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Dialog vom 29. August 2023

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von Mangirdas Malinauskas

Multiphotonenlithographie (MPL) ist eine Technik, die mit ultrakurzen Laserpulsen komplexe dreidimensionale (3D) Strukturen im Mikro- und Nanobereich erzeugt. Es basiert auf dem Prinzip der Multiphotonenabsorption (MPA), die auftritt, wenn zwei oder mehr Photonen gleichzeitig von einem Molekül absorbiert werden, was zu einem nichtlinearen optischen Prozess führt.

Durch die Fokussierung des Laserstrahls auf ein lichtempfindliches Material, beispielsweise einen Fotolack oder ein Präpolymer, löst die Multiphotonenabsorption eine lokale chemische Reaktion aus, die die Eigenschaften des Materials verändert. Durch Scannen des Laserstrahls und/oder Verschieben der Probe in drei Dimensionen kann die gewünschte Form mit hoher Auflösung und Genauigkeit ohne geometrische Einschränkungen hergestellt werden. Dies ermöglicht die Realisierung des Laser-3D-Nanodrucks als additive Fertigungstechnik.

MPL hat bereits viele Anwendungen in Bereichen wie Mikrooptik, nanophotonische Geräte, Metamaterialien, integrierte Chips und Gewebezüchtung. Es können Strukturen erzeugt werden, die mit herkömmlichen Lithographiemethoden nicht oder nur schwer zu erreichen sind, wie zum Beispiel gekrümmte Oberflächen, Hohlstrukturen und funktionale Gradienten. Es kann auch die Herstellung neuartiger Materialien mit maßgeschneiderten optischen, mechanischen und biologischen Eigenschaften ermöglichen.

Obwohl die MPL-Aufbauten im Handel erhältlich sind, ist das Verständnis der photophysikalischen und photochemischen Mechanismen immer noch umstritten, da die meisten gebräuchlichen Laserquellen eine Wellenlänge von 800 nm haben, während sich andere beliebte Laserquellen mit 515 nm oder 1.064 nm ebenfalls als geeignet erwiesen haben.

Die einzige und beliebteste Theorie der Zwei-Photonen-Absorption kann jedoch nicht zur Erklärung aller unterschiedlichen Versuchsbedingungen und der erzielten Ergebnisse angewendet werden. Dieses Thema ist wichtig für die Weiterentwicklung der Laserquellen und den Bau von Hochdurchsatz-3D-Nanodruckmaschinen, die auf industrielle Anforderungen ausgerichtet sind.

Wir untersuchten MPL, auch bekannt als Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) oder einfach Laser-3D-Nanodruck, mit einem wellenlängenabstimmbaren Femtosekundenlaser. Wir fanden heraus, dass wir jede Farbe des Spektrums von 500 bis 1.200 nm mit einer festen Pulsbreite von 100 fs verwenden können, um ein Zusammenspiel photophysikalischer Mechanismen zu erreichen, das empfindlicher ist als nur die Zwei-Photonen-Photopolymerisation.

Wir haben die effektive Absorptionsordnung, d. h. die Röntgenphotonenabsorption, sowie optimale Belichtungsbedingungen für photosensibilisiertes und reines SZ2080-Präpolymer untersucht. Wir haben herausgefunden, dass die Abstimmbarkeit der Wellenlänge das dynamische Fertigungsfenster (DFW) stark beeinflusst, was bei Optimierung zu einer 10-fachen Vergrößerung führt.

Darüber hinaus beobachteten wir eine nicht triviale Energiedeposition durch Röntgenphotonenabsorption mit dem Beginn einer starken lateralen Größenzunahme bei längeren Wellenlängen und erklärten, dass dies auf das Erreichen von Epsilon-nahe-Null-Bedingungen (ENZ) zurückzuführen sei. Eine solche Kontrolle des Voxel-Seitenverhältnisses und damit des photopolymerisierten Volumens kann die Effizienz des 3D-Nanodrucks steigern.

