光学およびフォトニクスのニュース

スチュワート・ウィルス

カールスルーエ工科大学、カリフォルニア大学アーバイン校、エドワーズ ライフサイエンスのチームは、ここに示すナノ格子、放物線マイクロレンズ、マルチレンズマイクロ対物レンズなど（左から右へ）ガラスのマイクロおよびナノ構造を 3D プリントする方法を開発しました。 、以前のガラスナノプリンティングスキームよりもはるかに低い温度とはるかに高い解像度で。 スケールバー: 10 μm。 [画像: J. Bauer et al.、Science 380、960 (2023) から許可を得て転載。 土井: 10.1126/science.abq3037]

二光子重合 (TPP) と呼ばれる 3D プリンティング プロセス (レーザー直接書き込みとも呼ばれる) は、いくつかの見事で複雑なナノスケール構造を可能にしました。 しかしこれまで、この技術の魔法の多くは、印刷に適した特殊なポリマー樹脂を使用して、プラスチックで実現されてきました。

光学科学者や技術者は、TPP の柔軟性を利用して、最も実績のある光学材料である石英ガラスに自由形状のナノスケール構造を作成したいと考えています。 しかし、いくつかのガラスナノプリンティングスキームが研究室から登場しましたが、通常は 1100 °C 以上の温度でシリカナノ粒子を焼結する必要がありました。 これでは、半導体チップへの直接蒸着など、さまざまな重要な用途に使用するにはあまりにも面倒です。 さらに、このような焼結ベースのプロセスでは、可視光アプリケーションにとって解像度が不十分な機能が得られます。

今回、ドイツのカールスルーエ工科大学（KIT）のイェンス・バウアー氏が率いる研究チームは、非常に高品質で高解像度の光学ガラスの3Dナノプリントのための、必要な処理温度を大幅に下げる別のアプローチを開発したと報告されている。約 500 °C (サイエンス、doi: 10.1126/science.abq3037)。 温度の低下により、可視光ナノフォトニクスに必要な解像度で、丈夫で透明な自由形状のガラス光学構造を半導体チップ上に直接 3D プリントできる可能性が広がります。

バウアー氏はOPNに対し、「これによって我々が達成したのは、TPPを使用する人々が市販の標準ポリマー樹脂で知っているのと同じレベルの印刷適性と使いやすさを備えたこの高品質の無機ガラスを実際に製造できるということだ」と語った。 。」

TPP の非線形プロセスは、同時に 2 光子吸収してポリマー鎖に架橋するように化学的に調整された光活性樹脂を、厳密に集束されたフェムト秒レーザー パルスにさらすことによって機能します。 このシステムにより、マイクロメートル、さらにはナノメートルスケールでの固体構造の作成が可能になり、その柔軟性により、自由形状のナノスケール光学構造をマイクロチップ上に直接印刷することが可能になりました。 しかし、これらの構造は通常、ガラスのような環境安定性や靭性を持たず、光学的および機械的特性が非常に変化しやすい材料であるポリマーで書かれています。

TPP 印刷の柔軟性により、自由形状のナノスケール光学構造をマイクロチップ上に直接印刷できるようになりましたが、これらの構造は通常、ガラスではなくポリマーで書き込まれてきました。

TPP 印刷の柔軟性をナノスケールの光学ガラス構造に拡張する取り組みは、一般に、原材料として「粒子を充填した」ポリマーバインダー樹脂に依存してきました。 名前が示すように、これらのバインダーには、光硬化性樹脂中に懸濁されたシリカのナノ粒子が含まれています。 レーザー露光と 2 光子吸収により、樹脂バインダーがシリカ ナノ粒子を重合および架橋します。 架橋された粒子は、1100 ～ 1300 °C 程度の温度での最終焼結ステップでガラスに融合され、ポリマーバインダーも除去されます。

焼結システムは間違いなく、精巧な 3D プリント ガラス微細構造を形成することができます。 しかし、必要な温度は、電子回路で重要なほとんどの金属の融点は言うまでもなく、ゲルマニウムやリン化インジウムなどの主要な半導体材料の融点を超えています。 これは、粒子を充填した樹脂に依存する TPP 印刷は、ナノスケール光学ガラスの直接オンチップ製造には実用的ではないことを意味します。

