Fabrikas mikro dan nano
Fotopolimerisasi
Fotopolimerisasi laser, atau litografi/penulisan laser langsung, membentuk nanostruktur 3D dalam resin peka cahaya.
Pengantar produk
Apa itu fotopolimerisasi?
Fotopolimerisasi adalah suatu proses fabrikasi aditif yang digunakan untuk membuat mikro- dan nanostruktur 3D dengan memadatkan secara selektif bahan peka cahaya menggunakan cahaya. Digabungkan dengan pulsa laser femtosekon yang terfokus rapat, teknik fotopolimerisasi ini memungkinkan fabrikasi langsung struktur dengan ukuran fitur submikron, sehingga sesuai untuk aplikasi pada fotonika, mikro-optik, mikrofluidika, dan rekayasa biomedis. Kemajuan mutakhir dalam teknologi laser ultracepat terus meningkatkan laju fabrikasi, stabilitas proses, dan aksesibilitas mikrofabrikasi 3D resolusi tinggi.
Proses kimia
Fotopolimerisasi adalah proses kimia yang diinduksi cahaya, di mana bahan peka cahaya cair diubah menjadi struktur polimer padat. Proses dimulai ketika beberapa foton diserap oleh suatu molekul polimer peka cahaya, sehingga molekul tersebut memasuki keadaan tereksitasi yang pada akhirnya membentuk radikal. Radikal yang terbentuk kemudian berpartisipasi dalam reaksi polimerisasi berantai, yang menghasilkan ikatan silang kimia dan pemadatan bahan yang terpapar. Wilayah yang tidak terpapar tetap cair dan kemudian dapat dihilangkan selama pengembangan, sehingga hanya struktur yang terfabrikasi yang tertinggal. Fotopolimerisasi terinduksi laser terjadi hanya di dalam fokus laser. Interaksi yang sangat terlokalisasi ini memberikan kendali spasial yang cermat atas proses fabrikasi dan memungkinkan strukturisasi 3D sejati di dalam bahan peka cahaya.
Apa itu litografi laser langsung?
Litografi laser langsung (DLL), yang juga disebut penulisan laser langsung (DLW), adalah teknik fabrikasi berdasarkan fotopolimerisasi terlokalisasi yang dipicu oleh berkas laser terfokus rapat. Dengan litografi laser langsung (DLL), struktur ditulis secara langsung di dalam bahan peka cahaya dengan memindai fokus laser sepanjang lintasan 3D yang telah ditentukan. Apabila pulsa laser femtosekon ultrasingkat digunakan, fotopolimerisasi biasanya dipicu melalui penyerapan multifoton. Karena penyerapan nonlinear terjadi hanya pada volume fokus di mana kerapatan foton cukup tinggi, polimerisasi tetap terbatas pada volume 3D kecil yang dikenal sebagai voxel. Dengan mentranslasikan voxel ini di seluruh bahan, mikro- dan nanostruktur bentuk bebas yang kompleks dapat difabrikasi secara langsung tanpa memerlukan masker atau beberapa langkah pemrosesan.
Bagaimana proses ditulis
Proses fabrikasi dimulai dengan memfokuskan pulsa laser femtosekon ke dalam bahan peka cahaya. Fokus laser diposisikan pada lokasi yang diinginkan di dalam resin, di mana penyerapan nonlinear mendepositkan energi hanya di dalam volume fokus. Paparan terlokalisasi ini memicu polimerisasi di dalam satu voxel, sementara bahan di sekitarnya tidak terpengaruh. Pergerakan beruntun fokus laser di seluruh bahan menghasilkan voxel yang saling tumpang tindih dan membentuk struktur polimer kontinu. Setelah paparan laser, sampel dikembangkan dengan menghilangkan bahan yang tidak terpolimerisasi, sehingga struktur 3D yang terfabrikasi tertinggal.
Mekanisme fotopolimerisasi
Fotopolimerisasi dipicu ketika foton diserap oleh molekul di dalam bahan peka cahaya, sehingga molekul tersebut terangkat ke keadaan elektronik tereksitasi. Pada fotresist konvensional, eksitasi ini menghasilkan radikal reaktif melalui molekul fotoinisiator, yang kemudian memicu polimerisasi berantai. Jaringan polimer berikatan silang yang dihasilkan membentuk struktur padat yang tertinggal setelah pengembangan. Peristiwa fotokimia yang menuju pembentukan radikal dapat mengikuti banyak jalur yang melibatkan keadaan molekul berbeda, dan hasil radikal dapat berbeda sesuai dengan itu. Koefisien penyerapan dua foton, tiga foton, dan orde yang lebih tinggi juga dapat berbeda secara mencolok serta menunjukkan ketergantungan panjang gelombang yang berbeda karena keadaan molekul yang berbeda mengikuti aturan seleksi yang berbeda. Fotopolimerisasi terlokalisasi juga telah ditunjukkan tanpa fotoinisiator, yang menandakan bahwa mekanisme fotoeksitasi yang mendasari dapat bervariasi bergantung pada sistem peka cahaya.