Wir untersuchten auch die Entwicklung des polymerisierten Volumens beim direkten Laserschreiben (DLW) über verschiedene Energieabgabemechanismen: Ein-/Zwei-/Drei-Photonen-Absorption, Lawinenionisation und thermische Diffusion, die zu einer kontrollierten Photopolymerisation führen. Wir haben gezeigt, dass die 3D-Nanolithographie mit ultrakurzen Pulsen in einem breiten Spektralbereich vom sichtbaren bis zum nahen Infrarot von 400–1.200 nm über eine Multiphotonenanregung erfolgt, die durch die effektive Absorptionsordnung definiert ist. Unsere Forschung wird in der Zeitschrift Virtual and Physical Prototyping veröffentlicht.

Wir stellten fest, dass die laterale Voxelgröße von der analytischen Kurve abwich und einen deutlichen stufenartigen Beginn aufwies, der am deutlichsten bei längeren Wellenlängen und höherer Leistung zum Ausdruck kam. Wir führten dies auf die Bildung des ENZ-Zustands im Fokusbereich zurück, der dazu führte, dass ein größerer Teil der einfallenden Lichtintensität absorbiert wurde, was zu einem großen lateralen Querschnitt eines photopolymerisierten einzelnen Voxels führte (abgeleitetes Formlinienmerkmal).

Wir haben unseren Ansatz in einem SZ2080 als Modellmaterial validiert und vorgeschlagen, dass er mit anderen weit verbreiteten Materialien wie kommerziellen IP-Fotoharzen, PETA und anderen vernetzbaren Materialien realisierbar sein sollte. Wir haben die Anwendungen dieser Technik in verschiedenen Bereichen wie Mikrooptik, nanophotonischen Geräten, Metamaterialien, integrierten Chips und Tissue Engineering demonstriert.

Wir stellten einige Beispiele für kontrollierten Brechungsindex, hohe Transparenz und Belastbarkeit sowie aktive mikrooptische Komponenten vor, die durch Röntgenphotonenlithographie in Kombination mit Kalzinierung und Atomlagenabscheidung ermöglicht werden. Diese Errungenschaften finden unmittelbare Anwendung bei der Sensorik unter rauen Bedingungen, im offenen Raum und einschließlich unbemannter Luftfahrzeuge (UAV).

Perspektivisch benötigen wir noch tiefergehende Untersuchungen zum Mechanismus der Wärmeakkumulation, der von der Scangeschwindigkeit und der Laserwiederholungsrate sowie der Brennfleckgröße abhängt. Die abstimmbare Wellenlänge kann zusammen mit dem Puls-Chirp, der Dauer und dem Burst-Mode-Betrieb, der bei kommerziellen FS-Laserquellen zum Standard wird, für weitere Verbesserungen sorgen.

Wenn man den Trend der letzten 20 Jahre der Skalierung des Mooreschen Gesetzes berücksichtigt, bei dem sich die durchschnittliche fs-Laserleistung alle zwei Jahre verdoppelt, werden Hochdurchsatzanwendungen vom Parameter-optimierten 3D-Nanodruck profitieren.

Diese Geschichte ist Teil von Science X Dialog, bei dem Forscher über Ergebnisse ihrer veröffentlichten Forschungsartikel berichten können. Besuchen Sie diese Seite für Informationen zum ScienceX Dialog und zur Teilnahme.

Mehr Informationen: Edvinas Skliutas et al., X-Photonen-Laser-Direktschreib-3D-Nanolithographie, virtuelles und physikalisches Prototyping (2023). DOI: 10.1080/17452759.2023.2228324

Mangirdas Malinauskas verteidigte seinen Doktortitel. im Jahr 2010 an der Universität Vilnius, Laser Research Center – „Laser Fabrication of Functional 3D Polymeric Micro/Nanostructures“, Betreuer Prof. R. Gadonas. Im Laufe seiner Karriere absolvierte er Praktika am LZH (Prof. BN Chichkov) und am IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). Von 2019 bis 2022 war er speziell ernannter Professor am Tokyo Institute of Technology (Japan), Gruppe von Prof. J. Morikawa. Derzeit erforscht er an der VU LRC die Grundlagen der Laser-3D-Mikro-/Nanostrukturierung vernetzbarer Materialien für Anwendungen in der Mikrooptik, Nanooptik (Photonik) und Biomedizin. Die Finanzierung von Laboren erfolgt über nationale, europäische und weltweite Programme (NATO, US-Armee). Im Jahr 2022 war er Optica Fellow.