纳米材料:无需烧结的3D打印透明石英玻璃

行业资讯12个月前发布 深山闲士
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卡尔斯鲁厄理工学院 ( KIT) 开发的程序。混合有机-无机聚合物树脂用作二氧化硅 3D 打印的起始材料。由于该过程不需要烧结,因此所需的温度要低得多。同时,更高的分辨率使可见光的纳米光子学成为可能。研究小组在《科学》杂志上发表了报告。(DOI: 10.1126/science.abq3037)

纳米材料:无需烧结的3D打印透明石英玻璃

以微米和纳米精细结构打印由纯二氧化硅制成的石英玻璃,为光学、光子学和半导体技术的许多应用开辟了新的可能性。然而,直到现在,基于传统烧结的技术仍占主导地位。烧结二氧化硅纳米粒子所需的温度超过 1,100 摄氏度——对于直接沉积在半导体芯片上来说太热了。由博士领导的研究团队 来自 KIT 纳米技术研究所 (INT) 的 Jens Bauer 现在开发了一种新工艺,可以在显着降低的温度下生产具有高分辨率和出色机械性能的透明石英玻璃

杂化有机-无机聚合物树脂作为起始材料
领导 KIT 的 Emmy Noether 初级研究小组“Nanoarchitected Metamaterials”的 Bauer 和他来自加州大学欧文分校和尔湾医疗技术公司 Edwards Lifesciences 的同事在《科学》杂志上介绍了这种方法。一种专门开发的杂化有机-无机聚合物树脂用作起始材料。这种液体树脂由所谓的多面体低聚倍半硅氧烷分子 (POSS) 组成:微小的笼状二氧化硅分子配备有机官能团。

一旦形成,完全 3D 打印和网络化的纳米结构在空气中被加热到 650 摄氏度的温度。在此过程中,有机成分被排出,同时无机 POSS 笼结合,形成连续的熔融二氧化硅微结构或纳米结构。所需温度仅为基于纳米颗粒烧结工艺的一半。

结构甚至可以承受恶劣的化学和热条件
“较低的温度使得可以将坚固、透明和自由形式的光学玻璃结构直接打印到半导体芯片上,并具有可见光纳米光子学所需的分辨率,”鲍尔解释道。以这种方式生产的石英玻璃除了具有优异的光学质量外,还具有优异的机械性能并且易于加工。

来自卡尔斯鲁厄和欧文的团队使用 POSS 树脂打印了许多不同的纳米级结构,包括由独立的 97 纳米光束组成的光子晶体、抛物面微透镜和具有纳米结构元件的多透镜微透镜。“我们的工艺使结构能够承受困难的化学或热条件,”鲍尔解释道。

“由 Jens Bauer 领导的 INT 小组属于 3DMM2O 卓越集群,”KIT 研究副总裁 Oliver Kraft 教授说。“现在发表在《科学》杂志上的研究结果只是集群内持续提拔年轻人才的一个例子。”“3D Matter Made to Order”卓越集群,简称 3DMM2O,是 KIT 和海德堡的联合集群大学,是自然科学与工程科学相结合的一门学科交叉性很强的学科。他的目标是将 3D 增材制造工艺提升到一个新的水平——从分子水平到宏观维度。

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