上海光機所飛秒激光多光子聚合增材制造加工精度調(diào)控研究取得研究進(jìn)展

信息來源：中國科學(xué)院上海光機所薄膜光學(xué)實驗室

近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所薄膜光學(xué)實驗室在優(yōu)化飛秒激光多光子聚合（MPP）增材制造加工精度調(diào)控研究中取得研究進(jìn)展。研究團(tuán)隊利用對光刻膠中引發(fā)劑濃度的調(diào)控實現(xiàn)對聚合產(chǎn)物極限尺寸的有效控制，揭示了多光子聚合光化學(xué)反應(yīng)過程中的擴(kuò)散行為。相關(guān)成果發(fā)表在《光學(xué)材料》(Optical Materials)。

基于飛秒激光多光子聚合增材制造技術(shù)廣泛應(yīng)用于微機電、微光學(xué)、生物結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的3D打印微納結(jié)構(gòu)制造。目前用于提升加工精度的主流技術(shù)路線是，提升光刻膠中的引發(fā)劑吸收截面以及調(diào)控激光焦斑的可聚焦程度，現(xiàn)階段其制造極限分辨率可達(dá)10nm量級。

課題組通過解析多光子聚合中的光-物理-化學(xué)反應(yīng)過程，認(rèn)為光刻膠中引發(fā)劑濃度與聚合反應(yīng)持續(xù)時間有關(guān)，并將最終影響聚合產(chǎn)物的極限尺寸。研究人員選擇了光引發(fā)劑是六氟銻酸鹽小分子，單體是雙酚A型環(huán)氧樹脂大分子的SU-8光刻膠。通過烘烤改變光引發(fā)劑的濃度，研究光引發(fā)劑在光刻膠中擴(kuò)散行為對最終聚合極限尺寸的影響規(guī)律。利用長焦距、單次飛秒脈沖曝光方法獲得了扁平化聚合物，精確表征了聚合物尺寸，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SU-8膠膜的溶劑含量從~7%下降到4%時，MPP產(chǎn)物的尺寸減小了~40%。這種聚合尺寸優(yōu)化是源于溶劑含量減少導(dǎo)致的光致陽離子擴(kuò)散能力減弱，從而使聚合反應(yīng)被約束在了更小的尺度范圍內(nèi)。

該項研究成果為優(yōu)化MPP極限加工精度提供了一種新的研究思路，并且證明了在MPP過程中小分子擴(kuò)散是一種值得關(guān)注的本征過程，同時也為光刻膠優(yōu)化選擇和發(fā)展國產(chǎn)光刻膠提供了認(rèn)識基礎(chǔ)。

該項研究獲得了國家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持。

圖1 （a）增加預(yù)烘烤時間以降低SU-8中的溶劑含量（b）長焦距、單脈沖曝光的扁平化MPP產(chǎn)物的正、側(cè)視圖及其高度信息

圖2 不同溶劑含量/曝光能量密度對應(yīng)的聚合點尺寸統(tǒng)計（a）（b）（c）（d）分別為能量密度為~0.72J/cm2時，溶劑含量分別對7.3%、5.1%、4.3%和3.2%的MPP聚合產(chǎn)物形貌

論文鏈接：https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S092534672100001X