सूक्ष्म और नैनो निर्माण
फोटोपॉलीमराइज़ेशन
लेज़र-प्रेरित फोटोपॉलीमराइज़ेशन (डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी/राइटिंग) प्रकाशसंवेदी रेज़िन में 3D नैनोसंरचना बनाता है।
उत्पाद परिचय
फोटोपॉलीमराइज़ेशन क्या है?
फोटोपॉलीमराइज़ेशन एक योगात्मक विनिर्माण प्रक्रिया है जिसका उपयोग प्रकाश द्वारा प्रकाशसंवेदी सामग्रियों को चयनात्मक रूप से ठोस कर 3D सूक्ष्म- और नैनोसंरचनाएँ बनाने के लिए किया जाता है। सघन फोकस वाले फेमटोसेकंड लेज़र पल्स के साथ संयुक्त होने पर यह तकनीक उप-माइक्रॉन अभिलक्षण आकार वाली संरचनाओं का प्रत्यक्ष निर्माण सक्षम बनाती है, जिससे यह फोटोनिक्स, माइक्रो-ऑप्टिक्स, माइक्रोफ्लुइडिक्स और जैवचिकित्सा अभियांत्रिकी में अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। अति तीव्र लेज़र प्रौद्योगिकी में हाल की प्रगति निर्माण थ्रूपुट, प्रक्रिया स्थिरता और उच्च-विभेदन 3D सूक्ष्मविनिर्माण की सुलभता में निरंतर सुधार करती है।
रासायनिक प्रक्रिया
फोटोपॉलीमराइज़ेशन एक प्रकाश-प्रेरित रासायनिक प्रक्रिया है जिसमें द्रव प्रकाशसंवेदी सामग्रियाँ ठोस पॉलीमर संरचनाओं में रूपांतरित होती हैं। प्रक्रिया तब आरंभ होती है जब कई फोटॉन एक प्रकाशसंवेदी पॉलीमर अणु द्वारा अवशोषित किए जाते हैं, जिससे वह एक उत्तेजित अवस्था में पहुँचता है और अंततः एक रेडिकल बनाता है। उत्पन्न रेडिकल तत्पश्चात श्रृंखला पॉलीमराइज़ेशन अभिक्रिया में भाग लेता है, जिससे रासायनिक क्रॉस-लिंकिंग और उद्भासित सामग्री का ठोसीकरण होता है। अनुद्भासित क्षेत्र द्रव रहते हैं और बाद में डेवलपमेंट के दौरान हटाए जा सकते हैं, जिससे केवल निर्मित संरचना शेष रहती है। लेज़र-प्रेरित फोटोपॉलीमराइज़ेशन केवल लेज़र फोकस के भीतर होता है। यह अत्यधिक स्थानिक अंतःक्रिया निर्माण प्रक्रिया पर परिशुद्ध स्थानिक नियंत्रण प्रदान करती है और प्रकाशसंवेदी सामग्रियों के भीतर वास्तविक 3D संरचनाकरण सक्षम बनाती है।
डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी क्या है?
डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी (DLL), जिसे डायरेक्ट लेज़र राइटिंग (DLW) भी कहा जाता है, सघन फोकस वाले लेज़र किरण द्वारा आरंभित स्थानिक फोटोपॉलीमराइज़ेशन पर आधारित एक विनिर्माण तकनीक है। DLL एक प्रकाशसंवेदी सामग्री के भीतर लेज़र फोकस को पूर्वनिर्धारित 3D प्रक्षेपपथ के अनुदिश स्कैन कर संरचनाओं को सीधे लिखती है। जब अल्ट्राशॉर्ट फेमटोसेकंड लेज़र पल्स प्रयुक्त होते हैं, फोटोपॉलीमराइज़ेशन सामान्यतः बहुफोटॉन अवशोषण के माध्यम से आरंभ होता है। क्योंकि अरेखीय अवशोषण केवल उस फोकल आयतन में होता है जहाँ फोटॉन घनत्व पर्याप्त रूप से उच्च होता है, पॉलीमराइज़ेशन एक छोटे 3D आयतन तक सीमित रहता है जिसे वॉक्सेल कहा जाता है। इस वॉक्सेल को सामग्री में स्थानांतरित कर जटिल मुक्त-आकार सूक्ष्म- और नैनोसंरचनाएँ मास्क या अनेक प्रसंस्करण चरणों के बिना सीधे निर्मित की जा सकती हैं।
प्रक्रिया कैसे लिखी जाती है
निर्माण प्रक्रिया फेमटोसेकंड लेज़र पल्स को एक प्रकाशसंवेदी सामग्री में फोकस करने से आरंभ होती है। लेज़र फोकस को रेज़िन के भीतर वांछित स्थान पर स्थित किया जाता है, जहाँ अरेखीय अवशोषण ऊर्जा को केवल फोकल आयतन के भीतर निक्षेपित करता है। यह स्थानिक उद्भासन एक एकल वॉक्सेल के भीतर पॉलीमराइज़ेशन आरंभ करता है, जबकि आसपास की सामग्री अप्रभावित रहती है। सामग्री में लेज़र फोकस की क्रमिक गति अतिव्यापी वॉक्सेल उत्पन्न करती है जो सतत पॉलीमर संरचनाएँ बनाते हैं। लेज़र उद्भासन के पश्चात, अपॉलीमराइज़्ड सामग्री को हटाकर नमूने का डेवलपमेंट किया जाता है, जिससे निर्मित 3D संरचना शेष रहती है।
फोटोपॉलीमराइज़ेशन तंत्र
फोटोपॉलीमराइज़ेशन तब आरंभ होता है जब फोटॉन प्रकाशसंवेदी सामग्री के भीतर अणुओं द्वारा अवशोषित किए जाते हैं और उन्हें एक उत्तेजित इलेक्ट्रॉनिक अवस्था में ले जाते हैं। पारंपरिक फोटोरेज़िस्ट में यह उत्तेजन फोटोइनिशिएटर अणुओं के माध्यम से अभिक्रियाशील रेडिकल उत्पन्न करता है, जो तत्पश्चात श्रृंखला पॉलीमराइज़ेशन आरंभ करते हैं। परिणामी क्रॉस-लिंक पॉलीमर नेटवर्क वह ठोस संरचना बनाता है जो डेवलपमेंट के पश्चात शेष रहती है। रेडिकल निर्माण तक ले जाने वाली प्रकाश-रासायनिक घटनाएँ विभिन्न आणविक अवस्थाओं को शामिल करते हुए अनेक पथों का अनुसरण कर सकती हैं, और परिणामी रेडिकल उपज तदनुसार भिन्न हो सकती है। द्वि-फोटॉन, त्रि-फोटॉन और उच्चतर-कोटि अवशोषण गुणांक भी तीव्र रूप से भिन्न हो सकते हैं तथा भिन्न तरंगदैर्घ्य निर्भरता प्रदर्शित कर सकते हैं, क्योंकि विभिन्न आणविक अवस्थाएँ भिन्न वरण नियमों का अनुसरण करती हैं। फोटोइनिशिएटर के बिना भी स्थानिक फोटोपॉलीमराइज़ेशन प्रदर्शित किया गया है, जिससे यह संकेत मिलता है कि अंतर्निहित प्रकाश-उत्तेजन तंत्र प्रकाशसंवेदी तंत्र के अनुसार भिन्न हो सकते हैं।
बहुफोटॉन अवशोषण