Penyerapan multifoton
Fotopolimerisasi multifoton biasanya dipicu melalui penyerapan dua foton pada bahan yang disebut bahan ambang. Namun, jumlah foton yang diserap secara simultan untuk mengeksitasi suatu molekul dari keadaan dasar bergantung pada spektrum penyerapan fotresist dan pada panjang gelombang eksitasi. Apabila panjang gelombang eksitasi berimpit dengan puncak penyerapan bahan, polimerisasi berlangsung melalui penyerapan satu foton. Jika panjang gelombang eksitasi kira-kira dua kali panjang gelombang penyerapan, penyerapan dua foton dapat diinduksi, sedangkan penyerapan tiga foton diharapkan apabila panjang gelombang eksitasi kira-kira tiga kali lebih panjang. Pulsa ultrasingkat peka terhadap dispersi tunda kelompok yang diperkenalkan oleh sistem optik, yang dapat meregangkan pulsa dalam waktu dan menurunkan intensitas puncaknya. Karena hal ini menurunkan efisiensi proses multifoton, dispersi sistem optik harus dikompensasi dengan memperkenalkan prakicir temporal yang berlawanan sebelum berkas laser mencapai sampel.
Pembentukan struktur tiga dimensi
Karena polimerisasi tetap terbatas pada volume fokus, fokus laser dapat ditranslasikan di seluruh bahan untuk memfabrikasi geometri 3D sembarang. Voxel individual diposisikan secara berurutan untuk membentuk struktur kontinu, sementara pemindaian lapisan demi lapisan memungkinkan fabrikasi objek yang berukuran dari puluhan mikrometer hingga beberapa milimeter dengan resolusi fitur submikron. Dimensi setiap voxel yang terfabrikasi bergantung pada intensitas laser, durasi pulsa, panjang gelombang, aperture numerik optik pemfokus, laju pengulangan, kecepatan translasi, dan sifat bahan.
Keunggulan litografi laser langsung
Litografi laser langsung memungkinkan fabrikasi geometri 3D yang sulit atau mustahil dihasilkan dengan teknik manufaktur konvensional. Berkat sifat terlokalisasi penyerapan multifoton, polimerisasi tetap terbatas pada volume fokus laser, sehingga memungkinkan ukuran fitur hingga sekitar 100 nm sambil menghasilkan struktur fungsional dengan dimensi dari puluhan mikrometer hingga beberapa milimeter. Litografi laser langsung juga memungkinkan struktur ditulis secara langsung dari model perancangan berbantuan komputer (CAD). Hal ini memungkinkan prototipe cepat dan fleksibilitas rancangan, sekaligus meniadakan kebutuhan perkakas khusus.
Bahan fotopolimerisasi
Bahan peka cahaya yang digunakan untuk litografi laser langsung berbeda dalam sifat optik, kimia, dan mekaniknya. Fotresist konvensional terutama didasarkan pada resin akrilik dan epoksi. Polimer epoksi menunjukkan penyusutan rendah dan stabilitas struktural tinggi, sedangkan akrilat umumnya memberikan kepekaan cahaya yang lebih tinggi, energi kritis yang lebih rendah, viskositas yang lebih rendah, dan sifat mekanik yang dapat dikendalikan. Selain fotresist konvensional yang berasal dari minyak bumi, perhatian yang semakin besar ditujukan pada fotopolimer yang diperoleh dari sumber terbarukan. Minyak nabati telah muncul sebagai prekursor polimer yang menarik; di antaranya, minyak kedelai dan minyak kedelai terepoksidasi terakrilasi (AESO) digunakan secara luas. Meskipun fotopolimer berbasis AESO menawarkan alternatif yang berkelanjutan, rantai alifatik panjangnya menghasilkan jaringan polimer yang relatif lunak, sehingga komonomer aromatik — termasuk vanillin dimethacrylate dan vanillin diacrylate yang berasal dari tumbuhan — biasa ditambahkan untuk memperbaiki sifat mekanik.
Di mana teknik ini digunakan
Pada fotonika dan mikro-optik, litografi laser langsung digunakan untuk memfabrikasi kristal fotonik, elemen optik difraktif, mikrolensa, dan komponen optik lain yang memerlukan geometri bentuk bebas yang kompleks serta fitur submikron. Teknik ini juga digunakan untuk metamaterial dan struktur plasmonik. Kemampuan memfabrikasi saluran tertutup dan komponen bergerak tanpa perakitan telah menempatkannya pada mikrofluidika dan mikromekanika. Pada rekayasa biomedis, teknik ini digunakan secara luas untuk memfabrikasi perancah bagi rekayasa jaringan, struktur biomimetik, array mikrojarum, dan perangkat biomedis lain.
Laser untuk fotopolimerisasi
Litografi laser langsung memerlukan sistem laser yang mampu menyampaikan pulsa ultrasingkat yang stabil dengan kualitas berkas yang sangat baik dan parameter pulsa yang dikendalikan secara cermat. Laser femtosekon CARBIDE dan PHAROS menyediakan daya puncak dan daya rata-rata yang tinggi serta durasi pulsa ultrasingkat yang diperlukan. Panjang gelombang fundamentalnya pada 1030 nm, bersama pembangkitan harmonik pada 515 nm dan 343 nm, mendukung fotopolimerisasi pada rentang luas fotresist yang tersedia secara komersial. Untuk aplikasi yang memerlukan fleksibilitas panjang gelombang tambahan, penguat parametrik optik I-OPA kelas industri, yang terintegrasi dengan platform laser, memperluas rentang spektral yang dapat diakses di luar harmonik tetap sehingga panjang gelombang eksitasi dapat disesuaikan dengan karakteristik penyerapan berbagai bahan peka cahaya.
