Утонченные структуры, напечатанные учеными из Университета Райса, под микроскопом. В процессе спекания они преобразуются либо в стекло, либо в кристобалит. Источник: лаборатория наноматериалов, наномеханики и наноустройств при Университете Райса
Инженеры Университета Райса демонстрируют возможность создания на 3D-принтере наноструктур стекла и кристаллов для построения электроники или фотонных устройств по технологии снизу вверх.
Материаловеды в Университете Райса создают наноструктуры из кремния с помощью сложного 3D-принтера, демонстрируя метод построения микромасштабной электроники, а также механических и фотонных устройств снизу вверх.
Плетение запутанных микроскопических структур кристаллов или стекла теперь стало возможным. При этом на 3D-принтере также можно печатать продукты, допускающие легирование и подстройку кристаллических структур для различных целей.
Соответствующее исследование, проведенное Джуном Лу, профессором материаловедения и наноинженерии в Технической школе Джорджа Р. Брауна, было опубликовано в журнале Nature Materials.
Современная индустрия электроники строится вокруг кремния, базового полупроводникового субстрата, уже не одно десятилетие используемого для создания микропроцессоров. Результаты проведенного исследования преодолевают ограничения технологии производства изделий сверху вниз, переворачивая весь процесс с ног на голову при помощи 3D-принтера.
«Очень трудно создавать сложные, трехмерные геометрические структуры с помощью традиционных техник фотолитографии», — говорит Лу. – «К тому же это неэкологично, так как процесс требует применения большого количества химикатов и является многоступенчатым. И даже при всех этих технологических усилиях некоторые структуры создать не получается».
«В принципе, мы можем печатать произвольные 3D-формы, которые сыграют немаловажную роль при создании экзотических фотонных устройств». — добавил он.
В лаборатории с помощью двухфотонного процесса полимеризации добиваются печати структур с линиями шириной всего в несколько сотен нанометров, что меньше длины волны света.
«При обычной полимеризации задействуются полимеры и фотоинициаторы, молекулы, которые поглощают свет, генерируя свободные радикалы», — так выпускник Университета Райса и соавтор работы Боюй Джан объясняет процесс, в котором УФ-излучение используется для отверждения материалов в 3D-печати и стоматологии.
«В нашем же процессе фотоинициаторы поглощают одновременно два фотона, для чего необходимо много энергии», — говорит он. – «Лишь очень небольшой пик этой энергии вызывает полимеризацию, которая в итоге охватывает крохотную область, позволяя нам выйти за ограничение дифракционного предела света».
Для реализации подобной техники печати специалистам лаборатории пришлось разработать уникальные чернила. Жанг и его коллега Ксивен Вен создали смолы, содержащие наносферы диоксида кремния, легированные полиэтиленгликолем, придав им свойство растворимости.
После печати структура отверждается путем высокотемпературного спекания, которое устраняет из продукта все полимеры, оставляя аморфное стекло или поликристаллический кристобалит.
«При нагреве материал проходит фазы преобразования из стекла в кристалл, и чем выше температуры, тем более упорядоченными становятся кристаллы». – говорит Лу.
В лаборатории также продемонстрировали легирование материала с помощью различных редких солей для придания конечным продуктам фотолюминесцентности, свойства, необходимого для применения в сфере оптики. Следующая цель – это усовершенствование процесса для реализации 3D-печати с разрешением менее 10 нанометров.
Соавторами работы являются научный сотрудник Университета Райса Хуа Гуо, ученые-исследователи Гуаньхуэй Гао и Сянь Чжан, выпускники этого же института Юшун Чжао, Цийи Фан и Кристин Нгуен; выпускник Университета Цинхуа Фань Е, выпускник Университета Хьюстона Шуай Юэ, ныне работающий в Китайской академии наук; а также Джиминг Бао, профессор электротехники и компьютерной инженерии Университета Хьюстон.
Помощь в исследовании также оказывали выпускник Университета Райса Вэйпенг Ванг, ныне профессор в Университете Цинхуа; Джейкоб Робинсон, доцент кафедры электротехники и компьютерной и биоинженерии, и Пуликел Аджаян, председатель Департамента материаловедения и наноинженерии в Университете Райса.
Ресурсы
Аннотация к работе доступна на сайте Nature.
Лаборатория наноматериалов, наномеханики и наноустройств (группа Лу)
Департамент материаловедения и наноинженерии
Школа инженерии Джорджа Р. Брауна
