新型光刻膠可實現納米多孔結構3D微列印

2020-09-23 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，德國卡爾斯魯厄技術學院（KIT）和海德堡大學的研究人員已經開發出了用於雙光子微列印的光刻膠。現在，它已首次用於生產納米級空腔的三維聚合物微結構。 該研究成果通過&34;一文發表於在Advanced Materials期刊上。


光刻膠是通過雙光子平版印刷術，用來列印三維最小微結構的油墨。光刻膠是微電子技術中微細圖形加工的關鍵材料之一，特別是近年來大規模和超大規模集成電路的發展，更是大大促進了光刻膠的研究開發和應用。印刷工業是光刻膠應用的一大重要領域。1954 年由明斯克等人首先研究成功的聚乙烯醇肉桂酸脂就是用於印刷工業的，以後才用於電子工業（光刻膠解釋來源於百度百科）。在列印過程中，雷射束通過最初的液態光刻膠在所有空間方向上移動。光刻膠僅在雷射束的焦點處硬化。可以一點一點地建立這種複雜的微結構。第二步，使用溶劑去除那些未暴露於輻射的區域，而微米和納米級複雜聚合物結構仍然存在。光刻膠被紫外光曝光後，在顯影溶液中的溶解度會發生變化。矽片製造中所用的光刻膠以液態塗在矽片表面，而後被乾燥成膠膜。


雙光子聚合（或基於此過程的雙光子微印）已經被廣泛研究了幾年，特別是關於微光學、超材料和用於單個生物細胞實驗的微支架的生產（如下圖）。


△由Nanoscribe的雙光子微納3D列印設備製作的神經元細胞培養微結構，用於詳細研究神經元網絡。圖片來自於Cornelius Fendler, Research Group Blick, Center for Hybrid Nanostructures


為了擴大應用範圍，需要新的可印刷材料。這是參與KIT和海德堡大學卓越3D定製物群(3DMM2O)的科學家的出發點。在傳統光刻膠的幫助下，只印刷透明的玻璃狀聚合物是可能的。KIT的物理學家、這項研究的主要作者Frederik Mayer表示他們研究的新型光刻膠首次實現了從多孔納米泡沫印刷3D微結構。這種聚合物泡沫有30至100納米大小的空腔，裡面充滿空氣。


研究人員介紹了一種用於基於雙光子吸收的3D雷射微列印的光刻膠配方，該配方允許將自組裝和增材製造這兩種方法結合起來，從而實現了孔徑在50nm左右的3D納米多孔結構。研究人員預見到這種結構在控制漫射光散射方面的應用，例如3D列印的微型Ulbricht聚光球、微流體中的納米顆粒過濾器，超疏水表面或細胞和組織培養的支架。


在3D雷射微列印中，關於光刻膠的一個最重要的要求是，在使用的激發波長（通常約為800nm）下，光刻膠必須既不吸收也不散射。特別是，如果使用模板將孔隙率引入光刻膠，則必須避免單體與模板之間的折射率匹配，以避免在雷射寫入過程中發生光散射。在本體中生成固有的納米多孔聚合物的另一種眾所周知的方法是聚合誘導的相分離，應用包括色譜分離介質和超疏水表面。聚合誘導的相分離已被用於使用立體光刻技術對玻璃結構進行3D列印。遵循聚合誘導相分離的方法，研究人員開發了用於3D雷射微列印的光刻膠。為了證明由「傳統」光刻膠(Nanoscribe IP‐S)列印出的結構與此處呈現的相分離光刻膠的光散射差異，下圖描繪了相應的圓柱體(直徑350米，高度100米)


△顏色變化：由於光以海綿狀結構散射，所以用新型光刻膠印刷的右側微圓柱體顯示為白色，而用常規光刻膠印刷的圓柱體顯得透明。圖片來源：3DMM2O


Frederik Mayer指出從來沒有用於3D雷射微印的光刻膠，可以用它印刷&39;材料。就像在多孔蛋殼中一樣，多孔納米結構中的許多小氣孔使它們看起來呈白色。將白色顆粒混合到常規光刻膠中不會產生這種效果，因為在列印過程中，光刻膠對於（紅色）雷射束必須是透明的。Frederik Mayer說：「我們的光刻膠在印刷前是透明的，但印刷的物體是白色的，具有高反射率。」來自卡爾斯魯厄技術學院和海德堡大學的研究人員通過印刷與頭髮一樣細的Ulbricht球體（如下圖）來證明這一點。


△微型3D列印Ulbricht積分球的斜視圖，利用光學厚光散射多孔壁的高漫反射率。d)功能性微型3D列印光積分球演示。白光照明下的俯視光學顯微鏡圖像(左)、雷射照射側孔時從頂孔射出的綠光(λ = 532 nm)(右)和合成圖像(中間)。請注意，很少(如果有的話)綠光從光積分球的壁中洩漏出來。


總之，科學家首次開發了一種用於3D雙光子微列印的光刻膠，可用於製造平均孔徑約為50納米的固有納米多孔聚合物微結構。


參考文獻：閆鵬飛．精細化學品化學：化學工業出版社，2004年

本文來源：DOI: 10.1002/adma.202002044

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