Laser additieve fabricage van Si/ZrO2 afstembare kristallijne fase 3D nanostructuren

Een nieuwe publicatie van Opto-elektronische vooruitgang beoordeelt laseradditieve fabricage van Si/ZrO2 afstembare kristallijne fase 3D-nanostructuren.

Een route voor laser-nanoprinten van 3D-kristallijne structuren werd ontwikkeld met behulp van ultrasnelle laserlithografie, gebruikt als hulpmiddel voor additieve fabricage voor het produceren van echte 3D-nanostructuren, en gecombineerd met thermische nabehandeling bij hoge temperatuur, waarbij het gedrukte materiaal wordt omgezet in een volledig anorganische substantie.

Het interdisciplinaire experimentele werk onthulde het potentieel om de resulterende keramische structuur af te stemmen op verschillende kristallijne fasen, zoals cristobaliet, SiO₂ZrSiO₄m-ZrO₂t-ZrO₂. De voorgestelde benadering bereikte minder dan 60 nm voor individuele kenmerkdimensies zonder enige bundelvorming of complexe belichtingstechnieken, waardoor het reproduceerbaar is met andere gevestigde standaard of op maat gemaakte laser direct schrijfopstellingen. Het principe is compatibel met commercieel beschikbare platforms (bijvoorbeeld: Nanoscribe, MultiPhoton Optics, Femtika, Workshop of Photonics, UpNano, MicroLight en andere). Figuur 1 geeft een grafische samenvatting van de aanpak, de betrokken procedurestappen en het resulterende resultaat.

Kortom, de validatie van de gecombineerde laserproductie- en thermische behandelingstechniek verbetert de wijdverbreide laser-multi-fotonlithografie tot een krachtig hulpmiddel dat additieve productie van kristallijn keramiek mogelijk maakt met een ongekende precisie en driedimensionale flexibiliteit. Het is een mijlpaal in de ultrasnelle laserondersteunde verwerking van anorganische materialen en zet een nieuwe hoge standaard voor de laser 3D-fotopolymerisatie op nanoschaal, die niet langer beperkt is tot alleen polymeer- of plastic materialen. Terwijl biologisch afgeleide en op planten gebaseerde harsen toepassingen in de biogeneeskunde en biowetenschappen uitbreiden, opent de productie van 3D anorganische nanostructuren nieuwe wetenschappelijke technologiegerichte onderzoeksgebieden en stelt het de industrie in staat opties te verwerven voor de productie van 3D-nanomechanica, nano-elektronica , micro-optica en nano-fotonica, verbeterde telecommunicatie en sensorchips.

Dr. Darius Gailevičius met Prof. Mangirdas Malinauskas van Laser Nanophotonics Group (Laser Research Center, Physics Faculty, Vilnius University) stelde een benadering voor voor laser 3D additive manufacturing van nanoschaalstructuren uit anorganische materialen. De met laser geprinte objecten werden vervolgens met warmte behandeld om het organische deel van het hybride materiaal volledig te verwijderen, waardoor de stof werd omgezet in pure anorganische materie. De bovengenoemde groepsleden, die samenwerkten met materiaalwetenschapper Prof. Simas Šakirzanovas (Departement Toegepaste Chemie, Faculteit Scheikunde en Geowetenschappen, Universiteit van Vilnius) anticipeerden op het potentieel van sol-gelsynthese en chemische morphing van de stof in diverse en afstembare fasen door precies het regelen van de initiële ingrediëntverhouding en het calcineringsverwerkingsprotocol. Het belangrijkste experimentele werk werd uitgevoerd door Ph.D. studente Greta Merkininkaitė met hulp van junior student Edvinas Aleksandravičius. Een postdoc Dr. Darius Gailevičius heeft essentiële conceptuele inzichten geïntroduceerd en de experimentele workflow beoordeeld.

De bevindingen zijn van belang voor een heel spectrum van wetenschappelijk onderzoek en industriële gebieden. Het breidt de wijdverbreide gevestigde laser-twee-foton-polymerisatietechnologie uit naar additieve fabricage van keramische en kristallijne structuren met een kenmerkdefinitie van minder dan 100 nm. Dit maakt de eerdere beperking van de gebruikte organische of hybride polymeren overbodig. Het maakt ook de productie mogelijk van anorganische en afstembare kristallijne fase 3D-nanostructuren, die beter presteren dan de eerder beschikbare materiaalkeuzes of beperkte structurele (2D- of 2.5D-geometrieën) flexibiliteit.

Met andere woorden, het optische 3D-printen biedt nu additieve productie van verschillende kristallen. Het principe is voordelig bij het maken van driedimensionale nanofotonische, micro-optische, nanomechanische, microfluïdische, nano-elektronische en biomedische componenten. Het upgradet de laser 3D-printer op nanoschaal van zwart-wit naar een volledige kleur, omdat de kleuren worden weergegeven door specifiek materiaal en de inherente eigenschappen ervan. In figuur 2 worden continue schaal- en materiaalvariaties visueel geprojecteerd. Een nieuwe optie voor het echt 3D-printen van anorganische materialen is een mijlpaal in de benchmark: het upgraden van de bestaande laser-3D-lithografie naar een nieuw exploitatieniveau.