3D-печать стекла без спекания с помощью наноматериалов

Температуры, необходимые для спекания наночастиц диоксида кремния, выше 1100 ° C, что слишком высоко для прямого осаждения на полупроводниковые чипы. Команда, возглавляемая доктором Йенсом Бауэром из Института нанотехнологий (INT) KIT, разработала новый процесс производства прозрачного кварцевого стекла с высоким разрешением и отличными механическими свойствами при гораздо более низких температурах.

Новый низкотемпературный процесс позволяет изготавливать большое разнообразие наноразмерных структур из кварцевого стекла. (Рисунок: д-р Йенс Бауэр, KIT). Предоставлено: д-р Йенс Бауэр, KIT

Сырье - гибридная органо-неорганическая полимерная смола

В качестве исходного материала ученые используют гибридную органо-неорганическую полимерную смолу. Эта жидкая смола состоит из так называемых полиэдрических олигомерных молекул силсесквиоксана (POSS), которые представляют собой небольшие молекулы диоксида кремния, снабженные органическими функциональными группами.

После сшивания материала с помощью 3D-печати с образованием 3D-наноструктуры его нагревают до 650 ° C для удаления органических компонентов. В то же время неорганические клетки POSS сливаются и образуют непрерывную микроструктуру или наноструктуру кварцевого стекла. Температура, необходимая для этой цели, составляет лишь половину температуры, необходимой для процессов, основанных на спекании наночастиц.

Стабильность конструкции в химических и термических условиях

«Более низкая температура позволяет печатать прочные стеклянные структуры оптического качества произвольной формы с разрешением, необходимым для нанофотоники видимого света, непосредственно на полупроводниковых чипах», — объясняет Бауэр. Помимо отличного оптического качества, полученное кварцевое стекло обладает отличными механическими свойствами и легко поддается обработке.

Исследователи из Карлсруэ и Ирвина использовали смолу POSS для печати различных наноструктур, включая фотонные кристаллы отдельно стоящих лучей шириной 97 нм, параболические микролинзы и многолинзовый микрообъектив с наноструктурированными элементами. «Наш процесс позволяет создавать структуры, которые остаются стабильными даже в суровых химических или термических условиях», — говорит Бауэр.

Оригинал статьи: J. Bauer et al, A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq3037 🔗