Трехмерная печать стекла без спекания

Печать структур кварцевого стекла микро- и нанометрового размера из чистого диоксида кремния открывает множество новых приложений в оптике, фотонике и полупроводниковых технологиях. До сих пор процессы основывались на обычном спекании. Температура, необходимая для спекания наночастиц диоксида кремния, превышает 1100°C, что слишком высоко для прямого осаждения на полупроводниковые чипы. Команда под руководством доктора Йенса Бауэра из Института нанотехнологий KIT (INT)теперь разработал новый процессдля производства прозрачного кварцевого стекла с высоким разрешением и превосходными механическими свойствами при гораздо более низких температурах.

Бауэр, возглавляющий младшую исследовательскую группу Эмми Нётер «Наноархитектурные метаматериалы» в KIT, и его коллеги из Калифорнийского университета в Ирвине и компании Edwards Lifesciences в Ирвине представляют этот процесс в журнале Science. В качестве исходного материала они используют гибридную органо-неорганическую полимерную смолу. Эта жидкая смола состоит из так называемых полиэдрических олигомерных молекул силсесквиоксана (POSS), которые представляют собой небольшие клеточные молекулы диоксида кремния, оснащенные органическими функциональными группами.

После сшивания материала посредством 3D-печати с образованием 3D-наноструктуры его нагревают на воздухе до 650°C для удаления органических компонентов. В то же время неорганические клетки POSS сливаются и образуют сплошную микроструктуру или наноструктуру кварцевого стекла. Требуемая для этого температура составляет лишь половину температуры, необходимой для процессов, основанных на спекании наночастиц.

«Более низкая температура позволяет печатать в произвольной форме прочные стеклянные структуры оптического качества с разрешением, необходимым для нанофотоники видимого света, непосредственно на полупроводниковых чипах», — объясняет Бауэр. Помимо превосходных оптических качеств, производимое кварцевое стекло обладает отличными механическими свойствами и легко поддается обработке.

Исследователи из Карлсруэ и Ирвайна использовали смолу POSS для печати различных наноструктур, в том числе фотонных кристаллов с автономными лучами шириной 97 нм, параболических микролинз и многолинзового микрообъектива с наноструктурированными элементами. «Наш процесс позволяет создавать структуры, которые остаются стабильными даже в суровых химических или термических условиях», — говорит Бауэр.

«Группа INT, возглавляемая Йенсом Бауэром, связана с кластером передового опыта 3DMM2O», — говорит профессор Оливер Крафт, вице-президент по исследованиям KIT. «Результаты исследований, опубликованные сейчас в журнале Science, являются лишь одним из примеров того, как в кластере успешно поддерживаются исследователи на ранних стадиях». 3D Matter Made to Order, или сокращенно 3DMM2O, представляет собой совместный кластер передового опыта KIT и Гейдельбергского университета. Он придерживается междисциплинарного подхода, объединяя естественные науки и инженерию. Его цель — поднять 3D-аддитивное производство на новый уровень — от уровня молекул до макроскопических размеров.

- Этот пресс-релиз первоначально был опубликован на веб-сайте Технологического института Карлсруэ.