Micrografia SEM di uno sweep di parametri cuboide comprendente 10 x 10 elementi fabbricati tramite TPP dal photoresist IP-Q. Credito:The Authors doi:10.1117/1.JOM.2.3.033501.
La produzione additiva (AM) che utilizza la litografia a polimerizzazione a due fotoni (TPP) è aumentata nell'uso nell'industria e nella ricerca. Attualmente, uno dei principali limiti del TPP in generale e in particolare del materiale IP-Q (Nanoscribe GmbH, Germania) è l'accesso limitato degli utenti alla conoscenza delle proprietà dei materiali. A causa della natura del processo, le proprietà elastiche in particolare dipendono non solo dal materiale utilizzato ma anche dalle dimensioni della struttura, dal processo e dai parametri di fabbricazione. Ad esempio, prima della ricerca pubblicata di recente nel Journal of Optical Microsystems , non sono stati riportati i valori del grado di conversione (DC) e del modulo di Young (E) per IP-Q.
A causa della natura del processo, le proprietà elastiche in particolare dipendono non solo dal materiale utilizzato, ma anche dalle dimensioni della struttura, dai parametri di processo e dalla strategia di tratteggio. Un approccio comune utilizza una combinazione di spettroscopia Raman e nanoindentazione per caratterizzare la DC di monomero a polimero misurabile tramite spettroscopia Raman, che può quindi essere correlata al comportamento meccanico del materiale, misurabile tramite nanoindentazione.
La ricerca in corso sui metagrati acustici e sui metamateriali fabbricati su MEMS beneficerebbe di parametri elastici ottimizzati per fornire la possibilità di regolazione del comportamento acustico, poiché influenzano direttamente l'impedenza acustica caratteristica. AM comprende processi con cui è possibile creare oggetti tridimensionali da un disegno tecnico. I dati vengono inviati a un sistema AM, che quindi esegue la fabbricazione. AM via TPP si basa sulla polimerizzazione selettiva di un precursore liquido per creare strutture solide all'interno di una goccia di monomero. Successivamente, il liquido avanzato viene lavato via. Le applicazioni TPP ben note sono strutture ottiche sub-microniche, dove viene comunemente utilizzato l'IP-Dip fotoresist (Nanoscribe GmbH, Germania). Il fotoresist IP-Q di sviluppo più recente è stato progettato dallo stesso produttore per applicazioni più grandi, ad es. supporti, stampi e metamateriali strutturali. Strutture campione da ciascuno dei due fotoresist sono state prodotte in sweep di parametri. Ciò consente il confronto dei parametri di processo con le caratteristiche risultanti. È stata impiegata la spettroscopia Raman, che è un metodo di analisi senza contatto per la caratterizzazione del materiale in cui la luce monocromatica viene dispersa dal materiale.
La riflessione comprende non solo la lunghezza d'onda irradiata ma anche lo scattering Raman. I picchi caratteristici dello spettro di scattering Raman possono essere utilizzati per l'identificazione di sostanze chimiche. Nel nostro lavoro, è stato utilizzato per determinare il rapporto tra monomero e polimero, o DC, nei campioni di TPP.
Grafico a dispersione del modulo di Young di 92 cuboidi vitali basati su IP-Dip rispetto al loro valore DC corrispondente inclusa una linea tratteggiata con =(9,52 DC - 0,56) GPa che rappresenta punti dati adattati da Bauer et al. (a) e un grafico a dispersione del valore di 68 cuboidi basati su IP-Q vitali (b) rispetto alla loro corrispondente DC. Le misurazioni dell'indentazione dei campioni IP-Q e IP-Dip hanno una deviazione standard relativa mediata rispettivamente del 2,5% e del 3,7%. Credito:The Authors doi:10.1117/1.JOM.2.3.033501
Sono state utilizzate micro e nanoindentazioni per testare le proprietà meccaniche dei campioni. Una punta dura le cui proprietà meccaniche sono note viene pressata nel campione le cui proprietà sono sconosciute. Dalla pendenza della curva del carico rispetto allo spostamento, sono stati calcolati i valori E.
Infine, sono state studiate le spazzate dei parametri di strutture campione cuboidi fabbricate utilizzando TPP attraverso i parametri potenza laser e velocità di scansione per trovare proprietà dipendenti. I fotoresist impiegati sono stati esaminati utilizzando la spettroscopia Raman per trovare la DC del monomero in polimero, e successivamente sono state utilizzate micro o nanoindentazioni per trovare E.
Per IP-Dip, la DC e la E raggiunte variavano rispettivamente dal 20 al 45% e da 1 a 2,1 GPa. I risultati sono stati confrontati con i rapporti trovati in letteratura. Per IP-Q, la DC e la E raggiunte variavano rispettivamente dal 53 all'80% e da 0,5 a 1,3 GPa. Le proprietà caratterizzate di IP-Q si manifestano come lo stato attuale delle conoscenze del materiale.
"In questo modo, offrire un approccio per ottimizzare i parametri elastici delle strutture fabbricate con TPP sarà vantaggioso per vari argomenti di ricerca in corso. Un'applicazione promettente per questo metodo è la caratterizzazione dei parametri elastici dei metagrati acustici e dei metamateriali fabbricati su MEMS. Questi dispositivi può successivamente essere implementato in modo vantaggioso nelle scienze della vita, nella mobilità e nelle applicazioni industriali", ha affermato Severin Schweiger del Fraunhofer Institute of Photonic Microsystems e della Brandenburg University of Technology in Germania. + Esplora ulteriormente
