Кремниевая фотоника: 3D-принтер на чипе
Современный мир богат на технологии, которые многие годы оставались мечтами ученых и существовали лишь в теоретических изложениях. Несмотря на их практическую реализацию, путь совершенствования, как известно, не имеет видимого конца. Есть устройства, которые при появлении на рынке разлетаются как горячие пирожки. К таким относятся и 3D-принтеры, которые претерпели немало изменений с момента своего появления, однако они до сих полагаются на большие и сложные механические системы. Ученые из Массачусетского технологического института (США) создали новый тип 3D-принтера, использующий реконфигурируемые лучи света, вызывающие затвердевание печатного материала. Какие принципы легли в основу разработки, как именно происходит процесс печати, и насколько новый принтер эффективен? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Трехмерная печать стала технологией, которая оказала ощутимое влияние на очень многие спектры деятельности человека, от печати потребительских товаров и произведений искусства до общественной инфраструктуры и медицины. Ожидаемый процесс совершенствования трехмерной печати повлек за собой появление различных методов ее реализации, что позволило создавать объекты с высоким разрешением (с размером элементов всего 25 нм) до изготовления крупномасштабных компонентов (от ракетных двигателей до мостов).
На сегодняшний день коммерциализировано множество методов 3D-печати, включающих экструзию, плавление в порошковом слое, струйную печать и светоиндуцированную полимеризацию. На потребительском уровне наиболее широко используемым типом 3D-печати является моделирование методом наплавления (FDM от fused deposition modeling) — метод, основанный на экструзии. В FDM детали строятся слой за слоем путем нагрева и экструзии термопластических нитей. Несмотря на очевидную популярность FDM, данный метод уступает другим в рамках разрешения печати.
Напротив, методы, основанные на фотоотверждении, такие как стереолитография (SLA от stereolithography), цифровая обработка света (DLP от digital light processing) и стереолитография с маской (MSLA от masked stereolithography или LCD), предлагают более высокое разрешение печати, а коммерческие принтеры предлагают размеры элементов всего 10 мкм.
В SLA лазерный луч используется для отвержения заданного паттерна в виде тонкого слоя смолы на рабочей платформе, после чего рабочая платформа поднимается и образуется новый слой жидкой смолы. Эти циклы отверждения и движения платформы повторяются слой за слоем, пока процесс не будет завершен, а желаемая конструкция не будет создана.
Точно так же DLP-принтеры создают отпечатки путем послойного отверждения смол. Однако в то время как SLA создает отпечатки с использованием одного луча, DLP использует проекцию целых 2D-изображений на поверхность смолы, что приводит к более быстрому отверждению.
Изображение №1
Хотя методы, основанные на фотоотверждении, позволяют повысить разрешение печати, они требуют громоздких и сложных механических систем (1a), что в свою очередь ограничивает портативность, форм-фактор, разрешение, скорость печати и сложность используемого материала.
Потенциальное решение этой проблемы может быть найдено в области кремниевой фотоники. Используя масштабируемые методы изготовления КМОП (от комплементарная структура металл — оксид — полупроводник или CMOS от complementary metal–oxide–semiconductor) для создания оптических микросистем на основе кристаллов с новыми функциональными возможностями, улучшенной производительностью системы, снижением стоимости и уменьшением размера, веса и мощности, кремниевая фотоника позволила создать оптические технологии следующего поколения, которые способствовали революционным достижениям во многих областях науки и инженерия, включая вычислительную технику, связь, зондирование и квантовую инженерию.
Новый класс интегрированных фотонных систем — это интегрированные оптические фазированные массивы, которые состоят из массива встроенных в кристалл оптических антенн, питаемых контролируемыми фазами и амплитудами с помощью интегрированной фотонной схемы, что обеспечивает излучение и динамический контроль света, излучаемого в свободном пространстве при низких затратах и немеханическим способом.
Таким образом, системы на основе оптических фазовых лучей уже стали заметным и многообещающим решением для датчиков LiDAR* (от Light Identification, Detection and Ranging) следующего поколения для автономных транспортных средств. Однако, мотивированные этим первоначальным применением LiDAR, демонстрации интегрированных оптических фазовых лучей на сегодняшний день в основном сосредоточены на системах, которые работают на инфракрасных длинах волн, что делает их несовместимыми с фотохимией, активируемой УФ-волной, традиционно используемой для 3D-печати.
