一種新的三維納米打印方法

正文

一種新的三維納米打印方法

技術(shù)背景：

在雙光子吸收過程中腺办，光場會在基態(tài)和量子系統(tǒng)(例如分子)的相關(guān)激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生一個狀態(tài)。這種誘導(dǎo)狀態(tài)糟描，通常被稱為虛擬態(tài)(在量子光學(xué)中也稱為修飾狀態(tài))怀喉。這種狀態(tài)確實(shí)存在，但前提是光場開啟船响。使用激光脈沖時躬拢，虛擬狀態(tài)壽命由脈沖持續(xù)時間決定。直觀上灿意，第一個光子誘導(dǎo)電子從基態(tài)躍遷到虛擬態(tài)估灿，第二個光子誘導(dǎo)躍遷到激發(fā)態(tài)崇呵。

雙光子吸收過程在多光子光學(xué)顯微鏡和多光子光學(xué)光刻中至關(guān)重要缤剧，這兩種應(yīng)用都已商業(yè)化多年。多光子光學(xué)光刻已成為制造從納米級到微米級的三維(3D)結(jié)構(gòu)的成熟方法域慷。在3D光學(xué)光刻(也稱為直接激光寫入或 3D 激光納米打印)中荒辕，雙光子吸收導(dǎo)致光引發(fā)劑躍遷率的縮放，因此曝光劑量與光強(qiáng)度的平方成正比犹褒。至關(guān)重要的是，這種二次非線性抑制了衍射極限激光焦點(diǎn)不可避免的橫向和軸向拖尾叠骑，從而保證了沿所有三個空間方向的激發(fā)和后續(xù)化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵濃度李皇。重要的是，沒有額外非線性的單光子吸收不能從根本上提供這種濃度來制造任意3D 結(jié)構(gòu)宙枷。為了獲得有效的雙光子吸收，通常使用鎖模皮秒或飛秒激光源慰丛。

盡管雙光子光刻是一項(xiàng)成熟的技術(shù)卓囚，但在3D激光納米打印中使用飛秒激光器獲得有效的雙光子吸收仍有許多缺陷。首先诅病，當(dāng)從足夠多的聚合物交聯(lián)點(diǎn)向上增加激光功率時哪亿，由于三光子和四光子吸收過程以及更甚的開始，會發(fā)生微爆炸贤笆，從而導(dǎo)致多余的高能電子態(tài)蝇棉。通常，發(fā)生微爆炸的激光功率比寫入點(diǎn)高一個數(shù)量級以下芥永。即使在寫入點(diǎn)篡殷，光刻膠中的小污染物或污垢微粒也會引發(fā)微爆炸。此類事件使整個耗時的3D打印作業(yè)變得毫無用處恤左。其次搀绣，所需的飛秒激光振蕩器仍需花費(fèi)數(shù)萬歐元。第三戳气，飛秒激光器及其配件占整個儀器的相當(dāng)大的體積部分。迄今為止瓶您，這種成本和尺寸的結(jié)合阻止了3D激光納米打印機(jī)的廣泛應(yīng)用麻捻。

技術(shù)要點(diǎn)：

基于此,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Vincent Hahn(一作兼通訊)等人提出一種用兩步吸收替代雙光子吸收，從而可用小巧呀袱、低成本的半導(dǎo)體激光二極管替代飛秒激光器實(shí)現(xiàn)緊湊贸毕、大都數(shù)人可及的三維激光納米打印技術(shù)。

(1)提出一種用于3D激光納米打印的光刻膠系統(tǒng)夜赵，該系統(tǒng)包含苯甲醇作為光引發(fā)劑明棍，支持兩步吸收而不是雙光子吸收(兩步吸收是量子切割的逆過程，而雙光子吸收是參數(shù)下變頻的逆過程寇僧。如果在適當(dāng)?shù)臈l件下使用摊腋，兩步吸收與雙光子吸收表現(xiàn)出相同的曝光劑量對光強(qiáng)度的二次依賴關(guān)系)。與雙光子吸收不同嘁傀，具有亞毫瓦光輸出功率的連續(xù)波激光器足以在兩步吸收中實(shí)現(xiàn)聚合兴蒸，且實(shí)際曝光可能需要低于50μW的功率。

