缩小光子晶体以便能够以微观颜色进行3D打印

发布者:匿名 2019-06-08 浏览量:2949


纳米尺度的3D打印当今是一个经过深思熟虑的领域,从玻璃/陶瓷,复杂金属结构到可扩展系统的实验,但商业印刷商还不能创造出光子晶体结构图案所需类型的颜色。 必要的~300 nm晶格常数,以实现光子阻带/带隙。

从玻璃/陶瓷的实验到复杂的金属结构再到可扩展的系统,纳米级的3D打印无疑是当今一个被广泛探索的领域,但是商用打印机还不能创造出光子晶体结构图案所需类型的颜色,需要“具有实现光子阻带/带隙所需的~300纳米晶格常数。”

3D光子晶体的热收缩诱导色。(A)制造过程的示意图。左:木型光子晶体,用商业IP防浸剂书写,由双光子聚合而成,尺寸远高于打印机的分辨率极限,以防止结构倒塌。右:热处理后,光子晶体的尺寸减小到低于打印机的分辨率极限,并产生颜色。颜色随着不同程度的收缩而变化.B)示意图显示了木结构的1个轴向单元。axy和az分别表示横向和轴向晶格常数。在加热之前和之后(D),代表性木光子晶体(C)的倾斜视图扫描电子显微照片(SEM)。加热前(E,I)木材光子晶体的SEM图像和相应的明场反射模式光学显微照片,收缩率为55%(F,J),71%(G,K)和78%(H,L)。(M)作为加热持续时间的函数,在约450℃下加热的木光子晶体的收缩。加热前木光子晶体(N)和加热后(O)的反射光谱,收缩率为55%,71%和78%。比例尺代表10微米

研究人员提出了一种制造光子晶体的新方法,其晶格常数减少了5倍。通过这种技术,研究人员能够3D打印微观物体,例如埃菲尔铁塔模型,尺寸仅为39微米,颜色像素尺寸为1.45微米

“据我们所知,这是基于介质结构颜色而非染料的全彩色3D打印对象的首次演示”研究人员表示,他们预见到这项技术也有潜力用于制造光子光学器件和超表面,包括芯片上的电路和其他光电器件。

加热过程有利于这种技术,为某些结构提供适当的收缩量(一些样品失效,完全失去形状),同时改变激光写入点的形状:

研究人员表示,“较小结构的制造可靠性和再现性也得到了提高,因为我们可以在较大的工艺窗口内对机械坚固的结构进行图案设计。”这个概念类似于用收缩丁克(ShrinkyDinks)进行的2D实验,在2D实验中,用一台简单的台式打印机打印的结构后来被热收缩到微米级。

具有axy = 350纳米az = 614纳米的木光子晶体的反射率和带结构。(A)木光子晶体的顶视图(顶部)和侧视图(底部)反射模式光学显微照片。(B)用自顶向下照明(顶部)和侧面照明(底部)测量的木光子晶体的反射率。(C)第一布里渊区和木光子晶体在Γ-K和Γ-X方向上的光子带结构。星号表示慢灯模式,点表示阻带。(D,E)在顶部向下照射条件下对于axy = 300-350纳米D)和axy = 350-672纳米E)的木堆的反射光谱和反射模式显微照片。(F)作为晶格常数的函数的反射率 - 峰值位置的图。

在用于研究的3D打印样本对象中,研究团队制造了许多具有一系列激光功率的木结构。没有加热,它们是无色的,但在加热后,样品收缩并变得多彩。

3D彩色打印。(A)从侧面看具有不同结构尺寸的热处理木光子晶体的复合光学显微照片。(B)来自(A)的所选木结构的侧面照射反射光谱。(C)用于埃菲尔铁塔的平版打印GWL文件,包括木堆体素。结构蓝色(D)和结构红色(E)的艾菲尔铁塔3D打印模型的显微照片。(F)埃菲尔铁塔的倾斜视图,印有有意的渐变色彩。(G)艾菲尔铁塔的进一步缩小的多色3D打印。(H)光学显微照片和(I)结构红色的3D汉字“福”的SEM图像。(J)(I)中虚线方形区域的特写SEM图像。(A-I)中的比例尺表示10μm,(J)中的比例尺表示1μm。

埃菲尔铁塔样本展示了在显微镜下3D打印“任意和复杂”物体的能力,研究人员在收缩后选择了晶格常数。

研究人员表示,“塔顶端附着在基板上,用光学显微镜从侧面观察制造的3D结构”。

“木结构结构稳定,可用作各种型号的构件。为了展示这种方法的多功能性,一个20微米高的汉字为运气“福”印在结构红色。”

作者解释说,物体也可以用多种颜色进行3D打印,它们不仅展示了艾菲尔铁塔的打印品,还展示了新加坡的艺术科学博物馆。

埃菲尔铁塔样品展示了在显微镜下对“任意”和“复杂”物体进行3D打印的能力,由研究者的后收缩率选择晶格常数。

采用热收缩法打印全彩色模型。(A)艾菲尔铁塔和(B)新加坡艺术科学博物馆模型的光学显微照片。

研究人员总结道:“热诱导收缩方法使人们能够轻松超过3D DLW系统的分辨率极限,以打印由于组成晶格的基础光子带结构而呈现颜色的3D物体。” 光子带结构计算与没有拟合参数的实验结果之间的良好一致性使我们能够清楚地识别慢光模式和阻带作为光谱峰值的来源,从而产生全范围的颜色。

“我们的工作展示了能够随意在复杂的3D物体中产生结构色彩的能力,并且可以扩展到紧凑型光学元件和集成3D光子电路的发展,这些光子电路在可见到近红外波长下工作。”

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