Dreidimensionales Drucken von Glas ohne Sintern

Das Drucken mikro- und nanoskaliger Quarzglasstrukturen aus reinem Siliziumdioxid eröffnet viele neue Anwendungen in der Optik, Photonik und Halbleitertechnologie. Bisher basierten Verfahren auf konventionellem Sintern. Die zum Sintern von Siliziumdioxid-Nanopartikeln erforderlichen Temperaturen liegen bei über 1.100 °C, was für eine direkte Abscheidung auf Halbleiterchips viel zu heiß ist. Ein Team um Dr. Jens Bauer vom Institut für Nanotechnologie (INT) des KIThat nun ein neues Verfahren entwickelttransparentes Quarzglas mit hoher Auflösung und hervorragenden mechanischen Eigenschaften bei weitaus niedrigeren Temperaturen herzustellen.

Bauer, der am KIT die Emmy Noether-Nachwuchsgruppe „Nanoarchitected Metamaterials“ leitet, und seine Kollegen von der University of California, Irvine und dem Unternehmen Edwards Lifesciences in Irvine stellen den Prozess in Science vor. Als Ausgangsmaterial verwenden sie ein hybrides organisch-anorganisches Polymerharz. Dieses flüssige Harz besteht aus sogenannten polyedrischen oligomeren Silsesquioxan (POSS)-Molekülen, das sind kleine käfigartige Siliziumdioxidmoleküle, die mit organischen funktionellen Gruppen ausgestattet sind.

Nachdem das Material durch 3D-Druck zu einer 3D-Nanostruktur vernetzt wurde, wird es an der Luft auf 650 °C erhitzt, um die organischen Bestandteile zu entfernen. Gleichzeitig verschmelzen die anorganischen POSS-Käfige und bilden eine kontinuierliche Quarzglas-Mikrostruktur oder Nanostruktur. Die hierfür erforderliche Temperatur beträgt nur die Hälfte der Temperatur, die für Prozesse erforderlich ist, die auf dem Sintern von Nanopartikeln basieren.

„Die niedrigere Temperatur ermöglicht das Freiformdrucken robuster, optisch hochwertiger Glasstrukturen mit der für die Nanophotonik mit sichtbarem Licht erforderlichen Auflösung direkt auf Halbleiterchips“, erklärt Bauer. Neben einer hervorragenden optischen Qualität verfügt das erzeugte Quarzglas über hervorragende mechanische Eigenschaften und lässt sich leicht verarbeiten.

Die Forscher aus Karlsruhe und Irvine verwendeten das POSS-Harz zum Drucken verschiedener Nanostrukturen, darunter photonische Kristalle aus freistehenden, 97 nm breiten Strahlen, parabolische Mikrolinsen und ein mehrlinsiges Mikroobjektiv mit nanostrukturierten Elementen. „Mit unserem Verfahren entstehen Strukturen, die auch unter rauen chemischen oder thermischen Bedingungen stabil bleiben“, sagt Bauer.

„Die INT-Gruppe unter der Leitung von Jens Bauer ist dem Exzellenzcluster 3DMM2O zugeordnet“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT. „Die jetzt in Science veröffentlichten Forschungsergebnisse sind nur ein Beispiel dafür, wie der wissenschaftliche Nachwuchs im Cluster erfolgreich gefördert wird.“ 3D Matter Made to Order, kurz 3DMM2O, ist ein gemeinsamer Exzellenzcluster des KIT und der Universität Heidelberg. Es verfolgt einen stark interdisziplinären Ansatz durch die Kombination von Naturwissenschaften und Ingenieurwissenschaften. Ziel ist es, die additive 3D-Fertigung auf die nächste Ebene zu heben – von der Ebene der Moleküle bis hin zu makroskopischen Dimensionen.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website des Karlsruher Instituts für Technologie veröffentlicht