焼結を行わないガラスの三次元印刷

純粋な二酸化ケイ素からマイクロおよびナノメートルスケールの石英ガラス構造を印刷すると、光学、フォトニクス、半導体技術における多くの新しい用途が開かれます。 これまでのプロセスは従来の焼結に基づいていました。 二酸化ケイ素ナノ粒子の焼結に必要な温度は 1,100°C 以上ですが、これは半導体チップ上に直接堆積するには高すぎます。 KIT ナノテクノロジー研究所 (INT) のイェンス・バウアー博士が率いるチーム新しいプロセスを開発しましたはるかに低い温度で高解像度と優れた機械的特性を備えた透明な石英ガラスを製造します。

KITのエミー・ネーター・ジュニア研究グループ「ナノアーキテクト・メタマテリアル」を率いるバウアー氏と、カリフォルニア大学アーバイン校およびアーバインのエドワーズ・ライフサイエンス社の同僚らが、このプロセスをサイエンス誌に発表した。 有機無機ハイブリッドポリマー樹脂を原料として使用しています。 この液体樹脂は、いわゆる多面体オリゴマー シルセスキオキサン (POSS) 分子で構成されています。POSS は、有機官能基を備えた小さなかご状の二酸化ケイ素分子です。

3D プリンティングによって材料を架橋結合させて 3D ナノ構造を形成した後、空気中で 650°C に加熱して有機成分を除去します。 同時に、無機 POSS ケージが合体して、連続的な石英ガラスの微細構造またはナノ構造を形成します。 この目的に必要な温度は、ナノ粒子の焼結に基づくプロセスに必要な温度のわずか半分です。

「温度が低いため、可視光ナノフォトニクスに必要な解像度を備えた堅牢な光学グレードのガラス構造を、半導体チップ上に直接自由形式で印刷することが可能になります」とバウアー氏は説明する。 製造される石英ガラスは、優れた光学的品質とは別に、優れた機械的特性を備えており、容易に加工できます。

カールスルーエとアーバインの研究者らは、POSS 樹脂を使用して、自立型の幅 97 nm ビームのフォトニック結晶、放物線マイクロレンズ、ナノ構造要素を備えたマルチレンズマイクロ対物レンズなど、さまざまなナノ構造を印刷しました。 「私たちのプロセスは、過酷な化学的または熱的条件下でも安定した構造を生成します」とバウアー氏は言います。

「イェンス バウアー氏が率いる INT グループは、3DMM2O Cluster of Excellence と連携しています」と KIT の研究担当副社長であるオリバー クラフト教授は述べています。 「現在サイエンス誌に掲載されている研究結果は、初期段階の研究者がクラスター内でどのようにうまくサポートされているかを示す一例にすぎません。」 3D Matter Made to Order、略して 3DMM2O は、KIT とハイデルベルク大学による共同の Cluster of Excellence です。 自然科学と工学を融合させた学際性の高いアプローチを追求します。 3D 積層造形を分子レベルから巨視的次元まで次のレベルに引き上げることを目的としています。

- このプレスリリースはもともとカールスルーエ工科大学のウェブサイトに掲載されたものです