Alliant vitesse et précision incroyable, une équipe de chercheurs a développé un moyen d'imprimer une sonde d'imagerie à l'échelle nanométrique sur la pointe d'une fibre de verre aussi fine qu'un cheveu humain, accélérer la production du nouvel appareil prometteur de plusieurs par mois à plusieurs par jour.

La technique de fabrication à haut débit ouvre la porte à l'adoption généralisée de cette structure et d'autres nano-optiques, qui compriment et manipulent la lumière d'une manière impossible à atteindre par l'optique conventionnelle. La nano-optique a le potentiel d'être utilisée pour l'imagerie, sentir, et spectroscopie, et pourrait aider les scientifiques à améliorer les cellules solaires, concevoir de meilleurs médicaments, et fabriquer des semi-conducteurs plus rapides. Un gros obstacle à l'utilisation commerciale de la technologie, cependant, est son processus de production qui prend du temps.

La nouvelle méthode de fabrication, appelée nanoimpression de fibres, pourrait débrancher ce goulot d'étranglement. Il a été développé par des scientifiques de la Molecular Foundry, situé au laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab), en partenariat avec des scientifiques de Hayward, aBeam Technologies basée en Californie. Leur recherche est publiée en ligne le 10 mai dans le journal Rapports scientifiques .

Leurs travaux s'appuient sur la sonde Campanile, qui a été développé par les scientifiques de Molecular Foundry il y a quatre ans. Son effilé, la forme à quatre côtés ressemble au sommet de la tour de l'horloge Campanile sur le campus de l'UC Berkeley. La sonde est montée au bout d'une fibre optique, et concentre un faisceau de lumière intense sur un point beaucoup plus petit que ce qui est possible avec l'optique actuelle. Cela permet une imagerie spectroscopique à une résolution 100 fois supérieure à la spectroscopie conventionnelle, qui ne cartographie que la composition chimique moyenne d'un matériau.

En revanche, la sonde Campanile peut imager la composition molécule par molécule de nanoparticules et d'autres matériaux. Les scientifiques peuvent l'utiliser pour examiner un nanofil à la recherche de défauts infimes, par exemple, menant à de nouvelles façons d'améliorer les nanofils pour une utilisation dans des cellules solaires plus efficaces.

Mais fabriquer des sondes Campanile a été à la fois scientifique et artistique. Il en va de même pour les autres dispositifs nano-optiques, tels que les lentilles microscopiques et les séparateurs de faisceau, qui divise un faisceau lumineux en plusieurs. Ces appareils nécessitent le fraisage d'une forme 3D avec des caractéristiques à l'échelle inférieure à 100 nanomètres sur la pointe d'une fibre effilée, ce qui est beaucoup plus délicat que de fabriquer une nanostructure sur une surface plane telle qu'une plaquette.

"Lorsque nous avons fabriqué la sonde Campanile pour la première fois, nous l'avons sculpté avec un faisceau d'ions comme Michel-Ange. Cela a pris environ un mois, " dit Stefano Cabrini, directeur de l'installation de nanofabrication à la fonderie moléculaire. "Ce rythme est OK pour les applications de recherche, mais l'absence d'une méthode de fabrication de masse a inhibé l'utilisation plus large des dispositifs nano-optiques. »

C'est là qu'intervient la nanoimpression par fibre. Sa première étape est la plus longue :les scientifiques créent un moule avec les dimensions précises du dispositif nano-optique qu'ils souhaitent imprimer. Pour la sonde Campanile, cela signifie un moule des caractéristiques nanométriques de la sonde, y compris les quatre côtés et l'espace lumineux de 70 nanomètres de large au sommet de la pyramide.

"Ce moule peut prendre quelques semaines à faire, mais nous n'en avons besoin que d'un, et puis nous pouvons commencer à imprimer, " explique Keiko Munechika d'aBeam Technologies, qui s'est associé à la fonderie moléculaire pour développer le processus de fabrication dans le cadre du programme de transfert de technologie des petites entreprises du ministère de l'Énergie. Plusieurs autres scientifiques d'aBeam Technologies ont contribué à ce travail, dont Alexandre Koshelev. L'entreprise commercialise maintenant divers dispositifs nano-optiques à base de fibres (voir les informations supplémentaires).

Une fois le moule créé, c'est parti pour les courses. Le moule est rempli d'une résine spéciale puis placé au sommet d'une fibre optique. La lumière infrarouge est envoyée à travers la fibre, ce qui permet aux scientifiques de mesurer l'alignement exact du moule par rapport à la fibre. Si tout s'arrange, La lumière UV est envoyée à travers la fibre, qui durcit la résine. Une dernière étape de métallisation enrobe les côtés de la sonde de couches d'or. Le résultat est une sonde Campanile imprimée rapidement et non méticuleusement sculptée.

"Nous pouvons le faire encore et encore et faire une sonde toutes les quelques minutes, " dit Munechika.

Le rythme de production plus rapide présente plusieurs avantages. Les sondes Campanile sont fragiles, et maintenant il est possible de donner aux chercheurs un lot en cas de casse. De plus, il est plus facile d'optimiser les dispositifs nano-optiques si les scientifiques sont en mesure de fournir des informations sur les performances d'un dispositif, et un lot amélioré est rapidement développé pour des tests supplémentaires. La technique de fabrication peut également être appliquée à tout dispositif nano-optique, et a jusqu'à présent été utilisé pour créer des lentilles de Fresnel et des séparateurs de faisceau en plus de la sonde Campanile.

"Au lieu de sculpter un appareil unique comme Michel-Ange, nous prenons maintenant le chef-d'œuvre original, en faire une empreinte, et créer de nombreuses répliques en succession rapide, " dit Cabrini. " C'est une nouvelle capacité que la fonderie moléculaire peut fournir à la communauté scientifique. "