LiDAR* (Light Detection and Ranging) — лазерный локатор, использующий технологию испускания лазером волн оптического диапазона с дальнейшей регистрацией лазерных импульсов, которые были рассеяны объектами.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые, чтобы удовлетворить потребность в передовой технологии 3D-печати, объединили области кремниевой фотоники и фотохимии, чтобы предложить первый 3D-принтер на основе чипа. Предлагаемая система состоит только из одного фотонного чипа миллиметрового масштаба без каких-либо движущихся частей, который излучает реконфигурируемые голограммы видимого света в простую стационарную лунку из смолы, что позволяет осуществлять немеханическую 3D-печать (1c).
Результаты исследования
Описываемая учеными система состоит из одного кремниевого фотонного чипа плоского форм-фактора миллиметрового масштаба, расположенного на дне простой стационарной лунки с жидкой смолой, отверждаемой видимым светом (1c). Предлагаемый чип проецирует 3D-голограммы видимого света в форме желаемого объекта вверх в лунку смолы, чтобы вызвать избирательное затвердевание смолы. Устраняя необходимость в сложных механических платформах для сборки и системах лазерной маршрутизации, предлагаемая система позволит изменить стандартные условия эксплуатации 3D-принтеров, перейдя от настольных установок с громоздкими форм-факторами к портативным системам на базе чипов.
Система включает в себя камеру с жидкой смолой, предназначенную для избирательного и быстрого отверждения под воздействием длины волны света, излучаемого кремниевым фотонным чипом. Поскольку системы кремниевой фотоники обычно работают в инфракрасном или видимом диапазоне волн, чтобы обеспечить разумные потери в волноводном материале и размеры элементов устройства, совместимые с ограничениями изготовления чипов, смола предназначена для отверждения на видимых длинах волн, в отличие от более коротких УФ-волн, обычно используемых для активации коммерческих смолы. Смола является модульной, с возможностью замены компонентов фотосистемы по мере необходимости для разных длин волн в зависимости от желаемого применения. В предлагаемой системе чип кремниевой фотоники расположен в нижней части этой камеры и проецирует реконфигурируемую программируемую голограмму видимого света вверх в смолу, вызывая избирательную полимеризацию смолы с образованием твердого отпечатка в форме желаемого объекта.
Создание голографических изображений требует способности точно настраивать локальную фазу и амплитуду света. Таким образом, система включает в себя двумерную сетку встроенных в кристалл оптических фазированных массивов видимого света, которые действуют как пиксели апертуры. Эти пиксели на основе оптической фазированной матрицы кодируются так, чтобы излучать свет с соответствующими амплитудами и фазами, так что формируется голографическое изображение. В частности, распределения фазы и амплитуды, необходимые для создания желаемого голографического изображения, тщательно аппроксимируются путем дискретизации этих идеальных непрерывных распределений на локальные одномерные градиенты фазы с произвольными амплитудами и абсолютными фазами, соответствующими размеру пикселей в апертуре. Эти дискретизированные распределения затем итеративно оптимизируются с использованием алгоритма Герхберга-Сакстона для точной генерации желаемого голографического изображения. Результирующие кодировки амплитуды, абсолютной фазы и градиента фазы для каждого пикселя на основе оптического фазового массива затем применяются с использованием набора интегрированных модуляторов.
Чтобы обеспечить маршрутизацию и излучение света на видимых длинах волн, что имеет решающее значение для обеспечения совместимости со смолой, отверждаемой видимым светом, система основана на волноводах из нитрида кремния, поскольку нитрид кремния имеет низкий коэффициент поглощения в видимом спектре и совместим с КМОП. Однако нитрид кремния имеет низкий термооптический коэффициент и не проявляет значительных электрооптических свойств, что затрудняет интегрированную модуляцию видимых длин волн. Таким образом, жидкокристаллический материал с сильным двойным лучепреломлением в видимом спектре интегрируется в платформу кремниевой фотоники и используется для обеспечения динамической модуляции и кодирования пикселей на основе оптического фазированного массива в системе.
