ลิโทกราฟีแบบมัลติโฟตอน
การพิมพ์หินด้วยโฟตอนหลายตัว (หรือที่รู้จักกันในชื่อการพิมพ์หินด้วยเลเซอร์โดยตรงหรือการเขียนด้วยเลเซอร์ โดยตรง ) คล้ายกับ เทคนิค การพิมพ์หินด้วยแสงแบบมาตรฐาน โดยการสร้างโครงสร้างจะทำได้โดยการฉายแสงไปยังโฟโตเรซิสต์แบบเนกาทีฟโทนหรือโพซิ ทีฟโทน ด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นที่กำหนดไว้อย่างดี ความแตกต่างหลักคือการหลีกเลี่ยงการใช้โฟโตมาสก์แต่ จะใช้ การดูดซับโฟตอนสองตัวเพื่อเหนี่ยวนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความสามารถในการละลายของเรซิสต์สำหรับตัวพัฒนาที่เหมาะสมหลักการต่างๆ ได้รับการอธิบายอย่างละเอียดในเอกสารแนะนำฉบับล่าสุดที่ครอบคลุมพื้นฐานทั้งหมด การนำไปใช้ทางเทคนิคจริง การใช้งานที่หลากหลาย และแนวโน้มในอนาคต[ 1 ]
ดังนั้น การพิมพ์หินด้วยโฟตอนหลายตัว (multiphoton lithography) จึงเป็นเทคนิคสำหรับการสร้างลวดลายขนาดเล็กใน วัสดุ ไวแสงโดยไม่ต้องใช้เลเซอร์เอ็กไซเมอร์หรือหน้ากากแสงวิธีนี้อาศัยกระบวนการดูดซับโฟตอนหลายตัวในวัสดุที่โปร่งใสที่ความยาวคลื่นของเลเซอร์ที่ใช้ในการสร้างลวดลาย โดยการสแกนและปรับเลเซอร์อย่างเหมาะสม จะเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี (โดยปกติคือการเกิดพอลิเมอร์ ) ที่จุดโฟกัสของเลเซอร์ และสามารถควบคุมเพื่อสร้างลวดลายสามมิติแบบใดก็ได้ วิธีนี้ถูกนำมาใช้สำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของโครงสร้างที่มีรายละเอียดละเอียด
การดูดกลืนโฟตอนสองตัว (TPA) เป็นอันดับสามเมื่อเทียบกับค่าสัมประสิทธิ์ความไวต่อแสงอันดับสามและเป็นกระบวนการลำดับที่สองเมื่อเทียบกับความเข้มของแสงด้วยเหตุนี้จึงเป็นกระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งอ่อนกว่าการดูดซับเชิงเส้นหลายลำดับขนาดดังนั้นจึงต้องใช้ความเข้มของแสงสูงมากเพื่อเพิ่มจำนวนเหตุการณ์ที่หายากดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสอย่างแน่นหนาจะให้ความเข้มที่ต้องการ ในที่นี้ แหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบพัลส์ที่มีความกว้างของพัลส์ประมาณ 100 fs [ 2 ]เป็นที่นิยม เนื่องจากให้พัลส์ที่มีความเข้มสูงในขณะที่สะสมพลังงานเฉลี่ยค่อนข้างต่ำ เพื่อให้สามารถสร้างโครงสร้าง 3 มิติได้ แหล่งกำเนิดแสงจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมกับโฟโตเรซินเหลวอย่างเหมาะสมเพื่อให้การดูดซับโฟตอนเดี่ยวถูกยับยั้งอย่างมากดังนั้น TPA จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างรูปทรงเรขาคณิตที่ซับซ้อนด้วยความละเอียดสูงและความแม่นยำของรูปร่าง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด โฟโตเรซินควรโปร่งใสต่อความยาวคลื่นกระตุ้น λ ซึ่งอยู่ระหว่าง 500-1000 นาโนเมตร และในขณะเดียวกันก็ดูดซับในช่วง λ/2 [ 3 ]ด้วยเหตุนี้ ตัวอย่างที่กำหนดซึ่งสัมพันธ์กับลำแสงเลเซอร์ที่โฟกัสจึงสามารถสแกนได้ในขณะที่เปลี่ยนความสามารถในการละลายของสารต้านทานได้เฉพาะในปริมาตรที่จำกัดเท่านั้น รูปทรงเรขาคณิตของปริมาตรดังกล่าวขึ้นอยู่กับพื้นผิวที่มีความเข้มเท่ากันของจุดโฟกัสเป็นหลัก กล่าวคือ บริเวณของลำแสงเลเซอร์ที่เกินเกณฑ์การเปิดรับแสงที่กำหนดของตัวกลางไวแสงจะกำหนดหน่วยพื้นฐานที่เรียกว่าvoxel voxel จึงเป็นปริมาตรเดี่ยวที่เล็กที่สุดของโฟโตพอลิเมอร์ที่ผ่านการบ่มแล้ว voxel เป็นหน่วยพื้นฐานของวัตถุที่พิมพ์แบบ 3 มิติ พารามิเตอร์อื่นๆ ที่มีอิทธิพลต่อรูปร่างที่แท้จริงของ voxel คือ โหมดเลเซอร์และความไม่ตรงกันของดัชนีหักเหระหว่างสารต้านทานและระบบการจุ่ม ซึ่งนำไปสู่ความคลาดเคลื่อนทรงกลม
พบว่าเอฟเฟกต์โพลาไรเซชันในเลเซอร์ 3D นาโนลิโทกราฟีสามารถนำมาใช้เพื่อปรับขนาดของคุณลักษณะ (และอัตราส่วนความกว้างต่อความสูงที่สอดคล้องกัน) ในการสร้างโครงสร้างของโฟโตเรซิสต์ได้ ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าโพลาไรเซชันเป็นพารามิเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงได้ นอกเหนือจากกำลังเลเซอร์ (ความเข้ม) ความเร็วในการสแกน (ระยะเวลาการเปิดรับแสง) ปริมาณสะสม ฯลฯ เมื่อไม่นานมานี้ ได้มีการแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาโฟโตพอลิเมอไรเซชันแบบจำกัดสามารถเกิดขึ้นได้จากความยาวคลื่นต่างๆ ไม่ว่าจะเป็นผ่านกลไกการดูดซับโฟตอน 2, 3 หรือแม้แต่ 4 โฟตอน ด้วยเหตุนี้จึงสามารถเรียกว่า X-โฟตอน 3D ลิโทกราฟี โดยที่ x คือจำนวนโฟตอนที่จำเป็นต้องดูดซับเมื่อใช้พัลส์เฟมโตวินาทีจนถึงความเข้มแสงที่กำหนด [ 4 ]
นอกจากนี้ ยังสามารถใช้ไบโอเรซินบริสุทธิ์ที่มาจากพืชหมุนเวียนได้โดยไม่ต้องใช้สารไวแสงเพิ่มเติมสำหรับการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วด้วยแสง[ 5 ]
วัสดุสำหรับการพอลิเมอไรเซชันแบบมัลติโฟตอน
