Мультифотонная литография - Multiphoton lithography

Замок (0,2 мм x 0,3 мм x 0,4 мм)[1] 3D-печать на карандаш наконечник с помощью многофотонной литографии. Фото Питера Грубера

Мультифотонная литография (также известный как прямая лазерная литография или же прямая лазерная запись) из полимер шаблоны были известны много лет[временное ограничение? ] посредством фотонный кристалл сообщество. Похож на стандартный фотолитография техники, структурирование достигается освещением отрицательного или положительного тона фоторезисты через свет четко определенной длины волны. Однако принципиальное отличие состоит в том, что сетки. Вместо, двухфотонное поглощение используется для того, чтобы вызвать резкое изменение растворимости резиста для соответствующих проявителей.

Следовательно, многофотонная литография - это метод создания мелких деталей в светочувствительный материал, без использования сложных оптический системы или фотошаблоны. Этот метод основан на процессе многофотонного поглощения в материале, который прозрачен на длине волны лазер используется для создания выкройки. Сканируя и правильно модулируя лазер, химическое изменение (обычно полимеризация ) возникает в фокусном пятне лазера и может управляться для создания произвольного трехмерного периодического или непериодического рисунка. Этот метод использовался для быстрое прототипирование структур с мелкими чертами.

Схематическое изображение многофотонного письмо процесс.

Двухфотонное поглощение является третьим порядком по оптическая восприимчивость третьего порядка и процесс второго порядка по интенсивности света. По этой причине это нелинейный процесс, который на несколько порядков слабее линейного поглощения, поэтому для увеличения количества таких редких событий требуется очень высокая интенсивность света. Например, сильно сфокусированные лазерные лучи обеспечивают необходимую интенсивность. Здесь предпочтительны импульсные лазерные источники, так как они доставляют импульсы высокой интенсивности, выделяя при этом относительно низкую среднюю энергию. Чтобы обеспечить трехмерное структурирование, источник света должен быть адекватно адаптирован к фоторезисту, так как однофотонное поглощение сильно подавлено, а двухфотонное поглощение благоприятно. Это условие выполняется тогда и только тогда, когда резист является очень прозрачным для выходной длины волны лазерного излучения λ и одновременно поглощает при λ / 2. В результате данный образец относительно сфокусированного лазерного луча можно сканировать, изменяя растворимость резиста только в ограниченном объеме. Геометрия последних в основном зависит от изоинтенсивных поверхностей фокуса. В частности, те области лазерного луча, которые превышают заданный порог экспонирования светочувствительной среды, определяют основной строительный блок, так называемый воксель. Другими параметрами, которые влияют на фактическую форму вокселя, являются мода лазера и несоответствие показателей преломления между резистом и иммерсионной системой, приводящее к сферической аберрации.

Было обнаружено, что поляризационные эффекты в лазерной 3D нанолитографии может использоваться для точной настройки размеров элементов (и соответствующего соотношения сторон) при структурировании фоторезистов. Это доказывает, что поляризация является переменным параметром наряду с мощностью (интенсивностью) лазера, скоростью сканирования (длительностью воздействия), накопленной дозой и т. Д.

Недавно было показано, что сочетание сверхбыстрой лазерной 3D-нанолитографии с последующей термообработкой позволяет добиться аддитивного производства 3D-стеклокерамики.[2] С другой стороны, возобновляемые чистые биорезины растительного происхождения без дополнительной фотосенсибилизации можно использовать для оптического быстрого прототипирования.[3]

Материалы для многофотонной полимеризации

Материалы, используемые в многофотонной литографии, обычно используются в традиционных методах фотолитографии. Они могут быть в жидко-вязком, гелеобразном или твердом состоянии, в зависимости от потребности производства. Жидкие резисты предполагают более сложные процессы фиксации образца на этапе изготовления, в то время как приготовление самих смол может быть проще и быстрее. С твердыми резистами, напротив, обращаться проще, но они требуют сложных и длительных процессов.[4] Фотополимеры всегда включают форполимер ( мономер ) и, учитывая окончательную заявку, фотоинициатор, как катализатор для реакции полимеризации. Кроме того, мы можем найти такую ​​полимеризацию ингибиторы (полезны для стабилизации смол, уменьшая получаемый воксель), растворителей (которые могут упростить процедуры литья), загустителей (так называемые "наполнители") и другие добавки (например, пигменты и т. д.), направленные на функционализацию фотополимера.

