快讯|玻璃材料的双光子3D打印

本月初，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）。

上图B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。

以上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。