बहुफोटॉन फोटोपॉलीमराइज़ेशन सामान्यतः तथाकथित देहली सामग्रियों में द्वि-फोटॉन अवशोषण के माध्यम से आरंभ होता है। तथापि, किसी अणु को मूल अवस्था से उत्तेजित करने के लिए एक साथ अवशोषित फोटॉनों की संख्या फोटोरेज़िस्ट के अवशोषण स्पेक्ट्रम और उत्तेजन तरंगदैर्घ्य दोनों पर निर्भर करती है। जब उत्तेजन तरंगदैर्घ्य सामग्री के अवशोषण शिखर से संपाती होता है, पॉलीमराइज़ेशन एक-फोटॉन अवशोषण द्वारा आगे बढ़ता है। यदि उत्तेजन तरंगदैर्घ्य अवशोषण तरंगदैर्घ्य की लगभग दोगुनी हो, द्वि-फोटॉन अवशोषण प्रेरित किया जा सकता है, जबकि त्रि-फोटॉन अवशोषण तब अपेक्षित होता है जब उत्तेजन तरंगदैर्घ्य लगभग तीन गुना लंबी हो। अल्ट्राशॉर्ट पल्स प्रकाशिकी तंत्र द्वारा लाए गए ग्रुप डिले डिस्पर्शन के प्रति संवेदी होते हैं, जो पल्स को समय में खींच सकता है और उसकी शिखर तीव्रता घटा सकता है। चूँकि इससे बहुफोटॉन प्रक्रियाओं की दक्षता घटती है, प्रकाशिकी तंत्र के डिस्पर्शन की क्षतिपूर्ति लेज़र किरण के नमूने तक पहुँचने से पूर्व विपरीत कालिक प्री-चर्प प्रविष्ट कर की जानी चाहिए।
त्रिविमीय संरचनाओं का निर्माण
क्योंकि पॉलीमराइज़ेशन फोकल आयतन तक सीमित रहता है, लेज़र फोकस को सामग्री में स्थानांतरित कर स्वेच्छ 3D ज्यामितियाँ निर्मित की जा सकती हैं। व्यक्तिगत वॉक्सेल को क्रमशः स्थित कर सतत संरचनाएँ बनाई जाती हैं, जबकि परत-दर-परत स्कैनिंग दसियों माइक्रोमीटर से कई मिलीमीटर आकार की वस्तुओं का उप-माइक्रॉन अभिलक्षण विभेदन के साथ निर्माण सक्षम बनाती है। प्रत्येक निर्मित वॉक्सेल के आयाम लेज़र तीव्रता, पल्स अवधि, तरंगदैर्घ्य, फोकस करने वाली प्रकाशिकी के न्यूमेरिकल अपर्चर, पुनरावृत्ति दर, स्थानांतरण वेग और सामग्री गुणों पर निर्भर करते हैं।
डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी के लाभ
डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी ऐसी 3D ज्यामितियों का निर्माण सक्षम बनाती है जिन्हें पारंपरिक विनिर्माण तकनीकों से बनाना कठिन या असंभव होता है। बहुफोटॉन अवशोषण की स्थानिक प्रकृति के कारण पॉलीमराइज़ेशन लेज़र फोकल आयतन तक सीमित रहता है, जिससे लगभग 100 nm तक के अभिलक्षण आकार संभव होते हैं, जबकि प्रकार्यात्मक संरचनाएँ दसियों माइक्रोमीटर से कई मिलीमीटर आयामों में बनती हैं। डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी कंप्यूटर-सहायित डिज़ाइन (CAD) मॉडलों से संरचनाओं को सीधे लिखने की भी अनुमति देती है। इससे तीव्र प्रोटोटाइपिंग और डिज़ाइन लचीलापन संभव होता है तथा समर्पित टूलिंग की आवश्यकता समाप्त होती है।
फोटोपॉलीमराइज़ेशन सामग्रियाँ
डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी के लिए प्रयुक्त प्रकाशसंवेदी सामग्रियाँ अपने प्रकाशिक, रासायनिक और यांत्रिक गुणों में भिन्न होती हैं। पारंपरिक फोटोरेज़िस्ट मुख्यतः ऐक्रिलिक और एपॉक्सी रेज़िन पर आधारित होते हैं। एपॉक्सी पॉलीमर निम्न संकुचन और उच्च संरचनात्मक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं, जबकि ऐक्रिलेट सामान्यतः उच्च प्रकाशसंवेदनशीलता, निम्न क्रांतिक ऊर्जा, निम्न श्यानता और नियंत्रणीय यांत्रिक गुण प्रदान करते हैं। पारंपरिक पेट्रोलियम-व्युत्पन्न फोटोरेज़िस्ट के अतिरिक्त, नवीकरणीय संसाधनों से प्राप्त फोटोपॉलीमर पर बढ़ता ध्यान दिया गया है। वनस्पति तेल आकर्षक पॉलीमर पूर्वगामी के रूप में उभरे हैं; इनमें सोयाबीन तेल और ऐक्रिलेटेड एपॉक्सिडाइज़्ड सोयाबीन तेल (AESO) व्यापक रूप से प्रयुक्त होते हैं। यद्यपि AESO-आधारित फोटोपॉलीमर एक सतत विकल्प प्रदान करते हैं, उनकी लंबी ऐलिफैटिक श्रृंखलाएँ अपेक्षाकृत मृदु पॉलीमर नेटवर्क देती हैं, अतः यांत्रिक गुण सुधारने के लिए ऐरोमैटिक कोमोनोमर — जिनमें पादप-व्युत्पन्न vanillin dimethacrylate और vanillin diacrylate सम्मिलित हैं — सामान्यतः जोड़े जाते हैं।
इसका उपयोग कहाँ होता है
फोटोनिक्स और माइक्रो-ऑप्टिक्स में डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी का उपयोग फोटोनिक क्रिस्टल, विवर्तन प्रकाशिक अवयव, माइक्रोलेन्स और अन्य प्रकाशिक घटक बनाने के लिए किया जाता है, जिन्हें जटिल मुक्त-आकार ज्यामितियों और उप-माइक्रॉन अभिलक्षणों की आवश्यकता होती है। यह तकनीक मेटामटेरियल और प्लास्मोनिक संरचनाओं के लिए भी प्रयुक्त होती है। संलग्न चैनल और संयोजन-मुक्त चल अवयव बनाने की क्षमता ने इसे माइक्रोफ्लुइडिक्स और माइक्रोमैकेनिक्स के लिए स्थापित किया है। जैवचिकित्सा अभियांत्रिकी में इसका व्यापक उपयोग ऊतक अभियांत्रिकी हेतु स्कैफोल्ड, बायोमिमेटिक संरचनाएँ, माइक्रोनीडल ऐरे और अन्य जैवचिकित्सा युक्तियाँ बनाने के लिए किया जाता है।
फोटोपॉलीमराइज़ेशन के लिए लेज़र
डायरेक्ट लेज़र लिथोग्राफी के लिए ऐसे लेज़र सिस्टम आवश्यक हैं जो उत्कृष्ट किरण गुणवत्ता और परिशुद्ध नियंत्रित पल्स प्राचलों के साथ स्थिर अल्ट्राशॉर्ट पल्स प्रदान कर सकें। CARBIDE और PHAROS फेमटोसेकंड लेज़र अपेक्षित उच्च शिखर व औसत शक्तियाँ तथा अल्ट्राशॉर्ट पल्स अवधियाँ प्रदान करते हैं। 1030 nm पर उनकी मूल तरंगदैर्घ्य, तथा 515 nm और 343 nm पर हार्मोनिक जनरेशन, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध फोटोरेज़िस्ट की व्यापक श्रेणी में फोटोपॉलीमराइज़ेशन का समर्थन करते हैं। अतिरिक्त तरंगदैर्घ्य लचीलेपन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए, औद्योगिक-श्रेणी I-OPA ऑप्टिकल पैरामीट्रिक एम्प्लिफायर, लेज़र प्लेटफ़ॉर्म के साथ एकीकृत, अभिगम्य स्पेक्ट्रल परास को नियत हार्मोनिक से आगे विस्तारित करता है, जिससे उत्तेजन तरंगदैर्घ्य को विभिन्न प्रकाशसंवेदी सामग्रियों की अवशोषण विशेषताओं से मिलाया जा सकता है।
