雙光子聚合納米復合材料制備透明熔融硅玻璃

供稿人：孟子捷、賀健康 供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室

透明硅酸鹽玻璃是微系統技術(MEMS)等先進工程應用中最重要的材料之一。高光學透明度、高耐熱性和耐化學性的結合使熔融硅玻璃成為光學、微流體學和化學應用的首選材料。然而傳統玻璃加工技術具有很多的局限性：如研磨、拋光只能用于簡單的結構；濕法刻蝕具有各向異性的缺點；激光輔助刻蝕獲得的表面質量差。

作為一種替代方法，3D打印最近已經成為一種適合玻璃組件制造的技術。然而，采用熔融沉積技術不能生產高分辨率的玻璃元件；以溶膠-凝膠為原料的光固化技術和墨水直寫技術具有顯著的臺階效應。到目前為止，沒有一種玻璃打印工藝能夠直接實現表面光滑低于10 nm的玻璃組件制造。此外，在光學、傳感與分析等領域出現了大量的緊湊多透鏡物鏡或自由形式耦合光學元件等新型應用，這對高精度三維光學結構提出了更高的要求。

來自德國弗萊堡大學的Kotz教授團隊通過直接激光書寫制造（DLW），使用雙光子可固化二氧化硅納米復合樹脂實現了數十微米范圍內的3D分辨率和6 nm的表面粗糙度的熔融二氧化硅玻璃結構的有效成形。該團隊使用了一種液體二氧化硅納米復合材料，由平均直徑約40納米的非晶態(tài)二氧化硅納米顆粒分散在單體粘結劑基質中構成。通過選擇交聯劑使粘結劑基體的折射率與熔融石英玻璃的折射率相匹配。為了制備雙光子打印樹脂(R6-3，圖1c)，液體納米復合材料進一步配備了定制的引發(fā)系統，可在打印機的雙光子打印條件下進行高效自由基聚合。如圖1d所示，將打印的聚合結構浸入甲醇中10分鐘，以去除多余的非聚合材料。粘結劑基體隨后在最高溫度為600°C的熱脫脂過程中被除去，進而采用最高溫度為1300°C的燒結溫度，最終得到致密的透明熔融硅玻璃結構（圖1 a）。

圖1 透明熔融石英玻璃的DIW制造流程

該團隊進而制作了許多微結構，以證明二氧化硅納米復合材料的DLW工藝可以以迄今未見的精度、復雜性和較低的表面粗糙度來成形熔融二氧化硅玻璃結構。圖2a,b是一個小型的城堡，高度為2 mm，尖頂寬度為200 μm。圖2c、d為孔徑為55 μm的微流控濾芯。此外，熔融石英玻璃微光學元件也可以使用這種方法制作，如圖2e,f所示的直立光學微透鏡。三個Wigner-Seitz-cell結構印在同一個襯底上(見圖2g)。圖2h中三個鏡頭中顯示了放大后的結構，對應圖2g中的順序。

圖2 利用DLW對熔融石英玻璃進行三維微結構制造。

綜上所述，該研究開發(fā)了一種基于雙光子聚合的通過二氧化硅納米復合材料構建透明熔融硅玻璃并隨后進行熱致密化的DLW工藝。利用這一工藝，可制備出數十微米分辨率和低表面粗糙度的熔融二氧化硅元件，有望成形自由的形狀和許多高性能的元件，用于包括光學、光子學、功能和設計表面以及芯片實驗室，生命科學和生物醫(yī)學工程等領域。

參考文獻：
F. Kotz, A.S. Quick, P. Risch, T. Martin, T. Hoose, M. Thiel, D. Helmer, B.E. Rapp, Two-Photon Polymerization of Nanocomposites for the Fabrication of Transparent Fused Silica Glass Microstructures, Adv Mater 33(9) (2021) e2006341. DOI： 10.1002/adma.202006341