วัสดุที่ใช้ในการพิมพ์หินด้วยแสงหลายโฟตอนเป็นวัสดุที่ใช้กันโดยทั่วไปในเทคนิคการพิมพ์หินด้วยแสงแบบดั้งเดิม สามารถพบได้ในสถานะของเหลวหนืด เจล หรือของแข็ง ขึ้นอยู่กับความต้องการในการผลิต เรซินเหลวหมายถึงกระบวนการยึดตัวอย่างที่ซับซ้อนมากขึ้นในระหว่างขั้นตอนการผลิต ในขณะที่การเตรียมเรซินเองอาจง่ายและเร็วกว่า ในทางตรงกันข้าม เรซินแข็งสามารถจัดการได้ง่ายกว่า แต่ต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อนและใช้เวลานาน[ 6 ]เรซินมักประกอบด้วยพรีพอลิเมอร์ ( โมโนเมอร์ ) และเมื่อพิจารณาถึงการใช้งานขั้นสุดท้าย จะมีโฟโตอินิซิเอเตอร์ด้วย นอกจากนี้ เรายังสามารถพบสารยับยั้ง การเกิดพอลิเม อร์ (มีประโยชน์ในการทำให้เรซินคงตัวและลดว็อกเซลที่ได้) ตัวทำละลาย (ซึ่งอาจช่วยลดความซับซ้อนของขั้นตอนการหล่อ) สารเพิ่มความหนืด (ที่เรียกว่า"ฟิลเลอร์" ) และสารเติมแต่งอื่นๆ (เช่น เม็ดสี เป็นต้น) ซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มฟังก์ชันให้กับโฟโตพอลิเมอร์
อะคริเลต
อะคริเลตเป็นส่วนประกอบของเรซินที่แพร่หลายที่สุด สามารถพบได้ในกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีแบบดั้งเดิมหลายกระบวนการซึ่งเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาอนุมูลอิสระ อะคริเลตมีการแพร่หลายและวางจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภทที่มีคุณสมบัติและองค์ประกอบที่แตกต่างกัน ข้อดีหลักของเรซินเหลวชนิดนี้คือคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมและปฏิกิริยาที่สูง อะคริเลตมีการหดตัวมากกว่าอีพ็อกซี เล็กน้อย แต่ความสามารถในการทำซ้ำอย่างรวดเร็วช่วยให้สามารถปรับให้เข้ากับการออกแบบได้อย่างใกล้ชิด นอกจากนี้ อะคริเลตยังช่วยเพิ่มความสะดวกในการใช้งาน เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้การเคลือบแบบหมุนหรือการอบ ในระหว่างกระบวนการ และสุดท้าย ขั้นตอนการพอลิเมอไรเซชันจะเร็วกว่าโฟโตพอลิเมอร์ชนิดอื่น[ 6 ]เมทาคริเลตมีการแพร่หลายอย่างมากเนื่องจากความเข้ากันได้ทางชีวภาพ วัสดุส่วนใหญ่สำหรับการพอลิเมอไรเซชันแบบสองโฟตอนจัดหาโดยบริษัทที่จัดหาเครื่องพิมพ์ด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม มีเรซินจากบุคคลที่สาม เช่น ORMOCER [ 7 ]ควบคู่ไปกับเรซินที่ผลิตเองจำนวนมาก
เรซินอีพ็อกซี
เรซินเหล่านี้เป็นเรซินที่ใช้กันมากที่สุดใน สาขา MEMSและไมโครฟลูอิดิกส์โดยใช้ประโยชน์จากการพอลิเมอไรเซชันแบบแคตไอออนิก เรซินอีพ็อกซีที่รู้จักกันดีที่สุดตัวหนึ่งคือ SU-8 [ 8 ] ซึ่งช่วยให้สามารถตกตะกอนฟิล์มบาง (สูงสุด 500 μm) และการพอลิเมอไรเซชันของโครงสร้างที่มีอัตราส่วนความ สูงต่อความกว้างสูง เราสามารถพบเรซินอีพ็อกซีอื่นๆ อีกมากมาย เช่น SCR-701 ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในวัตถุเคลื่อนที่ขนาดเล็ก[ 9 ]และ SCR-500