Акрилаты

В акрилаты являются наиболее распространенными компонентами смолы. Их можно найти во многих традиционных процессах фотолитографии, которые подразумевают радикальная реакция. Они широко распространены и коммерчески доступны в виде широкого спектра продуктов, имеющих различные свойства и состав. Основные преимущества этого вида резистов заключаются в превосходных механических свойствах и пониженной усадочной способности. Наконец, стадии полимеризации быстрее, чем у других видов фотополимеров.[4] Акриловые гибридные органические / неорганические резисты широко распространены благодаря своей биосовместимости и структурным характеристикам, наиболее известными из них являются семейство материалов OMOCER на керамической основе и кремний-керамический материал SZ2080.[5] Последний нашел широкое применение в биологических и биологических фотонный поле, благодаря настраиваемой оптической способности (например, показатель преломления ), просто изменяя соотношение неорганических фаз.[6]

Эпоксидные смолы

Это наиболее используемые смолы в МЭМС и микрофлюидный поля. Они эксплуатируют катионная полимеризация. Одна из самых известных эпоксидных смол - СУ-8,[7] что позволяет наносить тонкие пленки (до 500 мкм) и полимеризовать структуры с высокой соотношение сторон. Мы можем найти множество других эпоксидных смол, таких как: SCR-701, широко применяемый в микродвижущихся объектах,[8] и SCR-500.

Приложения

В настоящее время существует несколько областей применения микроструктурированных устройств, изготовленных методом многофотонной полимеризации, таких как: регенеративная медицина, биомедицинская инженерия, микромеханик, микрофлюидный, атомно-силовая микроскопия, оптика и телекоммуникационная наука.

Регенеративная медицина и биомедицинская инженерия

С появлением биосовместимых фотополимеров (таких как SZ2080 и OMOCER) на сегодняшний день многие каркасы были реализованы с помощью многофотонной литографии. Они различаются по ключевым параметрам, таким как геометрия, пористость и размер, которые необходимо контролировать и кондиционировать механическим и химическим образом, основные сигналы в in vitro культуры клеток: миграция, адгезия, пролиферация и дифференциация. Возможность создавать структуры, имеющие размер элемента меньше размера клеток, значительно улучшила область механобиологии, давая возможность комбинировать механические сигналы непосредственно в микросреде клетки.[9] Их конечное применение варьируется от поддержания стволовости мезенхимальных стволовых клеток взрослых, таких как каркас NICHOID.[10] который имитирует in vitro физиологическую нишу для создания каркасов, спроектированных для миграции.

Микромеханический и микрофлюидный

Многофотонная полимеризация может быть подходящей для реализации микроразмерных активных (в качестве насосов) или пассивных (в качестве фильтров) устройств, которые можно комбинировать с Лаборатория на чипе. Эти устройства могут широко использоваться в сочетании с микроканалами с преимуществом полимеризации в предварительно герметизированных каналах. Что касается фильтров, их можно использовать для отделения плазмы от красных кровяных телец, для разделения популяций клеток (по отношению к единичным размерам клеток) или в основном для фильтрации растворов от примесей и мусора. Пористый 3D-фильтр, который можно изготовить только по технологии 2PP, предлагает два ключевых преимущества по сравнению с фильтрами, основанными на 2D-столбах. Во-первых, 3D-фильтр имеет повышенную механическую стойкость к напряжениям сдвига, что обеспечивает более высокий коэффициент пустотности и, следовательно, более эффективную работу. Во-вторых, трехмерный пористый фильтр может эффективно фильтровать элементы в форме диска, не уменьшая размер пор до минимального размера ячейки. Что касается встроенных микронасосов, их можно полимеризовать как двухлопастные независимые роторы, ограниченные в канале собственным валом, чтобы избежать нежелательного вращения. Такие системы просто активируются с помощью фокусированной лазерной системы непрерывного действия.[8]

Атомно-силовая микроскопия

На сегодняшний день атомно-силовая микроскопия микронасадки реализуются стандартными методами фотолитографии на твердых материалах, таких как золото, кремний и его производные. Тем не менее механические свойства таких материалов требуют трудоемких и дорогостоящих производственных процессов для создания изогнутых или сложных наконечников. Многофотонная литография - это инновационная технология для быстрого прототипирования и персонализации желаемого наконечника в соответствии с конечным применением, что позволяет избежать сложного протокола изготовления.