(2)使用成本僅為數(shù)十歐元的半導(dǎo)體連續(xù)激光器细办，證明了在405nm激光波長處的兩步吸收橙凳，所打印出來的三維納米結(jié)構(gòu)的空間分辨率甚至能與STED-inspired的雙光子3D激光納米打印相媲美。

系統(tǒng)基本組成：

a岛啸、激光二極管(L405P150,Thorlabs)安裝在溫控制支架上(LDM56/M, Thorlabs)。二極管的溫度由熱電冷卻器控制器(TED200C, Thorlabs)控制娃殖。

b、一個焦距8mm的非球面鏡片(A240TM-A,Thorlabs)將激光二極管的光束準(zhǔn)直輸出炉爆。

c堕虹、焦距40mm平凸透鏡(LA1422-A,Thorlabs)對光束聚焦后穿過直徑10微米的針孔(P10C, Thorlabs)。

d芬首、由焦距75mm的消色差透鏡(AC254-075-A, Thorlabs)對光束準(zhǔn)直赴捞。

e、光束由一對galvanometric mirrors(Saturn 5B 56S, Pangolin Laser Systems)做x-y掃描郁稍。

f赦政、聚焦用顯微鏡物鏡(HCXPLAPO 100x/1.4-0.7 oil CS, Leica Microsystems)。

g、三維壓電平臺有小行程(P-257.3CL, Physik Instrumente,200umX200umX20um)和較大行程(P-563.3CD, Physik Instrumente,300umX300umX300um)恢着。(只用壓電平臺進(jìn)行XYZ掃描桐愉，速度很慢，所以需要加上振鏡用于在物鏡的視野內(nèi)快速的XY掃描掰派，加快打印速度)

h、峰值波長640nm的LED和ccd相機(jī)采取透射式觀察打印過程靡羡。

(圖1系洛、雙光子吸收和兩步吸收能級圖)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

(圖2、兩步吸收打印在二維和三維的分辨率)

(圖3描扯、一些三維打印納米結(jié)構(gòu)的斜視電子顯微照片)

附錄：

(1)雙光子光刻是一種三維打印技術(shù)，能制造具有高分辨特征的微觀結(jié)構(gòu)趟薄。它通過在光敏材料(聚合物绽诚、無機(jī)或混合材料)內(nèi)移動聚焦的激光束來制造三維結(jié)構(gòu)。它可行的原因是激光束在光敏材料內(nèi)部引發(fā)化學(xué)反映竟趾，使其固化憔购，從而形成微觀結(jié)構(gòu)宫峦。要制造的結(jié)構(gòu)通過3D圖形軟件設(shè)計岔帽，然后將3D模型分割成一組2D平面用于3D結(jié)構(gòu)的逐層構(gòu)建。

(圖4导绷、通過操縱光敏材料內(nèi)的激光焦點(diǎn)逐層制造3D結(jié)構(gòu))

(2)一些雙光子光刻的系統(tǒng)圖，用于參考兩步吸收系統(tǒng)

(來源：https://www.l3dw.com/two-photon-lithography-setup/)

(來源：https://doi.org/10.1002/admt.202100944)

參考文獻(xiàn)：Hahn, V., Messer, T., Bojanowski, N.M. et al. Two-step absorption instead of two-photon absorption in 3D nanoprinting. Nat. Photon. 15, 932–938 (2021).(https://doi.org/10.1038/s41566-021-00906-8)Two-photon Lithography System. Prem Prabhakaran.(https://www.l3dw.com/two-photon-lithography-setup/）

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