แก้ว/เซรามิกอนินทรีย์
แก้วและเซรามิกอนินทรีย์มีเสถียรภาพทางความร้อนและเคมีที่ดีกว่าโฟโตพอลิเมอร์ และยังมีความทนทานที่ดีขึ้นเนื่องจากมีความต้านทานต่อการกัดกร่อน การเสื่อมสภาพ และการสึกหรอสูง[ 10 ]ดังนั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาจึงมีความสนใจอย่างต่อเนื่องในการพัฒนาเรซินและเทคนิคที่ช่วยให้สามารถใช้การพิมพ์แบบมัลติโฟตอนลิโทกราฟีสำหรับการพิมพ์ 3 มิติของแก้วและเซรามิก มีการแสดงให้เห็นว่าการใช้เรซินไฮบริดอนินทรีย์-อินทรีย์และการบำบัดด้วยความร้อนที่อุณหภูมิสูง สามารถทำให้ได้การพิมพ์ 3 มิติของแก้วเซรามิกที่มีความละเอียดระดับไมโครเมตรย่อย[ 11 ] [ 12 ]เมื่อเร็วๆ นี้ ยังมีการแสดงให้เห็นถึงการพิมพ์แบบมัลติโฟตอนลิโทกราฟีของเรซินอนินทรีย์ทั้งหมดสำหรับการพิมพ์ 3 มิติของแก้วโดยไม่ต้องใช้การบำบัดด้วยความร้อน[ 13 ]ทำให้สามารถพิมพ์ไมโครออปติกแก้ว 3 มิติบนปลายของใยแก้วนำแสงได้โดยไม่ทำให้ใยแก้วนำแสงเสียหาย[ 14 ]
แอปพลิเคชัน
ปัจจุบัน อุปกรณ์โครงสร้างขนาดเล็กที่สร้างขึ้นโดยกระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบมัลติโฟตอน มี การ ประยุกต์ใช้ในหลาย สาขาเช่นเวชศาสตร์ฟื้นฟูวิศวกรรมชีวการแพทย์กลศาสตร์ขนาดเล็กการไหลของของเหลวในระดับจุลภาค กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทัศนศาสตร์และวิทยาศาสตร์โทรคมนาคม
เวชศาสตร์ฟื้นฟูและวิศวกรรมชีวการแพทย์
ด้วยการมาถึงของโฟโตพอลิเมอร์ที่เข้ากันได้ทางชีวภาพ (เช่น SZ2080 และ OMOCERs) ทำให้มีการสร้างโครงสร้างรองรับจำนวนมากโดยใช้ลิโทกราฟีแบบมัลติโฟตอน ซึ่งมีความแตกต่างกันในพารามิเตอร์ที่สำคัญ เช่น รูปทรง ความพรุน และมิติ เพื่อควบคุมและปรับสภาพสัญญาณพื้นฐานใน การเพาะเลี้ยงเซลล์ ในหลอดทดลองใน เชิงกลไกและ เคมี ได้แก่ การเคลื่อนที่ การยึดเกาะ การเพิ่มจำนวน และการแยกตัว ความสามารถในการสร้างโครงสร้างที่มีขนาดเล็กกว่าขนาดของเซลล์ได้พัฒนาสาขาชีวกลศาสตร์อย่างมาก ทำให้สามารถรวมสัญญาณทางกลเข้ากับสภาพแวดล้อมจุลภาคของเซลล์ได้โดยตรง[ 15 ]การประยุกต์ใช้ขั้นสุดท้ายมีตั้งแต่การรักษาสภาพความเป็นสเต็มเซลล์ในสเต็มเซลล์มีเซนไคม์ของผู้ใหญ่ เช่น ในโครงสร้างรองรับ NICHOID [ 16 ]ซึ่งเลียน แบบสภาพแวดล้อมทางสรีรวิทยา ในหลอดทดลองไปจนถึงการสร้างโครงสร้างรองรับที่ออกแบบมาเพื่อการเคลื่อนที่