Оптика

Благодаря возможности создавать трехмерные планарные структуры, многофотонная полимеризация позволяет реализовать оптические компоненты для оптический волновод,[4] резонатор,[11] фотонный кристалл[12] и объектив.[13]

Рекомендации

  • Деубель М., фон Фрейманн Г., Вегенер М., Перейра С., Буш К., Сукулис С.М. (2004). «Прямая лазерная запись трехмерных фотонно-кристаллических шаблонов для телекоммуникаций». Материалы Природы. 3 (7): 444–7. Bibcode:2004НатМа ... 3..444Д. Дои:10.1038 / nmat1155. PMID  15195083.
  • Хаске В., Чен В.В., Хейлз Дж. М., Донг В., Барлоу С., Мардер С. Р., Перри Дж. В. (2007). «Размеры элементов 65 нм с использованием трехмерной многофотонной литографии в видимом диапазоне длин волн». Оптика Экспресс. 15 (6): 3426–36. Bibcode:2007OExpr..15.3426H. Дои:10.1364 / OE.15.003426. PMID  19532584.
  • Рекстите С, Йонавичюс Т, Гайлевичюс Д., Малинаускас М, Мизейкис В., Гамалы Э. Г., Юодказис С (2016). «Наноразмерная точность 3D-полимеризации с помощью управления поляризацией». Современные оптические материалы. 4 (8): 1209–14. arXiv:1603.06748. Bibcode:2016arXiv160306748R. Дои:10.1002 / adom.201600155.
  • Гайлевичюс Д., Падольските В., Миколюнайте Л., Шакирзановас С., Юодказис С., Малинаускас М. (10 декабря 2018 г.). «Аддитивное производство 3D стеклокерамики до наноразмерного разрешения». Наноразмерные горизонты. 4 (3): 647–651. Дои:10.1039 / C8NH00293B.
  • Лебедевайте M, Остраускайте J, Склютас E, Малинаускас M (2019). "Смолы, не содержащие фотоинициаторов, на основе мономеров растительного происхождения для оптической µ-3D печати термореактивных материалов". Полимеры. 11 (1): 116. Дои:10.3390 / polym11010116. ЧВК  6401862. PMID  30960100.
  1. ^ «Технологии аддитивного производства: многофотонная литография».
  2. ^ Гайлявичюс, Дариус; Падольските, Виктория; Миколюнайте, Лина; Шакирзановас, Симас; Юодказис, Саулиус; Малинаускас, Мангирдас (2019). «Аддитивное производство 3D стеклокерамики до наноразмерного разрешения». Наноразмерные горизонты. 4 (3): 647–651. Bibcode:2019NanoH ... 4..647G. Дои:10.1039 / C8NH00293B.
  3. ^ Лебедевайте, Мигле; Остраускайте, Джолита; Склютас, Эдвинас; Малинаускас, Мангирдас (2019). "Смолы, не содержащие фотоинициаторов, на основе мономеров растительного происхождения для оптической µ-3D печати термореактивных материалов". Полимеры. 11: 116. Дои:10.3390 / polym11010116. ЧВК  6401862. PMID  30960100.
  4. ^ а б c LaFratta, Christopher N .; Фуркас, Джон Т .; Бальдачини, Томмазо; Фаррер, Ричард А. (20 августа 2007 г.). «Изготовление многофотонов». Angewandte Chemie International Edition. 46 (33): 6238–6258. Дои:10.1002 / anie.200603995. PMID  17654468.
