La lithographie multiphotonique (MPL) est une technique qui utilise des impulsions laser ultra-courtes pour créer des structures tridimensionnelles (3D) complexes à l'échelle micro et nanométrique. Il est basé sur le principe de l'absorption multiphotonique (MPA), qui se produit lorsque deux photons ou plus sont simultanément absorbés par une molécule, ce qui entraîne un processus optique non linéaire.
En focalisant le faisceau laser sur un matériau photosensible, tel qu'une photorésiste ou un prépolymère, l'absorption multiphotonique induit une réaction chimique localisée qui modifie les propriétés du matériau. En balayant le faisceau laser et/ou en traduisant l'échantillon en trois dimensions, la forme souhaitée peut être fabriquée avec une résolution et une précision élevées sans aucune restriction géométrique. Cela permet la réalisation de la nano-impression laser 3D en tant que technique de fabrication additive.
Le MPL a déjà de nombreuses applications dans des domaines tels que la micro-optique, les dispositifs nanophotoniques, les métamatériaux, les puces intégrées et l'ingénierie tissulaire. Il peut créer des structures impossibles ou difficiles à réaliser par les méthodes de lithographie conventionnelles, telles que des surfaces courbes, des structures creuses et des dégradés fonctionnels. Cela peut également permettre la fabrication de nouveaux matériaux dotés de propriétés optiques, mécaniques et biologiques sur mesure.
Bien que les configurations MPL soient disponibles dans le commerce, la compréhension des mécanismes photophysiques et photochimiques reste controversée, car la plupart des sources laser courantes sont choisies pour avoir une longueur d'onde de 800 nm, tandis que d'autres, populaires, de 515 nm ou 1 064 nm, se sont également révélées appropriées. /P>
Cependant, la théorie unique et la plus populaire de l’absorption à deux photons ne peut pas être appliquée pour expliquer toutes les différentes conditions expérimentales et les résultats obtenus. Cette question est importante pour le développement ultérieur des sources laser et la construction de machines de nano-impression 3D à haut débit orientées vers les exigences industrielles.
Nous avons étudié la MPL, également connue sous le nom de polymérisation à deux photons (2PP) ou simplement de nano-impression 3D au laser, à l'aide d'un laser femtoseconde accordable en longueur d'onde. Nous avons découvert que nous pouvions utiliser n'importe quelle couleur du spectre de 500 à 1 200 nm avec une largeur d'impulsion fixe de 100 fs pour obtenir une interaction de mécanismes photophysiques plus délicate que la simple photopolymérisation à deux photons.
Nous avons évalué l’ordre effectif d’absorption, c’est-à-dire l’absorption des photons X, ainsi que les conditions d’exposition optimales pour le prépolymère SZ2080 photosensibilisé et pur. Nous avons découvert que l'accordabilité de la longueur d'onde influençait grandement la fenêtre de fabrication dynamique (DFW), ce qui la multipliait par 10 lorsqu'elle était optimisée.
De plus, nous avons observé un dépôt d'énergie non trivial par absorption de photons X avec l'apparition d'une forte augmentation de la taille latérale à des longueurs d'onde plus longues et avons expliqué que cela était dû à l'atteinte de conditions epsilon proches de zéro (ENZ). Un tel contrôle sur le rapport hauteur/largeur du voxel et, par conséquent, sur le volume photopolymérisé, pourrait augmenter l'efficacité de la nano-impression 3D.
Nous avons également étudié l'évolution du volume polymérisé lors de l'écriture laser directe (DLW) via différents mécanismes de délivrance d'énergie :absorption à un/deux/trois photons, ionisation par avalanche et diffusion thermique conduisant à une photo-polymérisation contrôlée. Nous avons montré que la nanolithographie 3D avec des impulsions ultra-courtes dans une large plage spectrale du visible au proche infrarouge de 400 à 1 200 nm se déroule via une excitation multiphotonique définie par un ordre d'absorption effectif. Nos recherches sont publiées dans la revue Prototypage virtuel et physique .
Nous avons noté que la taille du voxel latéral s'écartait de la courbe analytique et présentait un début d'étape distinct, plus exprimé à des longueurs d'onde plus longues et à une puissance plus élevée. Nous avons attribué cela à la formation de l'état ENZ au niveau de la région focale qui a provoqué l'absorption d'une plus grande partie de l'intensité lumineuse incidente, produisant une grande section transversale latérale d'un voxel unique photopolymérisé (caractéristique de ligne de forme déduite).
Nous avons validé notre approche dans un SZ2080 comme matériau modèle et avons suggéré qu'elle devrait être viable avec d'autres matériaux répandus tels que les photorésines IP commerciales, le PETA et d'autres matériaux réticulables. Nous avons démontré les applications de cette technique dans divers domaines tels que la micro-optique, les dispositifs nanophotoniques, les métamatériaux, les puces intégrées et l'ingénierie tissulaire.
Nous avons présenté quelques exemples d'indice de réfraction contrôlé, de transparence élevée et de composants micro-optiques résilients et actifs rendus possibles par la lithographie photonique X en combinaison avec la calcination et le dépôt de couches atomiques. Ces réalisations ont des applications immédiates dans la détection dans des conditions difficiles, dans des espaces ouverts et notamment dans les véhicules aériens sans pilote (UAV).
En perspective, nous avons encore besoin d’études plus approfondies sur le mécanisme d’accumulation de chaleur, qui dépend de la vitesse de balayage et du taux de répétition du laser, ainsi que de la taille du point focal. La longueur d'onde accordable, ainsi que la fréquence d'impulsion, la durée et le fonctionnement en mode rafale, qui deviennent une norme dans les sources laser FS commerciales, peuvent apporter d'autres améliorations.
Compte tenu de la tendance des 20 dernières années de mise à l'échelle de la loi de Moore avec une puissance moyenne du laser fs doublant tous les deux ans, les applications à haut débit bénéficieront de la nano-impression 3D avec des paramètres optimisés.
Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.
Plus d'informations : Edvinas Skliutas et al, Nanolithographie 3D à écriture directe au laser X-photon, Prototypage virtuel et physique (2023). DOI :10.1080/17452759.2023.2228324
Mangirdas Malinauskas a soutenu son doctorat. en 2010 à l'Université de Vilnius, Laser Research Center — "Laser Fabrication of Functional 3D Polymeric Micro/Nanostructures", superviseur Prof. R. Gadonas. Au cours de sa carrière, il a effectué des stages au LZH (Prof. B.N. Chichkov) et à l'IESL-FORTH (Dr. M. Farsari). En 2019-2022, il a été professeur spécialement nommé à l'Institut de technologie de Tokyo (Japon), groupe du professeur J. Morikawa. Actuellement, il étudie les principes fondamentaux de la micro-/nano-structuration laser 3D de matériaux réticulables pour des applications en micro-optique, nano-optique (photonique) et en biomédecine au VU LRC. Le financement des laboratoires est acquis via des programmes nationaux, européens et mondiaux (OTAN, US Army). Il était Optica Fellow en 2022.
