободные радикалы или фотокислоты), способные начать реакцию полимеризации. Энергия компонентов диссоциации связи составляет порядка 3 эВ, в то время как мономеры требуют более высокой энергии для индукции расщепления, которая может составлять более 4 эВ.

Таким образом, необходимая интенсивность (I) для возбуждения молекулы (PI) ниже по сравнению с молекулой мономера или олигомера. Типичные значения, вызывающие фоторасщепление, составляют порядка ТВт/см2. Обычные PI, однако, часто страдают от малых поперечных сечений 2PA (𝜎) в ближнем ИК-диапазоне (𝜆). Здесь для индуцированной 2PA полимеризации обычно используются фемтосекундные лазеры.

Обычные значения составляют менее 10 единиц Гепперт-Майера (ГМ), где 1 ГМ = 10–50 см4с/молекулы/фотон. Это приводит к низкой возможности индуцировать образование радикалов из молекул PI. Однако, учитывая общие параметры 2PP (скорость сканирования v = 100 мкм/с, частота повторения R = 80 МГц), можно рассчитать, что потенциально может произойти 23 акта возбуждения на молекулу.


При помощи информации: DOI