中国科学院物理化学研究所は、フェムト秒レーザー直接描画：マイクロナノ3Dプリント、より精密でマクロな3Dプリンティングの研究で継続的な成果を上げています。

この投稿は warrior bear によって 2022-4-27 22:01 に最後に編集されました。

出典：中国科学日報

フェムト秒レーザーは近視の治療のための眼科手術で使用されていることはよく知られていますが、それ以外にもさまざまな用途があります。フェムト秒レーザー直接描画は、効果的な三次元マイクロナノ精密加工技術として、さまざまな透明光学材料でマイクロフォトニックデバイスを作成するために使用できます。

中国科学院物理化学研究所バイオニックインテリジェントインターフェース科学センターの鄭美玲氏のチームは、これまでの研究の蓄積に基づき、最近、異なる学術誌に2つの関連する研究結果を発表し、フェムト秒レーザー直接描画技術をさらに一歩前進させました。

△フェムト秒レーザーで書き込まれた無機ナノ構造の光場分布の模式図。（鄭美玲提供）
先端材料技術: 生体模倣応答性ハイドロゲルマイクロアクチュエータ

「フェムト秒レーザー微細加工によるフライトラップにヒントを得た pH 駆動型 3D ハイドロゲルアクチュエータ」というタイトルで Advanced Materials Technology に発表された結果によると、研究チームは刺激応答性フォトレジスト前駆体を合成し、それを構造設計と組み合わせて、フェムト秒レーザー直接描画技術を使用して 4D 刺激応答性ハイドロゲル微細構造を準備しました。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1002/admt.202200276

ハイドロゲルマイクロアクチュエータは、マイクロマニピュレーション、マイクロロボティクス、マイクロ流体工学、スマートセンサーなどの分野で非常に重要です。しかし、マイクロおよびナノスケールでのハイドロゲルマイクロアクチュエータの正確な調製と制御可能な操作を実現するには、依然として大きな課題が残っています。

著者らは、刺激応答性フォトレジストを使用し、フェムト秒レーザー直接描画パラメータとレーザー処理パスを最適化することで、制御可能な応答挙動を備えた 4D ハイドロゲル微細構造を実現しました。レーザー処理パラメータを変化させてハイドロゲル微細構造の局所領域における架橋密度を調整することにより、変形時間が最短 1.2 秒、回復時間が 0.3 秒という制御可能な pH 応答挙動が得られました。

これを基に、研究者らはハエトリグサの捕獲行動にヒントを得て、pHによってトリガーされて形状変化を実現・制御し、単一または複数の微粒子を捕獲し、微粒子の同時または連続放出を制御可能にするバイオニック非対称ハイドロゲルマイクロアクチュエータを設計・加工しました。

この成果により、スマートなハイドロゲルマイクロアクチュエータを作製することが可能になりました。

Nature Communications: 近赤外光を用いた3D無機材料のフォトリソグラフィー微細加工

Nature Communications に掲載された別の記事「マルチ光子 3D リソグラフィーで実現した λ/30 無機特性」では、フェムト秒レーザー超回折ナノリソグラフィー技術を使用した 3D 無機ナノ構造の作成に関する研究でチームとそのパートナーが達成した進歩について説明しています。

△フェムト秒レーザーによるHSQの直接描画による3Dナノスケール無機構造作製の模式図。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1038/s41467-022-29036-7
レーザー3Dプリンティング技術は、3次元無機微細構造を作製するための重要な手段の1つですが、無機微細構造を作製する場合、その特性サイズと加工解像度は材料と光の回折限界によって制限されるため、ナノスケールの作製は困難です。

本研究では、研究チームはフェムト秒レーザーと物質の非線形相互作用を利用し、多光子吸収による「雪崩イオン化」効果を通じて無機フォトレジストである水素シルセスキオキサン（HSQ）のフェムト秒レーザー超回折ナノリソグラフィーを実現し、これまでの研究者らが提唱したHSQではフォトリソグラフィー微細加工に可視光と近赤外光を使用できないという制限を打ち破った。

著者らは、レーザーエネルギー、スキャン速度、スキャンモードなどの加工パラメータが特性サイズに与える影響を体系的に研究した。レーザー加工パラメータを微調整することで、自立型の33nmおよび26nm HSQナノ構造を得ることに成功し、λ/30（レーザー波長の1/30）の特性サイズを達成し、優れた耐高温性と耐溶剤性を備えた3D無機マイクロ構造を作製し、無機ナノ構造に基づくさまざまなフォトニックマイクロデバイスやバイオニックマイクロ構造を構築した。

この研究は、HSQ 微細構造に基づく新しい無機ナノデバイスの研究のための強固な基盤を築きます。

ナノエクスプレス：スケールを超えた複雑なマイクロおよびナノ構造を実現する新しいアプローチ

マイクロナノスケールの3Dプリントは、高精度であらゆる立体形状を実現できる。しかし、この技術のこれまでの最大の残念点について、鄭美玲氏は中国科学日報に「この技術は大型構造のデバイスを準備するのに非常に非効率であるため、業界ではほとんど製品が作られていない」と語った。これは、チームの現在の研究方向の1つでもある。

Nano Express が以前発表した結果、「効率的なクロススケールパターン形成のためのマスクレス光投影ナノリソグラフィーで達成された λ/12 超解像度」では、この問題点が部分的に解決されました。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00559

鄭美玲氏のチームとパートナーは、光源として波長400ナノメートルの超高速レーザーを使用し、デジタルマイクロミラーチップ（DMD）を使用してパターン化された光場を生成しました。彼らはマスクレス光投影超回折ナノリソグラフィー技術を開発し、光回折限界の制限を打ち破り、レーザー波長のわずか1/12（λ/12）である32ナノメートルのリソグラフィー線幅を達成しました。彼らは、数百マイクロメートルとナノメートルのスケールで共存するクロススケールマイクロナノ構造を効率的に作成しました。

さらに、パターン化された光場を生成するために必要なDMDをコンピュータ制御で変更することにより、さまざまなクロススケールのマイクロナノ構造パターンを簡単に作成できます。このプロセスを繰り返すだけで、多様なグラフィックスを一括して作成することもできます。

マスクレス光投影超回折ナノリソグラフィー技術は、スケールを超えた複雑なマイクロナノ構造のパターン形成に、効率的で便利な新しい技術的アプローチを提供します。電子工学、光学、生物学の分野でマイクロナノデバイスの研究開発に広く使用され、カスタマイズされたマイクロナノ構造とデバイスの低コスト、高効率、大量生産を実現することが期待されています。ジャーナルの査読者はこの技術を「真に画期的」と評した。

中国科学院物理化学研究所は、フェムト秒レーザー直接描画：マイクロナノ3Dプリント、より精密でマクロな3Dプリンティングの研究で継続的な成果を上げています。

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