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2023 年 8 月 29 日のダイアログ

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マンギルダス・マリナウスカス著

多光子リソグラフィー (MPL) は、超短レーザー パルスを使用して、マイクロおよびナノスケールで複雑な 3 次元 (3D) 構造を作成する技術です。 これは、2 つ以上の光子が分子によって同時に吸収されるときに発生し、非線形光学プロセスが生じる多光子吸収 (MPA) の原理に基づいています。

フォトレジストやプレポリマーなどの感光性材料にレーザービームの焦点を合わせると、多光子吸収により材料の特性を変化させる局所的な化学反応が誘発されます。 レーザービームを走査したり、サンプルを 3 次元で平行移動させたりすることにより、幾何学的制約を受けることなく、高解像度かつ正確に目的の形状を製造できます。 これにより、積層造形技術としてのレーザー 3D ナノプリンティングの実現が可能になります。

MPL は、マイクロ光学、ナノフォトニクスデバイス、メタマテリアル、集積チップ、組織工学などの分野ですでに多くの応用例があります。 曲面、中空構造、機能勾配など、従来のリソグラフィー手法では実現不可能または困難な構造を作成できます。 また、光学的、機械的、生物学的特性に合わせた新しい材料の製造も可能になります。

MPL セットアップは市販されていますが、最も一般的なレーザー光源は 800 nm の波長が選択される一方で、他の一般的な 515 nm または 1,064 nm も適切であることが示されているため、光物理学的および光化学的メカニズムの理解については依然として議論の余地があります。

しかし、2 光子吸収という単一かつ最も一般的な理論を適用して、さまざまな実験条件と得られる結果をすべて説明することはできません。 この問題は、レーザー源のさらなる開発と、産業上の需要に合わせた高スループット 3D ナノプリンティング機械の構築にとって重要です。

私たちは、波長可変フェムト秒レーザーを使用した、二光子重合 (2PP) または単にレーザー 3D ナノプリンティングとしても広く知られている MPL を研究しました。 私たちは、100 fs の固定パルス幅で 500 ～ 1,200 nm のスペクトルの任意の色を使用して、単なる 2 光子光重合よりも繊細な光物理メカニズムの相互作用を達成できることを発見しました。

我々は、光増感された純粋な SZ2080 プレポリマーの有効な吸収次数、つまり X 光子の吸収と最適な露光条件を評価しました。 私たちは、波長の調整可能性が動的製造ウィンドウ (DFW) に大きく影響し、最適化すると 10 倍に増加することを発見しました。

さらに、長波長での横方向のサイズの強い増加の開始を伴うX光子の吸収による重要なエネルギー蓄積を観察し、それがイプシロンニアゼロ（ENZ）条件に達したことによるものであると説明しました。 ボクセルのアスペクト比、ひいては光重合体積のこのような制御により、3D ナノプリンティングの効率が向上する可能性があります。

また、制御された光重合につながる、1/2/3 光子吸収、アバランシェイオン化、熱拡散など、さまざまなエネルギー伝達機構を介した直接レーザー書き込み (DLW) 中の重合体積の変化も調査しました。 我々は、400〜1,200 nmの広い可視〜近赤外スペクトル範囲での超短パルスによる3Dナノリソグラフィーが、有効吸収次数によって定義される多光子励起を介して進行することを示しました。 私たちの研究は、Virtual and Physical Prototyping 誌に掲載されています。