- 2023-07-17 13:09:11 来源:纳糯三维科技(上海)有限公司 浏览量:124次
- 【导读】上月,卡尔斯鲁厄理工纳米技术研究所的J. Bauer课题组使用Nanoscribe双光子三维微纳加工系统,自制新型熔融石英光刻胶,加工出了高精度微光器件与力学超材料,该文献发表在Science正刊。
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上月,卡尔斯鲁厄理工纳米技术研究所的J. Bauer课题组使用Nanoscribe双光子三维微纳加工系统,自制新型熔融石英光刻胶,加工出了高精度微光器件与力学超材料,该文献发表在Science正刊。
简短来说,他们做到的光学方面的精度是,80微米口径,15微米矢高的玻璃微光器件PV值能达到±175nm,表面粗糙度达到5nm。在力学研究方面的突破是,能够凭借此技术手段来研究高精度三维脆性材料的力学性质,文中所加工的木堆型结构的最小线宽达到97nm(下图C),杨氏模量达到4GPa,调整后处理工艺后可高达67GPa,这个数值与dense fused silica接近,后者可以用来制作法兰盘或齿轮。
在本文之前发表过使用双光子设备制备的熔融石英玻璃结构,材料是由短链的二氧化硅粉末与粘合剂混合而成的,在本文中加工材料的主要成分是笼型POSS纳米化合物不再需要粘合剂,自身形成了二氧化硅连续网络。使用这种新型材料能提供更高精度的玻璃材料微纳三维加工,获得普通熔融石英玻璃一样的力学和光学特性。此项在双光子加工材料领域的突破有机会打开“无机-有机”材料的大门,比如掺杂进金、铜、银或铝的百纳米线宽精度的三维微纳结构的制备。
与双光子加工得到的聚合物器件相比较,二者在形状精度上接近,而熔融石英玻璃材料具有更强的耐热性和抗老化性,在生物医学工程应用上,可以用于加工玻璃材质的内窥镜或一体成型的微透镜组,可以使其拥有更高的环境耐受性,在高功率激光器研究领域中,可以用于加工玻璃材质光束整形器件,可以拥有比聚合物更高的耐热性,作者特别提到该应用也是可以用于激光雷达上的光束整形器件。
在这种POSS纳米化合物分子中,R基的成分和个数可以使得这种纳米化合物具有R基的性质,当研究人员将丙烯酸酯作为POSS纳米化合物的R基时,发现它与丙烯酸酯一样可以作为光刻胶中的胶联剂,能够发生双光子聚合反应,该笼型POSS纳米化合物在光刻胶中质量一般占比81%,调至89%时可增大。对于普通玻璃加工来说,650摄氏度仅能达到热弯成型工艺中的软化转换点,甚至连最基本的熔点都没有达到,更不用说烧结温度了(普通玻璃的烧结温度在1300摄氏度左右,而光学玻璃的烧结温度则是更高的1500摄氏度左右)。
图中通过对比测试可以得出结论,采用双光子聚合技术加工的玻璃结构透射率对比单光子具有优势,而新型POSS玻璃材料的透射率更是优于商用熔融石英玻璃。
以下组图对此玻璃材料的高形状精度提供了有力论据,上图F为矢高15微米,口径80微米以上的微光结构,其PV值为±175nm,上图C的rms是5.5nm,右侧图G是根据USAF1951标准进行测试,测试结果为700lp/mm,剩余对比度为6%。上图为斯图加特大学Harald Giessen课题组做出的均方根粗糙度Sq为4nm。能够加工出如此高精度的玻璃材质微光器件,POSS纳米化合物起到了关键作用,也离不开Nanoscribe双光子三维加工系统加工过程的稳定性。下图就为斯图加特大学Harald Giessen课题组使用Nanoscribe设备,以聚合物为材料制作微透镜并且进行USAF1951测试,测试结果为645 lp /mm。
原文文献
A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass.
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3037
- 标签:玻璃材料的双光子3D打印
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