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Stewart Wills

Une équipe de l'Institut de technologie de Karlsruhe, de l'Université de Californie à Irvine et d'Edwards Lifesciences a mis au point une méthode pour imprimer en 3D des microstructures et des nanostructures de verre, telles que (de gauche à droite) le nanoréseau, les microlentilles paraboliques et les microobjectifs multilentilles illustrés ici, à des températures bien inférieures et à des résolutions bien supérieures à celles des précédents schémas de nanoimpression sur verre. Barres d'échelle : 10 µm. [Image : Reproduit avec la permission de J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023) ; doi : 10.1126/science.abq3037]

Le processus d'impression 3D appelé polymérisation à deux photons (TPP) - également connu sous le nom d'écriture laser directe - a permis la création de structures nanométriques spectaculaires et complexes. Mais à ce jour, une grande partie de la magie de la technique a été réalisée en plastique, en utilisant des résines polymères spécialisées et faciles à imprimer.

Les scientifiques et les ingénieurs optiques aimeraient utiliser la flexibilité du TPP pour créer des structures nanométriques de forme libre dans le matériau optique le plus éprouvé, le verre de silice. Mais alors que certains schémas de nanoimpression sur verre ont émergé des laboratoires de recherche, ils ont généralement nécessité le frittage de nanoparticules de silice à des températures supérieures à 1100 ° C. C'est beaucoup trop grillé pour être utile dans une gamme d'applications importantes, telles que le dépôt direct sur des puces semi-conductrices. De plus, ces processus basés sur le frittage donnent des caractéristiques avec une résolution insuffisante pour les applications de lumière visible.

Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par Jens Bauer à l'Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), en Allemagne, aurait développé une approche différente pour la nanoimpression 3D de verre optique haute résolution de très haute qualité, qui réduit les températures de traitement requises d'environ 500 °C (Science, doi : 10.1126/science.abq3037). La température plus basse ouvre la perspective d'imprimer en 3D des structures optiques en verre résistantes, transparentes et de forme libre directement sur des puces semi-conductrices, aux résolutions requises pour la nanophotonique en lumière visible.

"Ce que nous réalisons avec cela", a déclaré Bauer à OPN, "c'est que nous sommes vraiment capables de fabriquer ce verre inorganique de haute qualité avec le même niveau d'imprimabilité et de facilité d'utilisation que les personnes qui utilisent le TPP connaissent des résines polymères standard commerciales."

Le processus non linéaire du TPP fonctionne en exposant une résine photoactive, chimiquement réglée pour se réticuler en chaînes polymères lors d'une absorption simultanée à deux photons, à des impulsions laser femtoseconde étroitement focalisées. Le système permet la création de structures solides à l'échelle du micromètre et même du nanomètre, et sa flexibilité a permis l'impression de structures optiques à l'échelle nanométrique de forme libre directement sur des micropuces. Mais ces structures ont généralement été écrites en polymère, un matériau aux propriétés optiques et mécaniques très variables, et sans la stabilité environnementale et la ténacité du verre.

La flexibilité de l'impression TPP a permis l'impression de structures optiques nanométriques de forme libre directement sur des micropuces, mais ces structures ont généralement été écrites dans des polymères et non dans du verre.

Les efforts visant à étendre la flexibilité de l'impression TPP aux structures de verre optique à l'échelle nanométrique se sont généralement appuyés sur des résines liantes polymères "chargées de particules" comme matière première. Comme leur nom l'indique, ces liants comprennent des nanoparticules de silice en suspension dans une résine photodurcissable. Lors de l'exposition au laser et de l'absorption à deux photons, le liant de résine polymérise et réticule les nanoparticules de silice. Les particules réticulées sont ensuite fusionnées en verre lors d'une étape finale de frittage - à des températures de l'ordre de 1100 à 1300 ° C - qui élimine également le liant polymère.

Le système de frittage peut sans aucun doute façonner de superbes microstructures de verre imprimées en 3D. Mais les températures requises se situent au-dessus des points de fusion des principaux matériaux semi-conducteurs tels que le germanium et le phosphure d'indium, sans parler de ceux de la plupart des métaux importants dans les circuits électroniques. Cela signifie que l'impression TPP qui repose sur des résines chargées de particules n'est pas pratique pour la fabrication directe sur puce de verre optique à l'échelle nanométrique.