กลศาสตร์ระดับจุลภาคและของเหลวระดับจุลภาค
การพอลิเมอไรเซชันแบบมัลติโฟตอนเหมาะสมสำหรับการสร้างอุปกรณ์ขนาดเล็กแบบแอคทีฟ (เช่น ปั๊ม) หรือแบบพาสซีฟ (เช่น ตัวกรอง) ที่สามารถรวมเข้ากับLab-on-a-chipได้ อุปกรณ์เหล่านี้สามารถใช้งานได้อย่างกว้างขวางร่วมกับไมโครแชนเนล โดยมีข้อดีคือสามารถพอลิเมอไรซ์ในแชนเนลที่ปิดผนึกไว้ล่วงหน้าได้ สำหรับตัวกรองนั้น สามารถใช้แยกพลาสมาออกจากเซลล์เม็ดเลือดแดง แยกกลุ่มเซลล์ (โดยสัมพันธ์กับขนาดของเซลล์เดี่ยว) หรือโดยพื้นฐานแล้วใช้กรองสารละลายจากสิ่งเจือปนและเศษต่างๆ ตัวกรอง 3 มิติแบบมีรูพรุน ซึ่งสามารถผลิตได้ด้วยเทคโนโลยี 2PP เท่านั้น มีข้อดีที่สำคัญสองประการเมื่อเทียบกับตัวกรองที่ใช้เสา 2 มิติ ประการแรก ตัวกรอง 3 มิติมีความต้านทานเชิงกลต่อแรงเฉือน เพิ่มขึ้น ทำให้มีอัตราส่วนช่องว่างสูงขึ้นและจึงมีประสิทธิภาพการทำงานมากขึ้น ประการที่สอง ตัวกรองรูพรุน 3 มิติสามารถกรององค์ประกอบรูปทรงแผ่นดิสก์ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่ต้องลดขนาดรูพรุนให้เหลือขนาดเล็กที่สุดของเซลล์ เมื่อพิจารณาถึงไมโครปั๊มแบบบูรณาการ พวกมันสามารถถูกพอลิเมอไรซ์เป็นโรเตอร์อิสระสองแฉก ซึ่งถูกจำกัดอยู่ในช่องโดยเพลาของตัวเอง เพื่อหลีกเลี่ยงการหมุนที่ไม่ต้องการ ระบบดังกล่าวสามารถเปิดใช้งานได้ง่ายๆ โดยใช้ระบบเลเซอร์ CW แบบโฟกัส[ 9 ]
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม
ปัจจุบันไมโครทิป สำหรับกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม นั้นผลิตขึ้นโดยใช้เทคนิคโฟโตลิโทกราฟีมาตรฐานบนวัสดุแข็ง เช่น ทองคำ ซิลิคอน และอนุพันธ์ของซิลิคอน อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางกลของวัสดุดังกล่าวทำให้ต้องใช้กระบวนการผลิตที่ใช้เวลานานและมีราคาแพงในการสร้างหรือดัดปลายไมโครทิป การพิมพ์ด้วยแสงหลายโฟตอนสามารถใช้ในการสร้างต้นแบบและดัดแปลงได้ จึงช่วยหลีกเลี่ยงขั้นตอนการผลิตที่ซับซ้อน
ทัศนศาสตร์
ด้วยความสามารถในการสร้างโครงสร้างระนาบ 3 มิติ การพอลิเมอไรเซชันแบบมัลติโฟตอนสามารถสร้างส่วนประกอบทางแสงสำหรับท่อนำแสง[ 6 ] ตัวเรโซเนเตอร์[ 17 ] ผลึกโฟตอนิก[ 18 ]และเลนส์[ 19 ] [ 20 ]
ลิงก์ภายนอก
- ประติมากรรมนาโนรูปทรงมนุษย์ขนาดนาโนชิ้นแรก ประติมากรรมที่สร้างโดยศิลปินJonty Hurwitzโดยใช้เทคนิคการพิมพ์หินแบบมัลติโฟตอน พฤศจิกายน 2014 [ 1 ]
- ↑ "เมื่อวิทยาศาสตร์และศิลปะสร้างสรรค์ประติมากรรมนาโนอันน่าทึ่ง" . Phys.org, Nancy Owano. 18 พฤศจิกายน 2014.