Инженеры Университета Райса подготовили почву для плетения замысловатых микроскопических узоров из стекла или хрусталя.

Материаловеды из Университета Райса создают наноструктуры из диоксида кремния с помощью современного 3D-принтера, демонстрируя технику создания микромасштабных электронных, механических и фотонных устройств снизу вверх. Продукты можно было легировать, а их кристаллическую структуру настраивать для нескольких применений.

Исследование, проведенное Джун Лу, профессором материаловедения и наноинженерии инженерной школы Джорджа Р. Брауна, было опубликовано в журнале Nature Materials .

Электроника основана на кремнии, который в течение нескольких лет считался основной полупроводниковой подложкой для микропроцессоров. Исследование Райса отвечает ограничениям нисходящего производства, переворачивая процесс с ног на голову.

очень сложно создать сложную трехмерную геометрию с помощью традиционных методов фотолитографии . Это ’ s тоже не очень « зеленый »потому что для этого требуется много химикатов и много шагов. И даже при всех этих усилиях некоторые конструкции невозможно построить с помощью этих методов .

Джун Лу, профессор материаловедения и наноинженерии, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

« В принципе мы можем печатать произвольные трехмерные формы которые могут быть очень интересны для изготовления экзотических фотонных устройств . То ' s то, что мы ' re пытаемся продемонстрировать », – добавил Лу .

Лаборатория использует процесс двухфотонной полимеризации для печати структур с линиями шириной всего несколько сотен нанометров, что меньше длины волны света. Лазеры «пишут» линии, побуждая чернила поглотить два фотона, начиная свободнорадикальную полимеризацию материала.

Нормальная полимеризация включает полимерные мономеры и фотоинициаторы, молекулы, которые поглощают свет и генерируют свободные радикалы. В нашем процессе фотоинициаторы поглощают два фотона одновременно что требует большого количества энергии . Только очень маленький пик этой энергии вызывает полимеризацию и только в очень крошечном пространстве . То ’ s почему этот процесс позволяет нам выйти за предел дифракции света .

Бою Чжан, со-ведущий автор исследования и аспирант, Университет Райса

Чжан является соавтором исследования, описывающего процесс, который обычно использует ультрафиолетовый свет в 3D-печати, отверждении покрытий и в стоматологии.

Для процесса печати лаборатории Риса потребовалось разработать специальные чернила. Чжан и со-ведущий автор Ксивен Вэнь, выпускник Риса, создали смолы, содержащие наносферы из диоксида кремния, легированного полиэтиленгликолем, чтобы сделать их растворимыми.

После завершения печати структура затвердевает за счет высокотемпературного спекания, в результате чего из продукта удаляется весь полимер, в результате чего остается поликристаллический кристобалит или аморфное стекло.

При нагревании материал проходит фазы от стекла к кристаллу и чем выше температура тем более упорядоченными становятся кристаллы .

Джун Лу, профессор материаловедения и наноинженерии, инженерная школа Джорджа Р. Брауна, Университет Райса

Кроме того, лаборатория показала, как материал легируют несколькими солями редкоземельных элементов, чтобы сделать продукты фотолюминесцентными. Это считается важным свойством для оптических приложений. Следующая цель лаборатории – улучшить процесс для достижения разрешения менее 10 нм.

Соавторами исследования являются доцент-исследователь Райс Хуа Го, ученые-исследователи Гуанхуэй Гао и Сян Чжан, выпускник Юйшунь Чжао и аспиранты Ции Фанг и Кристин Нгуен; Выпускник Риса Фань Йе из Университета Цинхуа, Пекин; Выпускник Хьюстонского университета Шуай Юэ, в настоящее время доктор наук, научный сотрудник Китайской академии наук; и Джиминг Бао, профессор электротехники и вычислительной техники в Хьюстонском университете

Соруководителями исследования являются выпускник Райс Вейпенг Ван, который в настоящее время является профессором Университета Цинхуа, Китай; и Джейкоб Робинсон Райс, адъюнкт-профессор электротехники и компьютерной инженерии и биоинженерии, и Пуликель Аджаян, заведующий кафедрой материаловедения и наноинжиниринга, профессора Бенджамина М. и Мэри Гринвуд Андерсон в области инженерии и профессор химии.

Исследование финансировалось Фондом Уэлча (C-1716, E-1728).

Ссылка на журнал:

Wen, X., и др. . (2021) 3D-печать из диоксида кремния с наноразмерным разрешением. Nature Materials . doi.org/10.1038/s41563-021-01111-2.

Источник: https://www.rice.edu/[19459009visible