Notícias sobre óptica e fotônica

Stewart Wills

Uma equipe do Karlsruhe Institute of Technology, da University of California Irvine e da Edwards Lifesciences desenvolveu um método para imprimir em 3D micro e nanoestruturas de vidro, como (da esquerda para a direita) a nanorede, microlentes parabólicas e microobjetivas multilentes mostradas aqui , em temperaturas muito mais baixas e resoluções muito mais altas do que nos esquemas anteriores de nanoimpressão em vidro. Barras de escala: 10 µm. [Imagem: Reimpresso com permissão de J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023); doi: 10.1126/science.abq3037]

O processo de impressão 3D chamado polimerização de dois fótons (TPP) – também conhecido como escrita direta a laser – permitiu algumas estruturas espetaculares e intrincadas em nanoescala. Mas até agora, grande parte da mágica da técnica foi realizada em plástico, usando resinas de polímero especializadas e fáceis de imprimir.

Cientistas e engenheiros ópticos adorariam usar a flexibilidade do TPP para criar estruturas em nanoescala de forma livre naqueles materiais ópticos mais testados pelo tempo, o vidro de sílica. Mas, embora alguns esquemas de nanoimpressão de vidro tenham surgido de laboratórios de pesquisa, eles geralmente exigem a sinterização de nanopartículas de sílica a temperaturas superiores a 1100 °C. Isso é muito quente para ser útil em uma variedade de aplicações importantes, como deposição direta em chips semicondutores. Além do mais, tais processos baseados em sinterização resultam em recursos com resolução insuficiente para aplicações de luz visível.

Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Jens Bauer no Karlsruhe Institute of Technology (KIT), na Alemanha, supostamente desenvolveu uma abordagem diferente para nanoimpressão 3D de vidro óptico de altíssima qualidade e alta resolução - uma que reduz as temperaturas de processamento necessárias em cerca de 500 °C (Science, doi: 10.1126/science.abq3037). A temperatura mais baixa abre a perspectiva de imprimir em 3D estruturas ópticas de vidro resistentes, transparentes e de forma livre diretamente em chips semicondutores, nas resoluções necessárias para a nanofotônica de luz visível.

"O que conseguimos com isso", disse Bauer à OPN, "é que realmente somos capazes de fabricar esse vidro inorgânico de alta qualidade com o mesmo nível de capacidade de impressão e facilidade de uso que as pessoas que usam TPP conhecem das resinas de polímero padrão comerciais. ."

O processo não linear do TPP funciona expondo uma resina fotoativa, quimicamente sintonizada para reticular em cadeias poliméricas na absorção simultânea de dois fótons, a pulsos de laser de femtosegundo fortemente focados. O sistema permite a criação de estruturas sólidas em escalas micrométricas e até nanométricas – e sua flexibilidade permitiu a impressão de estruturas ópticas em nanoescala de forma livre diretamente em microchips. Mas essas estruturas geralmente foram escritas em polímero, um material com propriedades ópticas e mecânicas altamente variáveis, e sem a estabilidade ambiental e a resistência do vidro.

A flexibilidade da impressão TPP permitiu a impressão de estruturas ópticas em nanoescala de forma livre diretamente em microchips - mas essas estruturas geralmente foram escritas em polímeros, não em vidro.

Os esforços para estender a flexibilidade da impressão TPP para estruturas de vidro óptico em nanoescala geralmente se baseiam em resinas aglutinantes de polímero "carregadas com partículas" como matéria-prima. Como o nome indica, esses aglutinantes incluem nanopartículas de sílica suspensas em uma resina fotocurável. Na exposição a laser e na absorção de dois fótons, o aglutinante de resina polimeriza e reticula as nanopartículas de sílica. As partículas reticuladas são então fundidas em vidro em uma etapa final de sinterização – a temperaturas da ordem de 1100–1300 °C – que também remove o aglutinante de polímero.

O sistema de sinterização inquestionavelmente pode criar algumas microestruturas de vidro impressas em 3D requintadas. Mas as temperaturas exigidas estão acima dos pontos de fusão dos principais materiais semicondutores, como o germânio e o fosfeto de índio - sem mencionar os da maioria dos metais importantes nos circuitos eletrônicos. Isso significa que a impressão TPP que depende de resinas carregadas de partículas é impraticável para a fabricação direta no chip de vidro óptico em nanoescala.