Structures délicates imprimées par des scientifiques des matériaux de l'Université Rice, comme on le voit sur des images au microscope. Le frittage les transforme en verre ou en cristobalite. Crédit :Laboratoire Nanomatériaux, Nanomécanique et Nanodispositifs
Tisser des motifs microscopiques complexes de cristal ou de verre est désormais possible grâce aux ingénieurs de l'Université Rice.
Les scientifiques des matériaux de riz créent des nanostructures de silice avec une imprimante 3D sophistiquée, démontrant une méthode pour fabriquer des dispositifs électroniques, mécaniques et photoniques à micro-échelle de bas en haut. Les produits peuvent être dopés et leurs structures cristallines ajustées pour diverses applications.
L'étude dirigée par Jun Lou, professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie à la George R. Brown School of Engineering, apparaît dans Nature Materials .
L'industrie électronique repose sur le silicium, le substrat semi-conducteur de base des microprocesseurs depuis des décennies. L'étude Rice aborde les limites de la fabrication descendante en renversant le processus.
"Il est très difficile de créer des géométries complexes en trois dimensions avec des techniques de photolithographie traditionnelles", a déclaré Lou. "Ce n'est pas non plus très "vert" car cela nécessite beaucoup de produits chimiques et beaucoup d'étapes. Et même avec tous ces efforts, certaines structures sont impossibles à réaliser avec ces méthodes.
"En principe, nous pouvons imprimer des formes 3D arbitraires, ce qui pourrait être très intéressant pour fabriquer des dispositifs photoniques exotiques", a-t-il déclaré. "C'est ce que nous essayons de démontrer."
Un schéma en coupe montre le processus d'impression à deux photons pour les structures de silice avec une résolution inférieure à 200 nanomètres. Crédit :Laboratoire Nanomatériaux, Nanomécanique et Nanodispositifs
Le laboratoire utilise un processus de polymérisation à deux photons pour imprimer des structures avec des lignes de seulement quelques centaines de nanomètres de large, plus petites que la longueur d'onde de la lumière. Les lasers "écrivent" les lignes en incitant l'encre à absorber deux photons, initiant la polymérisation radicalaire du matériau.
"La polymérisation normale implique des monomères polymères et des photoinitiateurs, des molécules qui absorbent la lumière et génèrent des radicaux libres", a déclaré Boyu Zhang, étudiant diplômé de Rice et co-auteur principal, du processus qui utilise couramment la lumière ultraviolette dans l'impression 3D et pour durcir les revêtements et dans les applications dentaires.
"Dans notre processus, les photoinitiateurs absorbent deux photons en même temps, ce qui nécessite beaucoup d'énergie", a-t-il déclaré. "Seul un très petit pic de cette énergie provoque la polymérisation, et cela dans un très petit espace. C'est pourquoi ce processus nous permet d'aller au-delà de la limite de diffraction de la lumière."
Le processus d'impression a obligé le laboratoire Rice à développer une encre unique. Zhang et le co-auteur principal Xiewen Wen, un ancien élève de Rice, ont créé des résines contenant des nanosphères de dioxyde de silicium dopées avec du polyéthylène glycol pour les rendre solubles.
Après l'impression, la structure est solidifiée par frittage à haute température, ce qui élimine tout le polymère du produit, laissant du verre amorphe ou de la cristobalite polycristalline. "Lorsqu'il est chauffé, le matériau passe par des phases allant du verre au cristal, et plus la température est élevée, plus les cristaux deviennent ordonnés", a déclaré Lou.
Le laboratoire a également démontré le dopage du matériau avec divers sels de terres rares pour rendre les produits photoluminescents, une propriété importante pour les applications optiques. Le prochain objectif du laboratoire est d'affiner le processus pour atteindre une résolution inférieure à 10 nanomètres.
Les co-auteurs de l'article sont le professeur de recherche adjoint Rice Hua Guo, les chercheurs scientifiques Guanhui Gao et Xiang Zhang, l'ancien Yushun Zhao et les étudiants diplômés Qiyi Fang et Christine Nguyen; Fan Ye, ancien élève de Rice, de l'Université Tsinghua, Pékin; Shuai Yue, ancien élève de l'Université de Houston, maintenant chercheur postdoctoral à l'Académie chinoise des sciences; et Jiming Bao, professeur de génie électrique et informatique à l'Université de Houston. L'équipe utilise un processus de graphène induit par laser pour créer des motifs à l'échelle du micron dans la résine photosensible