  5. ^ Овсяников Александр; Виртль, Жак; Чичков, Борис; Убаха, Мохамед; МакКрейт, Брайан; Сакеллари, Иоанна; Гиакумаки, Анастасия; Грей, Дэвид; Вамвакаки, ​​Мария (25 ноября 2008 г.). «Гибридный светочувствительный материал со сверхнизкой усадкой для микротехнологии с двухфотонной полимеризацией». САУ Нано. 2 (11): 2257–2262. Дои:10.1021 / nn800451w. ISSN  1936-0851. PMID  19206391.
  6. ^ Раймонди, Мануэла Т .; Итон, Шейн М .; Nava, Michele M .; Лагана, Маттео; Серулло, Джулио; Оселлам, Роберто (2012-05-02). «Двухфотонная лазерная полимеризация: от основ до биомедицинского применения в тканевой инженерии и регенеративной медицине». Журнал прикладных биоматериалов и биомеханики: 0. Дои:10.5301 / JABB.2012.9249. ISSN  1722-6899.
  7. ^ Teh, W. H .; Dürig, U .; Salis, G .; Harbers, R .; Drechsler, U .; Mahrt, R. F .; Smith, C.G .; Güntherodt, H.-J. (2004-05-17). «СУ-8 для реального трехмерного субдифракционного двухфотонного микротехнологии». Письма по прикладной физике. 84 (20): 4095–4097. Bibcode:2004АпФЛ..84.4095Т. Дои:10.1063/1.1753059. ISSN  0003-6951.
  8. ^ а б Маруо, Сёдзи; Иноуэ, Хироюки (02.10.2006). «Микронасос с оптическим приводом, произведенный трехмерным двухфотонным микротехнологиями». Письма по прикладной физике. 89 (14): 144101. Bibcode:2006АпФЛ..89н4101М. Дои:10.1063/1.2358820. HDL:10131/1316. ISSN  0003-6951.
  9. ^ Вазин, Тандис; Шаффер, Дэвид В. (март 2010 г.). «Инженерные стратегии для имитации ниши стволовых клеток». Тенденции в биотехнологии. 28 (3): 117–124. Дои:10.1016 / j.tibtech.2009.11.008. PMID  20042248.
  10. ^ Раймонди, Мануэла Т .; Итон, Шейн М .; Лагана, Маттео; Априле, Вероника; Nava, Michele M .; Серулло, Джулио; Оселлам, Роберто (январь 2013 г.). «Трехмерные структурные ниши, созданные с помощью двухфотонной лазерной полимеризации, способствуют возвращению стволовых клеток». Acta Biomaterialia. 9 (1): 4579–4584. Дои:10.1016 / j.actbio.2012.08.022. PMID  22922332.
  11. ^ Ли, Чунь-Фанг; Дун, Сиань-Цзы; Джин, Фэн; Джин, Вэй; Чен, Вэй-Цян; Чжао, Чжэнь-Шэн; Дуань, Сюань-Мин (14.08.2007). "Полимерный резонатор с распределенной обратной связью с субмикронными волокнами, изготовленными методом двухфотонной индуцированной фотополимеризации". Прикладная физика A. 89 (1): 145–148. Bibcode:2007АпФА..89..145л. Дои:10.1007 / s00339-007-4181-8. ISSN  0947-8396.
  12. ^ Сунь, Хун-Бо; Мацуо, Шигеки; Мисава, Хироаки (8 февраля 1999 г.). «Трехмерные фотонно-кристаллические структуры, полученные с помощью фотополимеризации смолы с двухфотонным поглощением». Письма по прикладной физике. 74 (6): 786–788. Bibcode:1999АпФЛ..74..786С. Дои:10.1063/1.123367. ISSN  0003-6951.
  13. ^ Гиссибл, Тимо; Тиле, Саймон; Херкоммер, Алоис; Гиссен, Харальд (август 2016 г.). «Двухфотонная прямая лазерная запись сверхкомпактных многолинзовых объективов». Природа Фотоника. 10 (8): 554–560. Bibcode:2016NaPho..10..554G. Дои:10.1038 / nphoton.2016.121. ISSN  1749-4885.

внешняя ссылка

  1. ^ «Когда наука и искусство создают чудеса наноскульптуры». Phys.org, Нэнси Овано. 18 ноя 2014.