Ingenieure der UC Irvine erfinden eine Möglichkeit, optische 3D-Drucker herzustellen

Innovation ermöglicht die On-Chip-Fertigung für Technologien in der Medizin, Kommunikation und anderen Anwendungen

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Wissenschaftlern der University of California, Irvine, hat eine neue Niedertemperaturmethode für den 3D-Druck von Glas in optischer Qualität entwickelt und damit die Tür für mikroelektronische Systeme mit hochauflösenden Nanophotonikfunktionen für sichtbares Licht geöffnet.

Die Innovation ist Gegenstand eines kürzlich in Science veröffentlichten Artikels.

Durch die Kombination von hochpräziser Optik und Mikroelektronik könnte eine neue Generation von Technologien für den Einsatz in Medizin, Navigation, Kommunikation, Fernerkundung und anderen Anwendungen ermöglicht werden. Herkömmliche Methoden zum Drucken von optischem Glas erfordern jedoch ein Sintern bei hohen Temperaturen, was zu Schäden an den Materialien führen würde, aus denen diese Plattformen bestehen.

„Diese Arbeit ebnet den Weg für die On-Chip-Herstellung“, sagte Hauptautor Jens Bauer, der dieses Projekt als UCI-Forscher in Materialwissenschaften und -technik begann und heute das Nanoarchitected Metamaterials Laboratory am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland leitet. „Für praktisch jeden Chip, der 650 Grad Celsius aushält, wird es möglich sein, hochwertige Mikro- und Nanostrukturen aus klarem Glas direkt auf den Chip zu drucken.“ erklärte Cameron Crook, ein UCI-Forschungsstipendiat für Materialwissenschaften und -technik und Mitautor der Studie.

Die Arbeit des Teams an UCI und KIT umfasste die Verwendung eines 3D-Druckverfahrens namens Zwei-Photonen-Polymerisation oder direktes Laserschreiben. Die Methode ermöglicht die Schaffung komplizierter nanoskaliger Strukturen, bei denen es sich bisher meist um Formationen in Kunststoff handelte, unter Verwendung druckerfreundlicher Polymerharze. Der 3D-Druck mit optischen Materialien wie Quarzglas erforderte das Sintern von Nanopartikeln bei Temperaturen von mehr als 1.100 Grad Celsius, heiß genug, um Materialien ohne Verflüssigung zu verbinden, aber zu heiß für die Abscheidung auf Halbleiterchips.

Die Lösung der Forscher bestand darin, als Bestandteile ein flüssiges Harz zu verwenden, das um „polyedrische oligomere Silsesquioxan“- oder POSS-Moleküle herum aufgebaut ist, die winzige Glascluster enthalten, die nur aus einer Handvoll Atomen bestehen. Sie kombinierten POSS mit anderen organischen Molekülen, um einen mühelosen 3D-Druck zu ermöglichen. Die resultierende vernetzte Vorglas-Polymer-Nanostruktur wurde an der Luft auf eine Temperatur von 650 Grad Celsius erhitzt, wodurch organische Komponenten abgestreift wurden, um eine kontinuierliche Glas-Nanostruktur zu bilden.

„Die erhaltenen Glasteile mit der bisher höchsten Auflösung von bis zu 97 Nanometern waren chemisch vollkommen rein und von optischer Qualität“, sagte Bauer.

Er fügte hinzu, dass diese Technik auch auf Materialien jenseits von Quarzglas angepasst werden kann, was völlig neue Leistungsfähigkeiten in integrierten Schaltkreisen erschließt. Für diese Innovation haben die Forscher ein internationales Patent angemeldet.

Zum Forschungsteam gehörte Tommaso Baldacchini von Edwards Lifesciences Inc. mit Sitz in Irvine. Die Finanzierung erfolgte durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, die Bildgebungsunterstützung erfolgte durch das UC Irvine Materials Research Institute.