Изображение №2
В качестве демонстрации концепции ученые разработали и экспериментально протестировали версию 3D-принтера на основе стереолитографии. Кремниевофотонный чип основан на интегрированного оптического фазированного массива видимого света, состоящей из архитектуры каскадного фазовращателя на основе жидких кристаллов, которая линейно управляет относительной фазой, подаваемой на массив антенн (2a).
На входе встроенный в кристалл переходник с обратным сужением края передает свет с длиной волны 637 нм от внешнего лазера во встроенный в кристалл одномодовый волновод из нитрида кремния толщиной 160 нм. Затем эскалаторное устройство длиной 100 мкм (адиабатическая структура с межслойным переходом) передает входной свет из одномодового волновода во второй волновод из нитрида кремния толщиной 160 нм, который находится на 10 нм ниже канавки, заполненной жидкими кристаллами. (2b). Затем затухающие отводные ответвители, расположенные с шагом 20 мкм и с увеличивающейся длиной связи, равномерно распределяют свет из волновода шины на 16 вертикально расположенных и горизонтально смещенных отводных волноводов (2d). Эти отводные волноводы затем направляются к 16 антеннам с равномерными возмущениями длиной 400 мкм и шагом 2 мкм для излучения света с поверхности чипа с экспоненциальным профилем излучения (2e).
Чтобы обеспечить немеханическое управление лучом, требуется фазовая модуляция света, излучаемого массивом антенн. Однако модуляция видимых длин волн, необходимая для этой системы, затруднена, поскольку нитрид кремния имеет низкий термооптический коэффициент и не проявляет значительных электрооптических свойств. Таким образом, чтобы обеспечить одномерное управление лучом в дальней зоне, система использует двойное лучепреломление жидкокристаллической среды, чтобы обеспечить каскадное управление фазой массива антенн.
В нематической жидкокристаллической среде показатель преломления изменяется в зависимости от ориентации молекул жидкого кристалла относительно направления распространения света. Таким образом, применяя электрическое поле к области жидкого кристалла для ориентации молекул в направлении приложенного поля, можно активно настраивать показатель жидкокристаллической среды, что приводит к изменению эффективного показателя преломления оптической моды в волноводе и линейный сдвиг фазы на антеннах.
Для обеспечения этой функциональности область фазового сдвига на основе жидких кристаллов состоит из волновода шины из нитрида кремния, который слабо ограничивает и направляет свет, жидкокристаллической среды, осажденной в канавку диоксида кремния, чтобы обеспечить сильное взаимодействие между оптической модой и жидкокристаллической средой, металлических электродов на каждой стороне полости, заполненной жидкими кристаллами, для приложения электрического поля через область жидких кристаллов и чипа с механическим выравнивающим слоем на нижней стороне для закрепления молекул жидких кристаллов (2c).
Типичные фотосистемы на базе смол основаны либо на одном фотоинициаторе, либо на комбинации фотокатализатора и донора водорода или донора/акцептора электронов. В последнем случае фотоотверждение происходит путем переноса электронов от фотоокислительно-восстановительного катализатора к соинициатору с последующим разрывом связи с образованием радикалов или ионов, которые инициируют полимеризацию. Однако этот метод обычно демонстрирует длительное время отверждения (> 60 секунд) из-за многоступенчатого механизма реакции. Для борьбы с этим ученые использовали трехкомпонентную фотосистему, состоящую из фоторедокс-соединения (редокс соединения — то же, что и окислительно-востановительные соединения) и пары коинициаторов, а не одного коинициатора. Присутствие двух коинициаторов обеспечивает отверждение, которое способствует как регенерации фоторедокс-соединений, так и удваивает концентрацию радикалов, образующихся на один поглощенный фотон.
Чтобы создать смолу, используемую в этом исследовании, ученые сначала синтезировали фоторедокс-соединение (aza-Br). В процессе синтеза соединение подвергалось галогенизации, чтобы увеличить скорость его межкомбинационного перехода в долгоживущие триплетные возбужденные состояния, дополнительно улучшая эффективность реакции фотосистемы. Полученное соединение демонстрирует пиковое затухание около 660 нм, что обеспечивает совместимость с рабочей длиной волны исследуемого принтера (637 нм). Чтобы завершить фотосистему, ученые объединили aza-Br с парой соинициаторов бората V (C31H44BNO2) и H-Nu 254 (C20H26F6IOSb). Наконец, фотосистему растворяли в смеси диакрилата тетраэтиленгликоля и триакрилата триметилолпропана, чтобы создать смолу.
