研究者らは、MEMSとマイクロロボットにメリットをもたらすナノスケール3Dプリンティングを開発

出典：サイエンスニュースエクスプレス

新しい研究によると、可視光の波長よりも細かいディテールを備えた複雑な物体を、ホログラフィックナノスケール3Dプリンターを使用して迅速に製造できるようになったという。この研究により、電子工学、フォトニクス、マイクロロボットなどに使用できるワイヤ、レンズ、回転磁気ギアなどの構造のナノテクノロジーアレイを迅速に製造できるようになる可能性がある。

現在、複雑な形状を持つナノスケールの物体を作成するための最も正確な 3D 印刷技術は、おそらく 2 光子リソグラフィーです。この方法は、1 つの光子だけではなく、2 つの光子を同時に吸収した場合にのみ硬化する液体樹脂に依存しています。これにより、わずか数十ナノメートルの大きさのピクセルの 3D 相当であるボクセルを使用してアイテムを正確に製造できるようになります。

しかし、2 光子リソグラフィーは、大規模な実用化には速度が遅く、コストが高すぎることが判明しました。このため、顕微鏡レベルのプロトタイプを作成するための高価な実験ツールとなります。

この新しい方法では、磁場を適用することで遠隔操作できる文字、数字、指輪、レンズ、歯車などの複雑な微細 3D オブジェクトを作成できます。

これまでの研究では、製造を高速化するために、2光子リソグラフィーで使用されるレーザービームを複数の焦点に分割する試みがなされてきました。ただし、この戦略では、通常、1 秒あたり約 10,000 ボクセル、1 時間あたり 0.1 立方ミリメートル未満の印刷速度しか達成できません。さらに、このアプローチでは通常、個々のレーザーの焦点を制御することができないため、非常に可変性の高い構造を生成することはできません。

しかし、新しい 2 光子リソグラフィー技術では、1 秒あたり最大 200 万ボクセル、1 時間あたり 4.5 ～ 54 立方ミリメートルの速度でナノスケールの 3D オブジェクトを印刷できます。さらに、科学者らは、この技術が最大90ナノメートルの解像度を達成したと指摘した。これは、高スループット2光子リソグラフィーにおいてこれまでに見られた最高の解像度である。さらに、研究チームの新しいプロセスでは、最大 2,000 個の個別にプログラム可能なレーザー焦点を同時に操作して複雑な構造を作製できると研究者らは付け加えている。これは、高スループットの 2 光子リソグラフィーではこれまでで最も一般的な手法である。

「スループットの向上はコストの大幅な削減を意味し、この技術はより合理的な価格と製造速度で産業規模のアプリケーションに使用できるようになりました」と香港中文大学の光学科学者、陳世志氏は述べた。

2 光子リソグラフィーで使用される樹脂を硬化するには、極めて高いレーザー強度が必要です。複数のレーザー焦点を使用すると必要なレーザー出力が増加し、2 光子リソグラフィーに通常使用されるレーザーでは 50 を超える焦点をサポートするのに必要な出力をほとんど提供できません。対照的に、新しい方法では、ピーク出力が約 10 ギガワットの近赤外線レーザーを使用します。

通常、2 光子リソグラフィーでは、ボクセルを完全に固化するために、約 10,000 個の低出力レーザーパルスを受信する焦点スポットに依存します。しかし、この新しい技術では、2光子リソグラフィーで通常使用されるレーザーよりも数十万倍から数十万倍遅い速度で発射するレーザーを使用します。これを補うために、新しい技術では、単一のパルスを使用して各ボクセルを固めます。科学者らによると、印刷品質を最適化するには感光性樹脂を徹底的に改良する必要があるという。

「我々は単一パルス露光で最高の解像度を達成した。これは、高解像度を達成するための従来の方法、すなわち低い平均電力と長い露光時間とは正反対である」と研究者らは述べた。

この新しい方法では、1秒間に100フェムト秒の長さのパルスを1,000個発射し、それがホログラムを表示するデジタルマイクロミラーデバイスから反射されます。ホログラムを使用することで、科学者は各レーザーパルスを最大 2,000 個の焦点に分割し、強度、位置、位相を個別に制御して同時に並行して操作することができます。

実験では、研究者らは、新しい方法によって、文字、数字、リング、レンズ、泡立て器のような構造など、複雑な微細な3Dオブジェクトを作成できることを示した。彼らはまた、磁場を適用することで遠隔操作できる磁気ギアも開発しました。

新しい研究では、科学者たちは、各焦点におけるレーザー出力を調整することで、11 種類の異なる強度レベルを実現できることも明らかにしました。この「グレースケールコントロール」を使用して、各ボクセルの堅牢性と機械的特性を調整できます。科学者らは、この新技術は99％以上のグレースケール制御精度を示し、並列2光子リソグラフィー技術の中で最高であると指摘した。

さらに研究者らは、この新しいアプローチにより、2光子リソグラフィーでこれまでに達成された中で最高のエネルギー効率が達成されたと報告している。他の技術では約 1.5 ～ 4 ワットの動作電力が必要ですが、新しいアプローチでは 2,000 個の焦点を動作させるのに平均 400 ミリワットの電力しか必要ありません。

ナノスケール 3D プリンティングの潜在的な用途の 1 つは、影響を与えるように設計された力の波長よりも小さいスケールで繰り返しパターンを持つ構造である超構造材料の製造です。電磁放射を操作するように設計された光学メタ構造は、予期せぬ方法で光を曲げることができ、透明マントやその他の装置につながります。

メタ構造研究における最大の課題の 1 つは、サイズが 1 マイクロメートル未満で、全体では数千倍もの大きさのサブフィーチャを含むオブジェクトを製造することです。実験では、科学者らは、新技術によって、最小700ナノメートルのサブフィーチャーを持つ68万個以上のセルで構成された、約1立方ミリメートルの大きさのグリッドを生成できることを明らかにした。

研究者たちは現在、新しい技術を使って最適な製造手順を生み出すために人工知能の利用を研究している。研究者らによると、目標は「より優れた構造的完全性、強度、均一性」を備えた製品を作ることだ。

この研究は2023年3月27日にNature Communications誌に掲載された。

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