Les micro- et nanostructures 3D complexes, telles que les cristaux photoniques et les réseaux microfluidiques, ont des applications étendues dans la micro-optique, l’électronique, les communications, la biomédecine et les systèmes micro-électromécaniques.
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Ces applications présentent des exigences de fabrication strictes, notamment la précision dimensionnelle, la précision de la forme et la rugosité de surface. La lithographie à deux photons est une technique polyvalente capable de répondre à ces exigences et de produire des structures 3D de haute précision de divers matériaux avec une résolution inférieure à la limite de diffraction.
La plupart des techniques lithographiques, y compris la photolithographie conventionnelle, la nanolithographie à stylo plongeant, la lithographie par force capillaire, la lithographie par nanoimpression, la lithographie par transfert et autres, sont intrinsèquement 2D. En conséquence, la lithographie à une échelle sub-micrométrique a été appliquée principalement aux surfaces planes.
Photolithographie – Un cheval de trait dans la nanofabrication
La photolithographie conventionnelle, basée sur l’absorption d’un photon dans un milieu photosensible, a longtemps été la technologie dominante pour la microfabrication industrielle. Le développement de sources lumineuses avancées à courte longueur d’onde (ultraviolet extrême) et de nouveaux photopolymères a permis un pas de géant dans la fabrication photolithographique de composants électroniques 2D avec des dimensions critiques de l’ordre de 10 nm ou moins.
La photopolymérisation est un processus photochimique dans lequel l’énergie des photons est absorbée par la résine photosensible liquide, un matériau sensible à la lumière contenant un photoinitiateur, des précurseurs polymères (monomères) et divers solvants organiques. L’énergie des photons excite le photoinitiateur, qui se décompose alors en radicaux libres. Les radicaux se combinent avec des monomères pour produire des radicaux monomères qui initient la formation ou la réticulation de chaînes polymères, convertissant ainsi le photorésist liquide en un solide.
Des motifs photolithographiques bidimensionnels sont générés en exposant sélectivement le substrat revêtu de photorésist à la lumière (généralement dans la partie UV ou UV extrême du spectre) à travers un masque à motifs, puis en éliminant les zones non polymérisées du photorésist par dissolution dans un solvant approprié.
Principaux avantages de la lithographie à deux photons
Dans le processus de photopolymérisation à deux photons, le processus de polymérisation est initié en absorbant deux photons à une longueur d’onde plus longue, généralement dans la région spectrale du proche infrarouge (NIR). Le processus à deux photons présente deux avantages principaux par rapport à l’absorption à photon unique.
Premièrement, la plupart des photoresists disponibles dans le commerce ont une absorption linéaire négligeable dans la région NIR. Par conséquent, un faisceau laser NIR focalisé (800 – 1064 nm) peut pénétrer profondément dans la résine photosensible et initier la photopolymérisation uniquement au point focal.
Deuxièmement, lors de l’utilisation de lasers femtosecondes fournissant des impulsions ultracourtes d’une durée inférieure à 100 fs, plusieurs effets optiques non linéaires apparaissent, entraînant une dépendance non linéaire de la vitesse de polymérisation sur l’intensité de la lumière laser. En conséquence, la résine photosensible n’est exposée que dans le volume focal du faisceau (appelé voxel). En dehors du voxel du point focal, l’intensité du faisceau laser est inférieure au seuil d’exposition de la réaction photochimique. Ainsi, le processus de polymérisation à deux photons est limité uniquement à ce petit volume permettant une résolution et une précision 3D exceptionnelles.
Fabrication additive 3D à l’échelle nanométrique
Par rapport à d’autres techniques d’écriture directe à base de laser, telles que la stéréolithographie et le frittage sélectif au laser, la résolution spatiale supérieure du processus de polymérisation à deux photons rend la technique particulièrement adaptée aux applications de fabrication additive de haute précision et à la fabrication de micro/nanostructures 3D autonomes. avec des caractéristiques de sous-limite de diffraction.
Une large gamme de résines photosensibles disponibles dans le commerce, développées par des sociétés telles que Nanoscribe GmbH, Microresist Technologies et MicroChem pour la photolithographie conventionnelle, sont optiquement transparentes dans la région NIR et adaptées à une utilisation dans des applications de lithographie à deux photons. Dans les résines photosensibles à ton positif, le matériau est initialement entièrement polymérisé, suivi d’une écriture de motif par exposition NIR sélective (provoquant une photodégradation du matériau) et d’un développement de motif ultérieur par lavage au solvant.
Dans les résines photosensibles à ton négatif, l’éclairage laser NIR polymérise et réticule les chaînes polymères, créant directement le motif 3D souhaité, qui est ensuite développé par un lavage au solvant de la résine photosensible non polymérisée.
Ces matériaux présentent une stabilité mécanique élevée, une faible contrainte post-fabrication et une excellente résistance chimique, ce qui les rend idéaux pour le prototypage rapide et la fabrication de micro et nanostructures haute résolution pour des applications d’ingénierie (cristaux photoniques, dispositifs nanofluidiques et autres).
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Applications biomédicales de la lithographie à deux photons
Des chercheurs du milieu universitaire et de l’industrie développent activement des résines photosensibles biocompatibles et biodégradables capables de fabriquer rapidement des dispositifs biomédicaux, tels que des échafaudages cellulaires pour la médecine régénérative et des réseaux de micro-aiguilles pour l’administration ciblée de médicaments.
La combinaison d’hydrogels, de protéines et de biopolymères avec des matériaux synthétiques (photoinitiateurs et polymères) ouvre la voie à la fabrication à faible coût de micro- et nanostructures sensibles aux stimuli présentant des propriétés dynamiques, y compris l’auto-actionnement et le changement de forme, sous des stimuli externes, tels que le changement de pH , l’exposition à la lumière et les variations de température.
Perspectives futures pour la lithographie à deux photons
Les progrès rapides de l’optique laser, de la science des matériaux et de l’électronique permettent le développement de configurations commerciales de lithographie à deux photons comparables en termes de coût, d’efficacité et de débit aux lignes de production photolithographiques conventionnelles, stimulant ainsi l’adoption de la lithographie à deux photons dans l’industrie. . Ces avancées prometteuses ouvrent de nouvelles perspectives à la technique en tant que stratégie de nanofabrication 3D polyvalente à haute résolution pour des applications industrielles avancées.
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Références et lectures complémentaires
Jing, X., et coll. (2022). Polymérisation à deux photons pour les échafaudages biomédicaux 3D : aperçu et mises à jour. Frontières en bioingénierie et biotechnologie10. Disponible à : https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.994355
Faraji Rad, Z., et coll. (2021) Polymérisation à deux photons haute résolution : la technique la plus polyvalente pour la fabrication de réseaux de microaiguilles. Microsystème. Nanoeng. 7, 71. Disponible à : https://doi.org/10.1038/s41378-021-00298-3
Harinarayana, V. et Shin, YC (2021) Lithographie à deux photons pour la fabrication tridimensionnelle en régime micro/nano: Une revue complète. Optique et technologie laser142,10 7180. Disponible à : https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107180
Huang, Z., et coll. (2020) Technologie de nanolithographie par polymérisation à deux photons pour la fabrication de micro/nano-structures sensibles aux stimuli pour des applications biomédicales. Avis sur la nanotechnologie, 9 (1), 1118-1136. Disponible à: https://doi.org/10.1515/ntrev-2020-0073
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