Impression tridimensionnelle du verre sans frittage

L'impression de structures de verre de quartz à l'échelle micro et nanométrique à partir de dioxyde de silicium pur ouvre de nombreuses nouvelles applications dans les technologies de l'optique, de la photonique et des semi-conducteurs. Jusqu'à présent, les procédés étaient basés sur le frittage conventionnel. Les températures requises pour le frittage des nanoparticules de dioxyde de silicium sont supérieures à 1 100 °C, ce qui est beaucoup trop chaud pour un dépôt direct sur des puces semi-conductrices. Une équipe dirigée par le Dr Jens Bauer de l'Institut de nanotechnologie (INT) du KITa maintenant développé un nouveau processuspour produire du verre de quartz transparent avec une haute résolution et d'excellentes propriétés mécaniques à des températures beaucoup plus basses.

Bauer, qui dirige le groupe de recherche Emmy Noether Junior « Nanoarchitected Metamaterials » au KIT, et ses collègues de l'Université de Californie à Irvine et de la société Edwards Lifesciences à Irvine présentent le processus dans Science. Ils utilisent une résine polymère hybride organique-inorganique comme matière première. Cette résine liquide est constituée de molécules dites de silsesquioxane oligomères polyédriques (POSS), qui sont de petites molécules de dioxyde de silicium en forme de cage équipées de groupes fonctionnels organiques.

Après avoir réticulé le matériau via l’impression 3D pour former une nanostructure 3D, il est chauffé à 650°C dans l’air pour éliminer les composants organiques. Dans le même temps, les cages inorganiques POSS fusionnent et forment une microstructure ou nanostructure continue de verre de quartz. La température requise à cet effet n’est que la moitié de la température nécessaire aux procédés basés sur le frittage de nanoparticules.

"La température plus basse permet l'impression de forme libre de structures de verre robustes de qualité optique avec la résolution nécessaire à la nanophotonique en lumière visible, directement sur des puces semi-conductrices", explique Bauer. Outre une excellente qualité optique, le verre de quartz produit possède d'excellentes propriétés mécaniques et peut être facilement traité.

Les chercheurs de Karlsruhe et d'Irvine ont utilisé la résine POSS pour imprimer diverses nanostructures, notamment des cristaux photoniques constitués de faisceaux autoportants d'une largeur de 97 nm, des microlentilles paraboliques et un micro-objectif multi-lentilles avec des éléments nanostructurés. « Notre procédé produit des structures qui restent stables même dans des conditions chimiques ou thermiques difficiles », explique Bauer.

«Le groupe INT dirigé par Jens Bauer est associé au pôle d'excellence 3DMM2O», déclare le professeur Oliver Kraft, vice-président de la recherche du KIT. « Les résultats de recherche publiés aujourd’hui dans Science ne sont qu’un exemple de la manière dont les chercheurs en début de carrière sont soutenus avec succès au sein du cluster. » 3D Matter Made to Order, ou 3DMM2O en abrégé, est un pôle d'excellence commun du KIT et de l'Université de Heidelberg. Il poursuit une approche hautement interdisciplinaire en combinant les sciences naturelles et l'ingénierie. Son objectif est de faire passer la fabrication additive 3D à un niveau supérieur, du niveau moléculaire aux dimensions macroscopiques.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Internet de l'Institut technologique de Karlsruhe