さらに、一緒に焼結される粒子の有限なサイズにより、印刷解像度が制限される最小形状寸法（および固有の表面粗さ）が課せられます。 粒子を充填したバインダーを使用して 3D プリントされた構造の解像度は、可視波長での用途には粗すぎる傾向があるため、これは欠点です。

これらの欠点を回避するために、バウアー氏は、カリフォルニア大学アーバイン校およびエドワーズ ライフサイエンス（米国カリフォルニア州アーバイン）の同僚とともに、樹脂の化学に注目しました。 研究チームは、シリカ ナノ粒子の懸濁液を使用するのではなく、いわゆる多面体オリゴマー シルセスキオキサン (POSS) 分子を中心に構築された液体樹脂のレシピを開発しました。 これらは、モノマー構造を作成するために有機官能基で修飾された小さなかご状シリカ分子を含む有機-無機ハイブリッド分子です。

POSS 分子の合成 (左) から TPP 印刷 (中央)、650 °C での最終熱処理ステップ (右) までのプロセスの概略図。 [画像: J. Bauer et al.、Science 380、960 (2023) から許可を得て転載。 doi: 10.1126/science.abq3037] [画像を拡大する]

POSS モノマーを形成するために、研究チームは無機分子ケージの隅に有機アクリル基を官能基化し、緊密な連続ネットワークでシリカ ケージを架橋できるようにしました。 彼らは、二光子露光でモノマーの架橋を開始するために、POSS 樹脂に光開始剤を追加しました。 また、チームのレシピでは、柔軟性が高く、浮遊するアクリル オリゴマーを樹脂に添加しています。 バウアー氏によれば、この最後の成分は架橋をさらに促進し、「容易に架橋することを好まないかなり硬い POSS 分子」を扱うにもかかわらず、「非常に高い印刷品質を達成することができた」という。

最後に、完全に 3D プリントされた架橋ナノ構造が形成されたら、空気中で 650 °C の温度まで加熱します。 この最後のステップでは、有機成分が除去され、無機 POSS シリカケージの結合が完了し、連続的なガラスのマイクロまたはナノ構造が形成されます。

必要な温度は、ナノ粒子の焼結に依存するアプローチに必要な温度の半分です。 バウアー氏によれば、個々のシリカクラスターは非常に小さく、「ほんの一握りの原子しかない」ためだという。 TPP プロセスでは、これらの分子クラスターが非常に近くに詰め込まれ、必要な融解温度が (比較的巨大な) シリカ粒子の焼結に必要な温度よりもはるかに低く保たれます。

バウアー氏らは、自社の POSS 樹脂を使用して、97 nm の自立構造を備えた「ウッドパイル」フォトニック結晶、放物線状マイクロレンズのアレイ、ナノ構造のフレネル素子を含むマルチレンズのマイクロ対物レンズなど、さまざまなナノスケールの光学構造を TPP 印刷しました。 また、TPP印刷によってもたらされる柔軟性により、研究者らは「優れた光学性能」を示し、可視光ナノフォトニクスデバイスを実現するのに十分な最小フィーチャサイズと表面粗さを備えた自由曲面ガラスマイクロ光学部品を構築することも可能になったという。

「これは本当にオンチップ製造への道を開くものです」とバウアー氏はOPNに語った。

研究者らは、同社の低温システムは「マイクロシステム技術に不可欠な材料の融点以下でシリカガラスの自由形状合成を実現」し、それによって「透明物質のオンチップ3Dプリンティングの進化を可能にする画期的な成果となる」と書いている。 「弾力性のある光学グレードの溶融シリカ」を含めること。 バウアー氏はOPNに対し、このシステムには「幅広いマイクロ光学およびフォトニック応用」、特に3Dプリントされたポリマー構造が耐えられないような過酷な化学的、熱的、またはその他の環境に直面する可能性のあるシステム向けであると信じていると語った。

「これは本当にオンチップ製造への道を開くものです」とバウアー氏はOPNに語った。 「650 °C に耐えることができるほとんどすべてのチップでは、高品質で透明なガラスのマイクロおよびナノ構造をチップ上に直接印刷することが可能になります。」

発行日: 2023 年 6 月 2 日