La litografia multifotone (MPL) è una tecnica che utilizza impulsi laser ultracorti per creare strutture tridimensionali (3D) complesse su scala micro e nanometrica. Si basa sul principio dell'assorbimento multifotone (MPA), che si verifica quando due o più fotoni vengono assorbiti simultaneamente da una molecola, dando luogo a un processo ottico non lineare.
Focalizzando il raggio laser su un materiale fotosensibile, come un fotoresist o un prepolimero, l'assorbimento multifotone induce una reazione chimica localizzata che modifica le proprietà del materiale. Scansionando il raggio laser e/o traslando il campione in tre dimensioni, la forma desiderata può essere fabbricata con alta risoluzione e precisione senza alcuna restrizione geometrica. Ciò consente la realizzazione della nanostampa laser 3D come tecnica di produzione additiva.
MPL ha già numerose applicazioni in campi quali la microottica, i dispositivi nanofotonici, i metamateriali, i chip integrati e l'ingegneria dei tessuti. Può creare strutture impossibili o difficili da ottenere con i metodi litografici convenzionali, come superfici curve, strutture cave e gradienti funzionali. Può anche consentire la fabbricazione di nuovi materiali con proprietà ottiche, meccaniche e biologiche personalizzate.
Nonostante le configurazioni MPL siano disponibili in commercio, la comprensione dei meccanismi fotofisici e fotochimici è ancora controversa, poiché le sorgenti laser più comuni vengono scelte per avere una lunghezza d'onda di 800 nm, mentre anche altre popolari di 515 nm o 1.064 nm si sono dimostrate idonee. /P>
Tuttavia, la teoria unica e più popolare dell’assorbimento di due fotoni non può essere applicata per spiegare tutte le diverse condizioni sperimentali e il risultato prodotto. Questo problema è importante per l'ulteriore sviluppo delle sorgenti laser e la costruzione di macchine per nanostampa 3D ad alto rendimento orientate alle esigenze industriali.
Abbiamo studiato la MPL, ampiamente conosciuta anche come polimerizzazione a due fotoni (2PP) o semplicemente nanostampa laser 3D, utilizzando un laser a femtosecondi regolabile in lunghezza d’onda. Abbiamo scoperto che potevamo utilizzare qualsiasi colore dello spettro compreso tra 500 e 1.200 nm con un'ampiezza dell'impulso fissa di 100 fs per ottenere un'interazione di meccanismi fotofisici più delicata della semplice fotopolimerizzazione a due fotoni.
Abbiamo valutato l'ordine effettivo di assorbimento, ovvero l'assorbimento del fotone X, nonché le condizioni di esposizione ottimali per il prepolimero SZ2080 fotosensibilizzato e puro. Abbiamo scoperto che la possibilità di regolazione della lunghezza d'onda ha influenzato notevolmente la finestra di fabbricazione dinamica (DFW), risultando in un aumento di 10 volte se ottimizzato.
Inoltre, abbiamo osservato una deposizione di energia non banale mediante l'assorbimento di fotoni X con l'inizio di un forte aumento delle dimensioni laterali a lunghezze d'onda maggiori e abbiamo spiegato che era dovuto al raggiungimento di condizioni epsilon-vicino allo zero (ENZ). Un tale controllo sulle proporzioni dei voxel e, di conseguenza, sul volume fotopolimerizzato, può aumentare l'efficienza della nanostampa 3D.
Abbiamo anche studiato l'evoluzione del volume polimerizzato durante la scrittura laser diretta (DLW) attraverso diversi meccanismi di erogazione di energia:assorbimento di uno/due/tre fotoni, ionizzazione a valanga e diffusione termica che porta alla fotopolimerizzazione controllata. Abbiamo dimostrato che la nanolitografia 3D con impulsi ultracorti in un ampio intervallo spettrale dal visibile al vicino IR di 400-1.200 nm procede tramite eccitazione multifotone definita dall'ordine effettivo di assorbimento. La nostra ricerca è pubblicata sulla rivista Virtual and Physical Prototyping .
Abbiamo notato che la dimensione del voxel laterale deviava dalla curva analitica e aveva un esordio distinto a gradino più espresso a lunghezze d'onda più lunghe e potenza più elevata. Abbiamo attribuito questo alla formazione dello stato ENZ nella regione focale che ha causato l'assorbimento di una porzione maggiore dell'intensità della luce incidente producendo un'ampia sezione trasversale laterale di singolo voxel fotopolimerizzato (caratteristica dedotta della linea di forma).
Abbiamo convalidato il nostro approccio in un SZ2080 come materiale modello e suggerito che dovrebbe essere fattibile con altri materiali diffusi come fotoresine IP commerciali, PETA e altri materiali reticolabili. Abbiamo dimostrato le applicazioni di questa tecnica in vari campi come la microottica, i dispositivi nanofotonici, i metamateriali, i chip integrati e l'ingegneria dei tessuti.
Abbiamo presentato alcuni esempi di indice di rifrazione controllato, elevata trasparenza e componenti micro-ottici resilienti e attivi resi possibili dalla litografia con fotoni X in combinazione con la calcinazione e la deposizione di strati atomici. Questi risultati hanno applicazioni immediate nel rilevamento in condizioni difficili, nello spazio aperto e nei veicoli aerei senza pilota (UAV).
In prospettiva, abbiamo ancora bisogno di indagini più approfondite sul meccanismo di accumulo del calore, che dipende dalla velocità di scansione e dalla frequenza di ripetizione del laser, nonché dalla dimensione del punto focale. La lunghezza d'onda regolabile, insieme al chirp a impulsi, alla durata e al funzionamento in modalità burst, che sta diventando uno standard nelle sorgenti laser fs commerciali, possono fornire ulteriori miglioramenti.
Considerando la tendenza degli ultimi 20 anni di scalabilità della legge di Moore con una potenza media del laser fs che raddoppia ogni due anni, le applicazioni ad alto rendimento trarranno vantaggio dalla nanostampa 3D con parametri ottimizzati.
Questa storia fa parte di Science X Dialog, dove i ricercatori possono riportare i risultati dei loro articoli di ricerca pubblicati. Visita questa pagina per informazioni su ScienceX Dialog e su come partecipare.
Ulteriori informazioni: Edvinas Skliutas et al, nanolitografia 3D a scrittura diretta con laser X-photon, prototipazione virtuale e fisica (2023). DOI:10.1080/17452759.2023.2228324
Mangirdas Malinauskas ha difeso il suo dottorato di ricerca. nel 2010 presso l'Università di Vilnius, Centro di ricerca laser - "Fabbricazione laser di micro/nanostrutture polimeriche 3D funzionali", supervisore Prof. R. Gadonas. Durante la sua carriera ha svolto tirocini presso LZH (Prof. B.N. Chichkov) e IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). Nel 2019-2022 è stato professore incaricato presso il Tokyo Institute of Technology (Giappone), gruppo del Prof. J. Morikawa. Attualmente studia i fondamenti della micro/nanostrutturazione laser 3D di materiali reticolabili per applicazioni in microottica, nanoottica (fotonica) e biomedicina presso VU LRC. Il finanziamento del laboratorio viene acquisito tramite programmi nazionali, europei e mondiali (NATO, esercito americano). È stato un Optica Fellow nel 2022.