Изображение №3
Используя интегрированный оптический фазированный массив видимого света и смолу, отверждаемую видимым светом, ученые приступили к тестированию принтера на практике (3a).
Изготовленный и упакованный фотонный чип для 3D-принтера устанавливается на патрон, а столик для образцов, поддерживающий лунки с жидкой смолой, установлен в системе позиционирования над чипом. Свет направляется от диодного лазера вне кристалла с центральной длиной волны 637 нм через волокно P1–630Y и подключается по краям к системе на кристалле.
Установка визуализируется с помощью объектива Mitutoyo с 10-кратным увеличением и разделяется на пути изображения как в ближнем, так и в дальнем поле с помощью делителя видимого луча и фокусирующей линзы. Благодаря такой установке было получено изображение луча, излучаемого интегрированным оптическим фазированным массивом, в дальнем поле, что приводит к формированию желаемой картины (3b). Полная ширина луча на половине высоты равна 0.4° × 1.6°, что близко соответствует размеру луча 0.1° × 1.0°, ожидаемому для равномерно излучающей апертуры 400 × 32 мкм. Луч имеет эллиптическую форму из-за разницы в размерах апертуры антенны и массива антенн.
Как показано на 3c, напечатанный на 3D-принтере воксел представляет собой обесцвеченную область (белую/прозрачную) внутри оставшейся смолы (синий) из-за фотообесцвечивания синего фоторедокс-соединения aza-Br во время реакции фотоотверждения. Используя безворсовую салфетку и изопропиловый спирт, затвердевший образец отделялся от оставшейся неотвержденной жидкой смолы. В результате получается отдельный воксел, напечатанный на 3D-принтере, в форме главного лепестка интегрированного оптического фазированного массива (3b). Одиночный воксел, изображенный на 3c, имеет размеры примерно 0.5 × 0.125 мм в плоскости фотографии и высоту примерно 60 мкм. Высота воксела определяется расстоянием между покровными стеклами лунок со смолой (60 мкм для этого теста). Плоские размеры воксела определяются расстоянием между встроенным оптическим фазированным массивом и лункой для смолы. Расстояние от лунки со смолой и поверхностью чипа составила 2.5 см, в результате чего полученные воксели были субмиллиметрового масштаба (3c, 3d).
Чтобы охарактеризовать скорость отверждения и процесс формирования образцов, были протестированы различные временные интервалы процесса печати (3d): 3, 4, 5 и 10 секунд. После отделения полученных вокселей от оставшейся жидкой смолы была использована профилометрия для измерения высоты образцов вдоль их главных и второстепенных (длинных и коротких) осей.
Как показано на 3d, было установлено, что напечатанные на 3D-принтере воксели растут в зависимости от времени, в конечном итоге достигая плато при росте до верхней части лунки со смолой на высоте примерно 60 мкм. Чтобы продемонстрировать способность системы к быстрому отверждению в этом тесте, ученые установили мощность внекристального диодного лазера так, чтобы примерно 6.7 мкВт оптической мощности подавалось на главный лепесток интегрированного оптического фазированного массива. При такой оптической мощности наблюдается рост образца и его прилипание к предметному стеклу буквально за несколько секунд (3d). Даже при значительно более низких оптических мощностях, порядка 100 пВт, формирование образца все равно происходит, но занимает уже порядка 10 минут с нелинейной зависимостью между оптической мощностью и временем печати.
Ученые отмечают, что увеличить скорость печати возможно посредством дополнительной калибровки используемой смолы либо системы кремниевой фотоники. К примеру, использование более мощного лазера увеличит оптическую мощность системы, в результате чего скорость печати увеличится пропорционально квадратному корню из падающей оптической интенсивности. Поскольку волноводы из нитрида кремния демонстрируют высокую мощность (до сотен милливатт), а смолы на акриловой основе часто работают с интенсивностью, превышающей 1 мВт/см2, в коммерческих SLA-принтерах, можно ожидать, что подаваемую на чип мощность можно будет увеличить без повреждения смолы или чипа. Дополнительно можно использовать смолы, которые активируются при воздействии синего света, что может увеличить скорость печати.
