Une nouvelle procédure permet la micro-impression à l’intérieur de l’ex

Les imprimantes 3D forment des objets en superposant du plastique ou du métal fondu, mais cela ne fonctionne qu’à grande échelle. De quoi avez-vous besoin pour fabriquer des microdispositifs pour lesquels l’étape de stratification n’est pas réalisable ? Et s’il était possible d’imprimer directement dans la masse d’un matériau tridimensionnel existant ?

Les groupes de recherche de Lynford Goddard et Paul Braun, professeurs à l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, ont collaboré pour développer un tel processus. Ils utilisent la technique de la lithographie multiphotonique pour imprimer à l’intérieur d’un matériau poreux existant avec une lumière laser de haute intensité. Cela permet aux chercheurs de modifier sélectivement des régions de l’intérieur et de fabriquer des dispositifs optiques personnalisés à petite échelle dans une procédure appelée indice de réfraction contrôlable sous la surface via l’exposition au faisceau, ou SCRIBE. Les deux groupes de recherche ont récemment annoncé un raffinement de cette procédure qui leur donne un contrôle nettement plus strict sur les dispositifs résultants. La nouvelle procédure a été publiée récemment dans ACS Photonique.

“Nous avons pu montrer une amélioration d’une valeur de référence de 36 % à une nouvelle valeur de 49 % dans l’efficacité des lentilles fabriquées et une nette amélioration de l’uniformité des couleurs résultant des réseaux de lignes 2D que nous avons fabriqués”, a déclaré Alexander Littlefield, un étudiant diplômé du groupe de Goddard et auteur principal de l’étude. “Nous pensons que cette nouvelle technique ouvrira la porte à une vaste gamme de conceptions d’éléments optiques.”

SCRIBE est une forme de lithographie multiphotonique qui dépend d’un mécanisme appelé absorption à deux photons. Les chercheurs utilisent du silicium qui a été gravé pour avoir des pores microscopiques et oxydé en silice transparente. Ils le remplissent ensuite d’un matériau appelé photorésist, qui peut subir un processus chimique par lequel il ne change ses propriétés optiques que lorsqu’il absorbe deux photons simultanément – un processus assez rare à moins d’utiliser une lumière très intense. Les chercheurs en profitent en focalisant la lumière laser pour créer des intensités élevées uniquement dans des régions spécifiques. Cela leur permet de créer des conceptions personnalisées pour les propriétés optiques du matériau en trois dimensions pour « écrire » des composants optiques.

Les versions précédentes de SCRIBE étaient limitées par un contrôle imparfait de l’intensité du laser. Pour y remédier, les chercheurs présentent trois améliorations de la technique dans leur article. Tout d’abord, ils utilisent un système d’imagerie par fluorescence à deux photons pour cartographier la densité de la résine photosensible et corriger la puissance laser nécessaire au résultat souhaité. Deuxièmement, ils atténuent les erreurs qui sont particulièrement importantes près de la limite d’écriture en modulant la position du matériau au fur et à mesure que le laser écrit. Enfin, ils introduisent un délai entre les expositions au laser pour minimiser les effets dépendant du temps dans l’interaction de la résine photosensible.

En incorporant ces trois améliorations, les chercheurs ont obtenu un contrôle plus strict sur leurs dispositifs à motifs, obtenant des composants fabriqués avec plus de précision qui sont beaucoup plus efficaces. Pour démontrer la polyvalence de leur méthode, ils ont fabriqué un dispositif optique de 100 x 100 micromètres qui modifie la lumière pour former des motifs de couleur spécifiques, un réseau de lignes, qui reproduit la forme et les couleurs du logo UIUC (voir figure).

“Notre travail montre que la lithographie multiphotonique peut désormais fabriquer avec précision des composants optiques à micro-échelle avec de nouvelles capacités qui n’existent pas encore pour d’autres méthodes de fabrication”, a déclaré Goddard.

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Goddard est professeur de génie électrique et informatique, et Braun est professeur de science et génie des matériaux. En plus de Littlefield, les étudiants diplômés Lawrence Ju, Jingxing Gao et Lonna Edwards du groupe de Goddard et Dajie Xie, Corey Richards et Christian Ocier du groupe de Braun ainsi que les étudiants de premier cycle Haibo Gao et Jonah Messinger ont contribué à ce travail. Le personnel de recherche de l’UIUC et de l’Université de l’Illinois à Chicago a participé aux expériences, y compris, mais sans s’y limiter, Jeff Grau, Austin Cyphersmith, Anuj Singhal et Seyoung An.

Ce travail a été financé en partie par des subventions du Grainger College of Engineering de l’UIUC, de la National Science Foundation et du Department of Energy. Les bourses ont été soutenues par le ministère de la Défense et l’UIUC.

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