SCRIBE: l’Innovazione nella Microstampa dall’Università dell’Illinois

Un’innovativa procedura di microstampa sviluppata dai ricercatori dell’Università dell’Illinois Urbana-Champaign. Utilizzando una tecnica chiamata litografia multifotonica, i ricercatori sono riusciti a stampare all’interno di un materiale poroso esistente con luce laser ad alta intensità, consentendo la produzione di dispositivi ottici personalizzati su piccola scala. Il metodo, chiamato SCRIBE (Indice di Rifrazione Controllabile Sotto la Superficie Tramite Esposizione al Raggio), è stato ulteriormente perfezionato per offrire un controllo più stretto sui dispositivi risultanti. La ricerca ha dimostrato notevoli miglioramenti nell’efficienza e nell’uniformità del colore dei dispositivi fabbricati, aprendo la strada a nuove opportunità nel design di elementi ottici. L’articolo esplora in dettaglio i progressi fatti e le implicazioni future di questa tecnologia rivoluzionaria.

La nuova procedura consente la microstampa all’interno di materiali esistenti con maggiore precisione 

Le stampanti 3D formano oggetti sovrapponendo plastica fusa o metallo, ma questo funziona solo su larga scala. Di cosa hai bisogno per fabbricare microdispositivi per i quali la fase di stratificazione non è fattibile? E se fosse possibile stampare direttamente nella massa di un materiale tridimensionale esistente?

I gruppi di ricerca di Lynford Goddard e Paul Braun, professori all’Università dell’Illinois Urbana-Champaign, hanno collaborato per sviluppare un tale processo. Usano la tecnica della litografia multifotonica per stampare all’interno di un materiale poroso esistente con luce laser ad alta intensità. Ciò consente ai ricercatori di modificare selettivamente le regioni dell’interno e di produrre dispositivi ottici personalizzati su piccola scala in una procedura chiamata indice di rifrazione controllabile sotto la superficie tramite esposizione al raggio o SCRIBE. I due gruppi di ricerca hanno recentemente annunciato un perfezionamento di questa procedura che offre loro un controllo significativamente più stretto sui dispositivi risultanti. La nuova procedura è stata recentemente pubblicata su ACS Photonics.

“Siamo stati in grado di mostrare un miglioramento da una linea di base del 36% a un nuovo valore del 49% nell’efficienza delle lenti fabbricate e un netto miglioramento dell’uniformità del colore risultante dai reticoli di linee 2D che abbiamo realizzato”, ha dichiarato Alexander Littlefield, a studente laureato nel gruppo di Goddard e autore principale dello studio. “Riteniamo che questa nuova tecnica aprirà le porte a una vasta gamma di design di elementi ottici”.

SCRIBE è una forma di litografia multifotonica che dipende da un meccanismo chiamato assorbimento a due fotoni. I ricercatori usano il silicio che è stato inciso per avere pori microscopici e ossidato in silice trasparente. Quindi lo riempiono con un materiale chiamato fotoresist, che può subire un processo chimico mediante il quale cambia le sue proprietà ottiche solo quando assorbe due fotoni contemporaneamente, un processo piuttosto raro a meno che non venga utilizzata una luce molto intensa. I ricercatori ne approfittano focalizzando la luce laser per creare intensità elevate solo in regioni specifiche. Ciò consente loro di creare progetti personalizzati per le proprietà ottiche del materiale in tre dimensioni per “scrivere” i componenti ottici.

Le versioni precedenti di SCRIBE erano limitate dal controllo imperfetto dell’intensità del laser. Per risolvere questo problema, i ricercatori presentano tre miglioramenti alla tecnica nel loro articolo. Innanzitutto, utilizzano un sistema di imaging a fluorescenza a due fotoni per mappare la densità del fotoresist e correggere la potenza del laser necessaria per il risultato desiderato. In secondo luogo, appianano gli errori che sono particolarmente evidenti vicino al limite di scrittura modulando la posizione del materiale mentre il laser scrive. Infine, introducono un ritardo temporale tra le esposizioni laser per ridurre al minimo gli effetti dipendenti dal tempo nell’interazione del fotoresist.

Incorporando questi tre miglioramenti, i ricercatori hanno ottenuto un controllo più stretto sui loro dispositivi modellati, ottenendo componenti fabbricati in modo più preciso che sono molto più efficaci. Per dimostrare la versatilità del loro metodo, hanno fabbricato un dispositivo ottico di 100 x 100 micrometri che altera la luce per formare modelli di colore specifici, un reticolo di linee, che riproduce la forma e i colori del logo UIUC (vedi figura).

“Il nostro lavoro mostra che la litografia multifotonica può ora fabbricare accuratamente componenti ottici in microscala con nuove capacità che non esistono ancora per altri metodi di fabbricazione”, ha affermato Goddard.

Goddard è professore di ingegneria elettrica e informatica e Braun è professore di scienza e ingegneria dei materiali. Oltre a Littlefield, hanno contribuito a questo lavoro gli studenti laureati Lawrence Ju, Jingxing Gao e Lonna Edwards del gruppo di Goddard e Dajie Xie, Corey Richards e Christian Ocier del gruppo di Braun, nonché gli studenti universitari Haibo Gao e Jonah Messinger. Il personale di ricerca sia dell’UIUC che dell’Università dell’Illinois di Chicago ha assistito agli esperimenti, inclusi ma non limitati a Jeff Grau, Austin Cyphersmith, Anuj Singhal e Seyoung An.

Questo lavoro è stato sostenuto in parte da sovvenzioni del Grainger College of Engineering dell’UIUC, della National Science Foundation e del Department of Energy. Le borse di studio sono state sostenute dal Dipartimento della Difesa e dall’UIUC.