Изображение №4
Далее ученые приступили к демонстрации возможности использования их методики для печати одно- и двумерных образцов.
Чтобы обеспечить немеханическое управление лучом в измерении интегрированного оптического фазированного массива, ученые использовали электронные зонды для контакта со встроенными электродами фотонного чипа. Также была применена прямоугольная волна частотой 10 кГц к электродам фазовращателя на основе жидких кристаллов. Пиковое напряжение этой приложенной прямоугольной волны подвергалось модуляции, чтобы настроить фазовый градиент, приложенный к антеннам, и, следовательно, направить сформированный луч в размере массива до 7.2 ° в пределах ± 3.4 В, как показано на 4a. Диапазон управления лучом определяется положением лепестков массива более высокого порядка, обусловленным шагом антенны > λ/2 и максимально достижимым показателем преломления жидкого кристалла до того, как волноводная мода станет плохо ограниченной.
Используя эту возможность немеханического управления лучом, ученые продемонстрировали печать линии в смоле, как показано на 4b. Печать линии происходила посредством изменения напряжения, подаваемого на фазовращатель на основе жидких кристаллов, от 0 до 3. По мере увеличения напряжения показатель преломления жидкого кристалла относительно моды в фазовращателе увеличивается, что приводит к меньшему ограничению моды в волноводе шины. В результате мощность, подаваемая на интегрированные оптические антенны, уменьшается по мере изменения диаграммы направленности. Чтобы компенсировать это, печать при более высоких напряжениях протекала дольше, чем при более низких, чтобы обеспечить равномерное отверждение вдоль линии.
Используя напечатанные линии в качестве строительных блоков, ученые приступили к печати произвольных форм в двух измерениях. Для такой печати было использовано механическое управление положения лунки со смолой, которая может с микронной точностью перемещаться во втором измерении посредством специального столика.
Для демонстрации был выбран логотип университета (MIT). Поскольку кислород в образце гасится во время печати, скорость отверждения увеличивается. Учитывая разницу в размерах всех элементов, время печати варьировалось, чтобы достичь одновременного и равномерного отвержения результирующего образца. Примерное время печати трех линий буквы «M», точки и тела буквы «I», а также вертикальной и горизонтальной составляющих буквы «Т» составляло 1.8, 0.2, 1.4, 0.2, 1.0, 0.7 и 0.5 минуты соответственно, при этом между каждым сегментом печати было несколько секунд для переключения. Окончательный образец, выполненный менее чем за 6 минут, изображен на 4d.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали разработанный ими 3D-принтер, использующий управляемый лазерный луч и смолу для печати желаемых объектов.
Подавляющее большинство современных принтеров для трехмерной печати, несмотря на свои преимущества, обладают рядом недостатков. Практически универсальным недостатком является необходимость в сложных механических элементах устройства. Авторы исследования попытались решить эту проблему, создав принтер, лишенный каких-либо движимых частей. Вместо этого он полагается на массив (толщиной 160 нанометров) крошечных оптических антенн, которые направляют луч света. Луч попадает в жидкую смолу, которая быстро затвердевает под воздействием длины волны видимого света. Еще одним важным преимуществом разработанного принтера является его портативность.
Использовав наработки кремниевой фотоники и фотохимии, ученые смогли создать рабочий чип, который может направлять световые лучи для 3D-печати произвольных двумерных узоров, что было подтверждено на практике, когда они напечатали аббревиатуру своего университета (MIT). При этом данный процесс занял всего лишь 6 минут. Этот показатель может показаться не столь удивительным, но ученые уже имеют несколько идей о том, как увеличить скорость печати, не навредив устройству или же используемому материалу.
Пока принтер может работать с одномерными и двумерными образцами, но полученные в ходе исследования знания могут быть использованы учеными для разработки чипа, который излучает голограмму видимого света в смоле, чтобы обеспечить объемную трехмерную печать всего за один шаг. Достичь этого будет непросто, однако ученые уверены, что это однозначно возможно. Создания «монолитного» портативного принтера, использующего свет, позволит значительно расширить спектр применения трехмерной печати.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