En outre, la taille finie des particules frittées ensemble impose des dimensions minimales (ainsi qu'une rugosité de surface inhérente) qui limitent la résolution d'impression. C'est un inconvénient, car la résolution des structures imprimées en 3D à l'aide de liants chargés de particules a tendance à être un poil trop grossière pour les applications dans les longueurs d'onde visibles.

Pour contourner ces inconvénients, Bauer, avec ses collègues de l'Université de Californie à Irvine et Edwards Lifesciences, Irvine, Californie, États-Unis, s'est concentré sur la chimie des résines. Plutôt que d'utiliser une suspension de nanoparticules de silice, l'équipe a développé une recette de résine liquide construite autour de molécules dites de silsesquioxane oligomère polyédrique (POSS). Ce sont des molécules hybrides organiques-inorganiques qui comprennent de minuscules molécules de silice en forme de cage, décorées de groupes fonctionnels organiques pour créer une structure monomère.

Vue schématique du processus, de la synthèse des molécules POSS (à gauche) à l'impression TPP (au centre) jusqu'à l'étape finale de traitement thermique à 650 ° C (à droite). [Image : Reproduit avec la permission de J. Bauer et al., Science 380, 960 (2023) ; doi : 10.1126/science.abq3037] [Agrandir l'image]

Pour façonner son monomère POSS, l'équipe a fonctionnalisé les cages moléculaires inorganiques avec des groupes acryliques organiques aux coins, pour permettre la réticulation des cages de silice dans un réseau continu et serré. Ils ont ajouté un photoinitiateur à la résine POSS, pour lancer la réticulation des monomères lors d'une exposition à deux photons. Et la recette de l'équipe enrichit également la résine avec des oligomères acryliques hautement flexibles et flottants. Ce dernier ingrédient, dit Bauer, facilite encore la réticulation et "nous a permis d'obtenir une qualité d'impression très élevée", malgré le fait de travailler avec "des molécules POSS plutôt rigides qui n'aiment pas se réticuler aussi facilement".

Enfin, une fois la nanostructure entièrement imprimée en 3D et réticulée formée, elle est chauffée à l'air à une température de 650 °C. Cette dernière étape chasse les composants organiques et complète la liaison des cages de silice inorganique POSS, pour former une micro- ou nanostructure continue de verre.

La température requise est la moitié de ce qui est nécessaire pour les approches qui reposent sur le frittage de nanoparticules. Cela, a déclaré Bauer, est dû au fait que les amas de silice individuels sont très petits - "seulement une poignée d'atomes". Le procédé TPP regroupe ces amas moléculaires très proches les uns des autres, maintenant les températures de fusion requises bien inférieures à celles requises pour le frittage de particules de silice (relativement énormes).

Bauer et ses collègues ont utilisé leur résine POSS pour imprimer en TPP une variété de structures optiques à l'échelle nanométrique, y compris des cristaux photoniques "en tas de bois" avec des caractéristiques autonomes de 97 nm, des réseaux de microlentilles paraboliques et un micro-objectif multilentille comprenant des éléments de Fresnel nanostructurés. La flexibilité offerte par l'impression TPP a également permis aux chercheurs de construire des micro-optiques en verre de forme libre qui présentent "d'excellentes performances optiques", selon l'article, et qui ont des tailles minimales et une rugosité de surface suffisamment petites pour permettre des dispositifs nanophotoniques à lumière visible.

"Cela ouvre vraiment la voie à la fabrication sur puce", a déclaré Bauer à OPN.

Les chercheurs écrivent que leur système à basse température "amène la synthèse de forme libre du verre de silice en dessous des points de fusion des matériaux essentiels pour la technologie des microsystèmes", et ainsi "représente une percée qui permet l'évolution de l'impression 3D sur puce de matière transparente" pour inclure "de la silice fondue de qualité optique résistante". Bauer a déclaré à OPN qu'il pensait que le système avait "une large gamme d'applications micro-optiques et photoniques", en particulier pour les systèmes qui pourraient faire face à des environnements chimiques, thermiques ou autres difficiles où les structures polymères imprimées en 3D pourraient ne pas tenir le coup.

"Cela ouvre vraiment la voie à la fabrication sur puce", a déclaré Bauer à OPN. "Pour pratiquement toutes les puces pouvant supporter 650 ° C, il sera possible d'imprimer des micro et nanostructures de verre transparent de haute qualité directement sur la puce."

Date de publication : 02 juin 2023