3Dプリンタからナノスケールのガラスや水晶の構造を作る

ライス大学の材料科学者が印刷した繊細な構造体の顕微鏡写真。これを焼結すると、ガラスやクリストバライトになる。©Courtesy of the Nanomaterials, Nanomechanics and Nanodevices Lab ナノテクノロジー

ライス大学の技術者がエレクトロニクスやフォトニクスのためのガラスや水晶のナノ構造を作る。

水晶やガラスの複雑で微細なパターンを織り込むことが可能になりました。

ライス大学の材料科学者たちは、高性能の3Dプリンタを使ってシリカのナノ構造を作成し、マイクロスケールの電子、機械、フォトニックデバイスをボトムアップで作る方法を実証しています。

この製品は、様々な用途に合わせてドープ1結晶の物性を変化させるために少量の不純物を添加すること。したり、結晶構造を調整したりすることができる。

ジョージ・R・ブラウン工学部のJun Lou教授(材料科学・ナノエンジニアリング)が率いるこの研究は、Nature Materials誌に掲載されています。

エレクトロニクス産業は、何十年にもわたってマイクロプロセッサの基本的な半導体基板であるシリコンの上に成り立っています。

今回の研究では、このプロセスを逆手に取り、トップダウン式製造の限界に取り組んでいます。

Lou氏は、「従来のフォトリソグラフィ技術2感光性の物質を塗布した物質の表面を、パターン状に露光することで、露光された部分と露光されていない部分からなるパターンを生成する技術。主に、集積回路、プリント基板、印刷版、液晶ディスプレイパネル、プラズマディスプレイパネルなどの製造に用いられる。では、複雑な3次元形状を作るのは非常に困難でした。また、大量の化学薬品と多くの工程を必要とするため、環境に優しいとは言えません。さらに、どんなに努力しても、これらの方法では作れない構造もあります。原理的には、任意の3D形状を印刷することができます。これは、エキゾチックなフォトニックデバイスを作る上で非常に興味深いものになるでしょう。私たちはそれを実証しようとしているのです。」と述べています。

200ナノメートル以下の分解能でシリカ構造を印刷するための2光子利用印刷プロセスを示す概略図。

200ナノメートル未満の解像度のシリカ構造の2光子対応印刷プロセスを示しています。©Courtesy of the Nanomaterials, Nanomechanics and Nanodevices Lab

この研究室では、2光子重合プロセスを用いて、光の波長よりも小さい数百ナノメートルの幅の線で構造体を印刷しています。

レーザーは、インクが2つの光子を吸収するように促し、材料のフリーラジカル重合を開始することで、線を「書く」のです。

「通常の重合には、ポリマーモノマーと光重合開始剤(光を吸収してフリーラジカルを発生させる分子)が関与しています。私たちのプロセスでは、光重合開始剤が2つの光子を同時に吸収しますが、これには大きなエネルギーが必要です。このエネルギーのごくわずかなピークだけが重合を引き起こし、それも非常に小さな空間でです。だからこそ、このプロセスでは、光の回折限界を超えることができるのです。」と、ライス大学の大学院生で共同著者のBoyu Zhang氏は、3Dプリントやコーティング剤の硬化、歯科治療などに一般的に使用されているプロセスについて語っている。

この印刷プロセスでは、ライス大学の研究室が独自のインクを開発する必要がありました。

Zhang氏と共同研究者のXiewen Wen氏(ライス大学卒業生)は、二酸化ケイ素のナノ球にポリエチレングリコールを添加して可溶性にした樹脂を開発しました。

印刷後、高温焼結で構造体を固めると、製品からポリマーがすべて除去され、アモルファスガラスや多結晶クリストバライトが残ります。

「加熱すると、材料はガラスから結晶へと段階的に変化し、温度が高いほど結晶はより規則的になります。」とLou氏は述べています。

また、この材料にさまざまな希土類塩を添加することで、光学的用途に重要な特性である光輝性を持たせることにも成功しました。

研究チームの次の目標は、このプロセスを改良して10ナノメートル以下の解像度を実現することです。

この論文の共著者は、ライス大学助教授のHua Guo氏、研究員のGuanhui Gao氏とXiang Zhang氏、卒業生のYushun Zhao氏、大学院生のQiyi FangとChristine Nguyen氏、ライス大学卒業生で北京清華大学のFan Ye氏、ヒューストン大学卒業生で現在は中国科学院の博士研究員のShuai Yue氏、ヒューストン大学電気・コンピュータ工学教授のJiming Bao氏です。

共同研究者は、ライス大学の卒業生で、現在、中国・清華大学の教授であるWeipeng Wang氏、ライス大学の電気・コンピュータ工学および生物工学の准教授であるJacob Robinson氏、材料科学・ナノ工学部門の学科長であり、Benjamin M. and Mary Greenwood Anderson工学教授で化学の教授であるPulickel Ajayan氏です。

ウェルチ財団(C-1716, E-1728)が研究を支援しました。

Published by Rice University. Xiewen Wen et al, 3D-printed silica with nanoscale resolution, Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01111-2