マイクロナノ光硬化3Dプリントの速度が1000倍に、科学：フェムト秒投影2光子リソグラフィー技術

南極熊紹介：2019年10月、マイクロナノ光硬化3Dプリントが1,000倍加速され、フェムト秒投影2光子リソグラフィー技術が『サイエンス』誌に掲載されました。

付加製造では、高強度の光の単一点（通常は直径約 700 ～ 800 ナノメートル）を使用して、フォトポリマー材料を液体から固体に変換します。ポイントは製造する構造全体をスキャンする必要があるため、既存の TPL テクノロジでは複雑な 3D 構造を生成するのに何時間もかかることがあり、実際のアプリケーション向けにスケールアップする能力が制限されます。
△ 3D空間で複数の投影を重ね合わせることで生成される、積み重ねられたナノスケールの3Dリング構造。この高度に解像度の高いナノスケール 3D 印刷技術により、任意の複雑な 3D 構造を生成できます。

「一点の光を使う代わりに、百万点を同時に投影することができます。構造を作るためにスキャンしなければならない一点を使う代わりに、平面全体を使えるので、速度が大幅に上がります。投影された光を一点に集中させる代わりに、焦点を合わせた平面全体を任意の構造にパターン化することができます」と、米国カリフォルニア州のローレンス・リバモア国立研究所の Sourabh Saha 氏は言います。この技術は、実は私たちがよく知っている 3D プリント技術の中でも、DLP 表面露光 3D プリント技術です。

米国カリフォルニア州ローレンス・リバモア国立研究所のSourabh K. Saha氏と香港中文大学のShih-Chi Chen氏は、超高速レーザーを使用してサブミクロン構造を印刷する技術を提案した。 2D 焦点面を投影して 3D モデルを構築します。このアプローチにより、解像度を犠牲にすることなく、従来の方法の収量が 3 桁向上します。従来の TPL 方式では数時間かかる構造を、わずか 8 分で印刷することが可能です。関連論文は、「スケーラブルなサブマイクロメートル積層造形」というタイトルで Science に掲載されました。

研究者たちは、ナノスケールの 3D 構造を作成するために使用される 2 光子リソグラフィープロセスを高速化するために何年も取り組んできました。彼らの成功は、光の焦点を合わせるための異なるアプローチを採用し、その時間領域特性を活用することで、高解像度で微細な特徴を持つ極薄の光シートの生成を可能にしたことから生まれました。フェムト秒レーザーを使用すると、スポットサイズを小さく保ちながら、2光子プロセス重合をトリガーするのに十分な光強度を維持できます。 FP-TPL テクノロジーでは、フェムト秒パルスが光学系を通過するときに伸張および圧縮され、時間的な焦点合わせが実現されます。このプロセスでは、回折限界の焦点スポットよりも小さい 3D フィーチャを生成でき、液体の前駆体分子に 2 つの光子を同時に当てる必要があります。

FP-TPL の単層容量処理速度は、既存の TPL 技術の速度を少なくとも 3 桁上回ります。当社の 3D 印刷速度は、既存の最速 TPL 技術を上回り、多孔質構造では 90 倍、非多孔質構造では 450 倍を超えます。 FP-TPL 方式は、複雑な 3D サブミクロンの特徴構造パターンを印刷できます。 FP-TPL は高い軸方向分解能を実現できます。 FP-TPL が従来の手法より優れているもう 1 つの利点は、区分線形パスの離散近似中にセグメント化された加速と減速を必要とせずに曲線を印刷できることです (図 2E)。これにより、印刷効率が大幅に向上します。また、90° のオーバーハングを持つ長い吊り橋構造の印刷も可能になります (図 2G)。 FP-TPL の印刷量、解像度、パターンの柔軟性により、マイクロ構造やナノ構造のバッチ製造に魅力的な技術となり、機械および光学メタマテリアル、マイクロ光学、バイオスキャフォールド、電気化学インターフェース、フレキシブルエレクトロニクスなどの用途が期待されています。実用的な応用が可能な革新的な技術です。

△時空間フォーカスに基づくフェムト秒レーザー投影TPL。 (A) 3D プリント用デジタルマスクを使用したサブミクロンレベルでの層ごとの投影。 (B) 製造装置の概略図。マイクロミラーアレイの画像を感光性ポリマーに投影します。フェムト秒レーザーを集中させることで生成される大きな強度勾配により、印刷を 1 mm 未満の厚さの層に制限することが可能になります。 L1 はコリメートレンズを指し、L2 は対物レンズを指します。フェムト秒パルスは光学システムを通過する際に引き伸ばされ、圧縮されます。マイクロミラーアレイはフェムト秒パルスの異なる波長をスペクトル的に分離して引き伸ばし、対物レンズは時間領域でパルスを焦点合わせます。マイクロミラーアレイL1およびL2は、4fと同様の光学配置で配置されており、マイクロミラーアレイと対物レンズL2の焦点面との間ですべての波長の光路長が等しくなるようにするが、他の点との間では異なる波長の光路長が等しくならないようになっている。 (C) 対物レンズの焦点距離における時間的焦点合わせの拡大図。最短パルスは焦点面でのみ形成されます。

△ フェムト秒投影 TPL による複雑なサブミクロン解像度の 3D 構造の印刷。 (A ～ C) 米国の硬貨の上部反射面にある、サブマイクロメートルスケールの特徴を持つミリメートルスケールの構造。 2.20 mm × 2.20 mm × 0.25 mm の直方体が 8 分 20 秒で印刷され、3D 印刷速度は 8.7 mm3/時間であることが実証されました。従来の技術では、この直方体を印刷するには数時間かかります。 (D) 2D レイヤーを積み重ねて印刷された 3D マイクロピラー。商用グレードの印刷均一性を実証しています。 (E および F) 印刷されたらせん構造の単層の投影。数ミリ秒以内に曲線構造を高速印刷する能力を示しています。 (G ～ J) 張り出した 3D 構造の複数の 2D 投影をつなぎ合わせることで、深度分解された特徴を印刷する機能のデモンストレーション。 (G) のブリッジ構造は 90° のオーバーハング角度を持ち、従来の TPL 技術やその他の技術を使用して正確に印刷することは困難です。

△ 印刷されたナノワイヤは、FP-TPL のナノスケールの解像度を実証します。異なる条件下で印刷されたナノワイヤの (A) 幅 (横方向) と (B) 高さ (軸方向)。投影された DMD パターンの線の幅は 30 ピクセルの固定周期で 3 ピクセルから 6 ピクセルまで変化しました。各ピクセル (px) は、投影された画像内の 151 nm にマッピングされます。 HP、MP、LP はそれぞれ、高 (42 nW/px)、中 (39 nW/px)、低 (35 nW/px) の平均電力を表します。特定のマーカーの形状は同じ電力レベルで生成されたデータポイントを表し、特定の色は同じ線幅を表します。印刷は、中心波長 800 nm、公称パルス幅 35 fs、開口数 60 × 1.25 のフェムト秒レーザーを使用して実行されました。 (C および D) ナノワイヤの走査型電子顕微鏡画像。

△FP-TPLと従来のTPLの速度と解像度の比較

オリジナル論文 https://science.sciencemag.org/content/366/6461/105
コンテンツの一部は「Frontiers of Polymer Science」から翻訳されています。

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